3.4 雙極性電晶體

電晶體是一種固態裝置元件,它具有体積小、效率高、壽命長及速度快等優點。近年來由於技術的進步,已有大量的耐高壓、能承受大功率的晶体被製造出來,因此電晶体在功率放大上,一直扮演著重要的角色。

3-4-1電晶體的結構

電晶體的結構很像二極体,不過比二極体多出了一個接合面。如圖3-15(a)所示,將二層N型半導体,中間夾以一層很薄的P型半導体,即成NPN型電晶體;或將二層P型半導体,中間夾以一層很薄的N型半導体,即成PNP型電晶體。

將電晶體的三層晶片都分別列出接線成為電極,中間一片稱為基極(base,B),另兩極分別稱為射極(emitter,E)及集極(collector,C)。

射極能發射多數載体,基極可控制流向集極之多數載体的數量。集極則能收集射極發射的多數載体,如圖3-15(b)所示,為電晶體的符號,射極之箭頭向外的為NPN型;射極之箭頭向內的為PNP型。

3-4-2電晶體的操作

電晶體要正常工作,必須加以適當的電壓,這就叫做偏壓,通常在基極與射極間(B-E間)施以順向偏壓,集極與基極間(C-B間)施以逆向偏壓,現以NPN型電晶體來說明其工作原理。

如圖3-16所示,在NPN型電晶体中,射極的多數載体是電子。在B極和E極之間施加順向偏壓時,因E極摻入五價雜質的量很大,故有大量的電子進入B極。而B極很薄,且摻入三價雜質的量不多,僅有為數不多的自由電洞,所以從E極進入B極的電子要找到一個電洞來結合,形成B極電流(IB),C極是N型區,但在C極與B極間所加的電壓VCB為正電壓。就C極與E極來看,偏壓是串聯的關係。因此,E極發射的電子,除了與B極中的電洞相結合而形成IB者外,均被C極的強力電場所吸引而成為大量的C極電流IC。

將電子與電洞的作用互換,則PNP型電晶体與NPN型電晶体的工作原理完全相同。同時我們也由此知道流入電晶体的電流等於流出電晶体的電流,即

IE = IB+ IC………………………(3-1)

假如B極與E極間不加順向偏壓,雖然C極與E極間加了偏壓,仍然沒有射極電流IE和集極電流IC流通。因為B極和E極間不加順向偏壓時,E極不能發射電子(即沒有B極電流IB),那麼C極雖然具有正電場,亦無法收集電子,以形成C極電流IC了。

總之,IB愈大表示E極發射的電子愈多,則IC也愈大;IB愈小,則E極發射的電子愈少,則IC也愈小。所以,IC之大小是受IB所控制的。

在PNP型電晶体中,其主要載体為電洞,如圖3-17所示,所以其所施加之偏壓與NPN型者完全相反。NPN型電晶体比PNP型電晶体使用的較多,那是因為電子的活性比電洞來得大,穿過晶体結構的速度比較快,即NPN型電晶体的速度比較快,在高頻電路中優於PNP型電晶体。另一個原因是大家習慣於把負極接地,而NPN型電晶体電路一般也都是以負極接地方式呈現。

僅管NPN型電晶体與PNP型電晶体的極性不同,但我們經常可在同一個電路中,發現同時使用NPN型電晶体與PNP型電晶体,因為如能兩種可式電晶体配合使用,可使線路設計得更為優越。

3-4-3電晶體的放大原理

現在我們利用圖3-18的電路來說明共基極組態放大的原理。直流偏壓未繪於其上,因為放大器只限於對交流的響應。

對於共基極組態而言,一個電晶体的E極與B極之間的輸入電阻典型值是在20Ω~200Ω之間,而輸出電阻則可自100KΩ~1000KΩ。這些電阻的差別是因為E、B極的順向偏壓接面與B、C極的反向偏壓接面所引起的。若輸入電阻選取100歐姆的平均值,則

如果我們假設α=1(α的典型值在0.90到0.998之間,稱為電流放大率或電流增益),則

IL=I=2 mA

同時 VL=ILR=(2×10-3)(5×103)=10V

電壓的放大率就是

共基極組態的電壓放大率,其典型值可自20~100,電流放大率則一定小於1,如果欲求其功率增益,則功率增益=電流增益×電壓增益,即AP=α×AV

這種基本的放大作用是將電流I自一個低電阻電路轉送到一個高電阻電路而得來的。轉換(transfer)與電阻器(resistor)這二個英文字合起來就產生了電晶体(transistor)這個英文名字。

