1.5 晶体管与场效应晶体管

1.5.1 晶体管

半导体晶体管是具有两个PN结且呈背对背排列的三端器件，简称为晶体管，其3个引脚分别称为集电极（C）、基极（B）和发射极（E）。在电子产品中广泛用它来构成放大和开关等电路，其文字符号用“VT”表示。

1.常见晶体管实物与电路符号

常见晶体管实物与电路符号如图1-46所示。

2.国产晶体管的命名方法

国产晶体管的命名由5个部分组成，其命名方法示意图如图1-47所示，晶体管命名方法的第2、3部分的含义如表1-16所示。

第1部分表示的是晶体管的电极数，用“3”表示晶体管。

举例说明：

3AX31表示为PNP型锗材料低频小功率管晶体管，“31”表示序号。

3DG6B表示为NPN型硅材料高频小功率管晶体管，“6B”表示序号。

【注1】日本半导体分立器件型号命名通常也由5部分组成。

第1部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。第2部分：日本电子工业协会JEIA注册标志。第3部分：用字母表示器件使用材料极性和类型。第4部分：用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。第5部分：用字母表示同一型号的改进型产品标志。

日本半导体分立器件型号的含义如表1⁃17所示。

【注2】美国电子工业协会半导体分立器件命名通常也由5部分组成。

第1部分：用符号表示器件用途的类型。第2部分：用数字表示PN结数目。第3部分：美国电子工业协会（EIA）注册标志。第4部分：美国电子工业协会登记顺序号。第5部分：用字母表示器件分档。

美国电子工业协会半导体分立器件型号的含义如表1⁃18所示。

例如，JAN2N3251A表示为PNP硅高频小功率开关晶体管。其中，“JAN”表示军用级、“2”表示晶体管、“N”表示EIA注册标志、“3251”表示EIA登记顺序号、“A”表示2N3251A档。

3.晶体管的分类

1）按材料可分为锗晶体管、硅晶体管。

2）按结构可分为点接触型和面结合型。

3）按PN结组合可分为NPN晶体管、PNP晶体管。

4）按工作频率可分为高频管（fT≥3MHz）、低频管（fT＜3MHz）。

5）按功率可分为大功率管（PC＞1W）、中功率管（PC=0.7～1W）、小功率管（PC＜0.7W）。

4.晶体管的工作过程

晶体管的工作过程（以NPN型管为例）示意图如图1-48所示。

当给基极（输入端）输入一个较小的基极电流Ib时，其集电极（输出端）将按比例产生一个较大的集电极电流Ic，这个比例就是晶体管的电流放大系数β，即Ic=βIb。发射极是公共端，发射极电流Ie=Ib+Ic=（1+β）Ib。

可见，集电极电流和发射极电流受基极电流的控制，因此晶体管是电流控制型器件。

5.常见晶体管结构特点与应用

（1）普通晶体管

普通晶体管外部由C（集电极）、B（基极）和E（发射极）3个引脚组成，内部由两个呈背对背排列的PN结构成，且具备电流放大功能，被广泛用于各类电子设备中。

（2）行输出管

行输出管具有耐压高、B-E间有保护电阻、C-E间有一只阻尼二极管的特点。被广泛用于彩色电视机、计算机显示器的行输出部分。行输出管内部结构如图1-49所示。

（3）复合管（达林顿管）

复合管主要由两个晶体管复合而成，分普通型和带保护型两种。R1、R2为保护电阻，且R2通常为几十欧，VD为阻尼二极管。总电流放大倍数β总=β1β2。

达林顿管具有增益高、开关速度快的特性，常用于大功率的开关电路和继电器驱动电路中。复合管内部结构如图1-50所示。

（4）带阻尼晶体管

在B-E极间含有1个或多个电阻，常在进口家用电器中作为小功率管使用，并以片状形式来封装。有些是以集电极开路（OC）形式来封装，内含有多个可以互相独立使用的带阻尼晶体管。R1、R2阻值一般都在10～47kΩ之间。带阻尼晶体管内部结构如图1-51所示。

6.晶体管的主要参数

（1）电流放大系数（β）

晶体管的电流放大系数包括静态和动态两种。静态值是晶体管集电极电流Ic和基极电流Ib之比；动态值（即β）是晶体管集电极电流的变化值ΔIc与基极电流的变化值ΔIb之比。在低频时，二者很接近。由于工艺和材料的原因，相同型号的晶体管，β值有很大的差别，一般为20～200。β值太小，晶体管放大能力差；β值太大，晶体管性能不稳定。有些晶体管在管壳顶上印有色标，作为β值分档标记。

（2）极间反向电流（Icbo、Iceo）

主要用来表示管子工作的稳定情况。ICBO为集电结反向饱和电流；Iceo为穿透电流。二者关系是：Iceo=（1+β）Icbo。室温下，小功率锗管的ICBO约为10μA，小功率硅管的Icbo小于1μA。对于硅管的Icbo，温度每升高8℃增加1倍；对于锗管的Icbo，则是每升高12℃增加1倍。

（3）输入/输出电阻（rbe、rce）

输入电阻（rbe）是指晶体管输出交流短路（即Δuce=0时）B-E间的电阻；输出电阻（rce）是指晶体管输入交流短路（即ΔIb=0时）C-E间的电阻。

（4）截止频率（fα）

fα是指在共基极电路中，当输出端交流短路时，其电流放大系数a的幅值下降到低频（1kHz以下）值0.707时的频率。低频管的fα＜3MHz，高频管的fα≥3MHz。

（5）特征频率（fT）

在频率大于fβ后，β将以很快的速度下降，频率每增加一倍，β值将下降一半。fT是指当β降到1时的频率。此时共发射极电路将失去电流放大作用。

（6）击穿电压（U（BR）EBO、U（BR）CEO、U（BR）CBO）

U（BR）EBO是集电极开路、发射极-基极间的反向击穿电压；U（BR）CEO是基极开路、集电极-发射极间的反向击穿电压；U（BR）CBO是发射极开路、集电极-基极间的反向击穿电压。三者关系为U（BR）EBO＜U（BR）CEO＜U（BR）CBO。使用时不允许超过上述规定值。

（7）集电极最大允许耗散功率（PCM）

当管子的集电结通过电流时，功率损耗要产生热量，会使其结温升高。若功率耗散过大，则会导致集电结烧毁。根据管子允许的最高温度和散热条件，可以定出其PCM值。国产小功率晶体管的PCM＜1W。

7.常用小功率晶体管介绍

由于9000系列和8050、8550系列晶体管在实际中广泛使用，所以在这里不妨对其参数作一详细介绍，以供读者作为选用和替代的依据。几种常用晶体管特性参数表如表1-19所示。

1.5.2 场效应晶体管

场效应晶体管是一种利用场效应原理工作的半导体器件。与晶体管一样具有3个电极，分别为D（漏极）、S（源极）、G（栅极），在G、S和G、D极间分别形成两个PN结。

与普通双极型晶体管相比较，场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等特点，得到了越来越广泛的应用。

场效应晶体管在电路中的文字符号用为“VT”表示。

1.常见场效应晶体管实物

常见场效应晶体管实物如图1-52所示。

2.常见场效应晶体管分类与电路符号

场效应晶体管的种类很多，主要分为结型场效应晶体管（JFET管）和绝缘栅场效应晶体管（MOS管）两大类，又都有N沟道和P沟道之分。

绝缘栅场效应晶体管也称为金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为MOS场效应晶体管，分为耗尽型MOS管和增强型MOS管。

场效应晶体管还有单栅极管和双栅极管之分。双栅场效应晶体管具有两个互相独立的栅极G1和G2，从结构上看相当于由两个单栅场效应晶体管串联而成，其输出电流的变化受到两个栅极电压的控制。双栅场效应晶体管的这种特性，为其用作高频放大器、增益控制放大器、混频器和解调器带来很大方便。

常见场效应晶体管分类与电路符号如表1-20所示。

3.场效应晶体管的工作过程

场效应晶体管的工作过程（以结型N沟道管为例）示意图如图1-53所示。由于栅极G接有负偏压（-UG），所以在G附近形成耗尽层。当负偏压（-UG）的绝对值增大时，耗尽层增大，沟道减小，漏极电流ID减小。当负偏压（-UG）的绝对值减小时，耗尽层减小，沟道增大，漏极电流ID增大。

可见，漏极电流ID受栅极电压的控制，故场效应晶体管是电压控制型器件，即通过输入电压的变化来控制输出电流的变化，从而达到放大等目的。

4.场效应晶体管的参数

场效应晶体管的主要参数如下。饱和漏源电流IDSS、夹断电压UP（结型管和耗尽型绝缘栅管）或开启电压UT（增强型绝缘栅管）、跨导gm、漏源击穿电压BUDS、最大耗散功率PDSM和最大漏源电流IDSM。

（1）饱和漏源电流（IDSS）

即在结型或耗尽型绝缘栅场效应晶体管中，当栅极电压UGS=0时的漏源电流。

（2）夹断电压（UP）

即在结型或耗尽型绝缘栅场效应晶体管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。

（3）开启电压（UT）

即在增强型绝缘栅场效应晶体管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。

（4）跨导（gm）

跨导表示栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gm是衡量场效应晶体管放大能力的重要参数。

（5）漏源击穿电压（BUDS）

即当栅源电压UGS一定时，场效应晶体管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，使用时加在场效应晶体管上的工作电压必须小于BUDS。

（6）最大耗散功率（PDSM）

这也是一项极限参数，是指场效应晶体管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应晶体管实际功耗应小于PDSM，并留有一定余量。

（7）最大漏源电流（IDSM）

这是场效应晶体管的又一项极限参数，是指场效应晶体管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。场效应晶体管的工作电流不应超过IDSM。

5.场效应晶体管的使用常识

1）为保证场效应晶体管安全可靠地工作，在使用中不要超过器件的极限参数。

2）绝缘栅管保存时应将各电极引线短接。由于MOS管栅极具有极高的绝缘强度，所以栅极不允许开路，否则会感应出很高电压的静电而将其击穿。

3）当进行焊接时，应将电烙铁的外壳接地或切断电源趁热焊接。

4）当进行测试时，仪表应良好接地，不允许有漏电现象。

5）当场效应晶体管使用在要求输入电阻较高的场合时，还应采取防潮措施，以免它受潮气的影响使输入电阻大大降低。

6）对于结型管，栅、源间的电压极性不能接反，否则PN结将正偏而不能正常工作，有时可能会烧坏器件。

1.5.3 任务5——晶体管与场效应晶体管的识别与判别

1.实训目的

1）能描述各类晶体管和场效应晶体管的基本特性。

2）会熟练使用万用表。

3）能正确识别与判别各类晶体管和场效应晶体管。

2.实训设备与器材准备

1）MF47A型指针万用表 1块。

2）DT-890型数字万用表 1块。

3）某彩色电视机电路机板 1块。

4）各类晶体管与场效应晶体管等器件 若干。

3.实训步骤与报告

（1）晶体管与场效应晶体管的直观识别

1）准备一块电路整机板，比如彩色电视机电路机板。

2）在整机板上对晶体管、场效应晶体管等半导体器件的名称、型号、引脚极性等进行识读。

3）做好记录。

（2）晶体管基极（B）和类型的判别

1）将万用表置于“Ω”档，选择R×1kΩ档量程。

2）假定晶体管某一引脚为基极（B）且用“黑表笔”去接触它不动，“红表笔”去分别接触余下两引脚，测得两个电阻值。

3）若两次测得的电阻值都很小，则“黑表笔”接触的引脚是基极（B）。

4）通过万用表的“黑表笔”而找到基极（B）的晶体管是NPN型。

【注】如果假定3次还没有找到基极（B），就交换表笔，方法同上。

（3）晶体管集电极（C）的判别

1）将万用表置于“Ω”档，选择R×10kΩ档量程。

2）若被测晶体管为NPN型，则假定晶体管剩下两引脚中一只引脚为集电极（C）。

3）用“黑表笔”去接触它，当然另一引脚就用“红表笔”接触。

4）在“黑表笔”与基极（B）之间加一个人体电阻（R人）。

5）若万用表指针偏转角度较大的，则“黑表笔”接触的引脚是集电极（C）。

【注】若被测晶体管为PNP型，则假定的集电极（C）应用“红表笔”去接触，人体电阻（R人）加在“红表笔”与基极（B）之间，若万用表指针偏转角度较大的，则“红表笔”接触的引脚是集电极（C）。

（4）晶体管质量判别

1）将万用表置于“Ω”档，选择R×1kΩ档量程。

2）判别B-E和B-C极的好坏，可参考普通二极管好坏的判别方法。

3）将万用表置于“Ω”档，选择R×10kΩ档量程。

4）测量C-E漏电电阻，对于NPN（PNP）型晶体管黑（红）表笔接C极，红（黑）表笔接E极，B极悬空，RCE阻值越大越好。

【注】一般对锗管的要求较低，在低压电路上大于50kΩ即可使用，但对于硅管来说，要大于500kΩ才可使用，通常测量硅管RCE阻值时，万用表指针都指向∞。

（5）晶体管的放大倍数的测试

1）将DT-890型数字万用表的波段置于hFE档。

2）将被测晶体管插入相应类型的插孔。

3）读取显示器上的数值，便是β值。

【注】一般晶体管β值在50～150为最佳。

（6）行输出管的测试

1）将万用表置于“Ω”档，选择R×1Ω档量程。

2）测量任意两极，若发现有两极在正反测量时的阻值都很小，在10～70Ω之间，则比较两次阻值大小，小的一次黑表笔接的是B极，红表笔接的是E极，则另一极就是C极。

3）将万用表置于“Ω”档，选择R×10kΩ档量程。

4）黑表笔接C极，红笔接E极，其阻值应为无穷大，指针稍有偏转都视为漏电。反转表笔测量时，阻值应较小（阻尼二极管导通）。

（7）场效应晶体管的识别与判别

1）利用万用表电阻R×1kΩ档对JFET的极性及好坏进行表1-21所示的测试。

2）MOS-FET不能以万用表检查，而必须用测试仪，而且要在接入测试仪后才能去掉各电极的短路线；测毕，应先行短路而后取下，关键是应避免栅极悬空。

（8）晶体管与场效应晶体管的识别与判别实训报告

4.实训注意事项

1）当测量和更换带阻尼晶体管时，一定要凭借电路资料或相同型号的实物进行对比，否则可能会导致误判。

2）绝缘栅管一般用测试仪而不能万用表去检查。