3.4.4電晶體的基本放大電路及其特性

電晶体三個端點接線中任何一端為共用(Common),其他兩端為輸入與輸出,可產生三種基本的放大電路型態:(1)共同基極(又稱為共基極,簡稱為CB)、(2)共同射極(又稱為共射極,簡稱為CE)、(3)共同集極(又稱為共集極,簡稱為CC)。

所謂的共用或接地,是指該極為輸入與輸出信號的共同基準點。茲分述如下:

1.共基極(基極接地式)(CB組態):

    如圖3-19所示,為CB式基本電路,將輸入信號送到E極與B極之間,輸出信號由C極與B極間取出,當輸入信號為正半週時,EB間之順向偏壓被減低,所以輸入電流IE減小,輸出電流IC也隨之變小,使流經負載電阻RL兩端的壓降減低,因C極電壓等VCC減去RL之壓降,故C極電壓上升。當輸入信號為負半週時,則E極對B極的順向電壓增大,輸出電流隨之變大,使輸出負載電阻RL之壓降變大,而C極電壓減少。

    由上面分析可知:CB式電路,輸入信號與輸出信號的相位關係為同相,即輸入信號電壓為正半週時,輸出信號電壓仍為正半週;輸入信號電壓為負半週時,輸出信號電壓亦為負半週。

    基極接地式之輸出電流IC與輸入電流IE間之比值,是為基極接地式電路的電流增益,通常以α表示之。即

    ..........(3-2)

    因IE=IC+IB,所以α之值琱p於1,通常約為0.95~0.99左右。但由於輸入電路射極與基極間為順向偏壓,電阻很低;而輸出電路集極與基極間為逆向偏壓,電阻很高,故在電阻特性轉換的結果,電壓增益AV仍然很高。

    ..........(3-3)

    ΔVCB:輸出電壓變動值 ΔVEB:輸入電壓變動值

    RL:負載電阻 RI:輸入電阻

    [例3-1]如圖3-19所示共基極電路,若α=0.98,輸入電阻為100Ω,RL=100KΩ,則該電路之電壓增益為多少?

    [解]:

2.共射極(射極接地式)(CE組態):

    如圖3-20所示,為射極接地式基本電路,將輸入信號加到基極與射極之間,而輸出信號從集極與射極間獲得。當輸入信號電壓為正半週時,則射極與基極間的順向偏壓增加,基極電流IB及集極電流IC也上升,使負載電阻RL上的壓降增加,而集極的正電位變小;當輸入信號電壓為負半週時,則射極與基極間的順向偏壓減少,基極電流IB及集極電流IC均減小,使負載電阻RL上的壓降減小,而集極的正電位變大。由此可知,共射極式放大電路之輸入信號與輸出信號之相位差為180°(即相反或稱為反相)。

    在射極接地電路中,集極到射極電壓VCE固定下,基極電流的小量變化與對應集極電流變化的比值,通常稱為共射極電路的順向電流傳輸比,以β表示,也有用hfe表示者,即

    ΔVCE=0 .................(3-4)

    由於IE=IC+IB,而以α=,β=,則

    α== ……(3-5) .....................(3-6)

    因為電晶体之射極與集極間有一漏電流存在,故當IB=0時,IC並不一定為零。此漏電流常以ICEO表示。矽電晶体之ICEO約為2 μA,鍺電晶体之ICEO約為200 μA。

    在共射極電路中,當IE為零時,集極電流只有集-基間逆向漏電流ICBO而已,故如考慮漏電電流時,則

    IC=αIE+ICBO == IC=α(IC+IB)+ICBO == IC-αIC=αIB+ICBO

    而 α=,α(1+β)=β α=β(1-α)

    IC=βIB+(1+β)ICBO ....................(3-7)

    IB=0時,IC=(1+β)ICBO ICEO=(1+β)ICBO ..................(3-8)

    [例3-2]某共射極式電路之工作特性如下:VCE=6V,IC=5mA,IB=50μA,ICBO=2×10-2μA,試求(1)β值;(2)ICEO

    [解]:

     

    射極接地式放大電路之輸入阻抗約為1kΩ,輸出阻抗大約為50 kΩ,其功率增益、電流增益、電壓增益均大,故為最主要、最常使用的電路型態。

3.共集極(集極接地式)(CC組態)
如圖3-21所示,為集極接地式基本電路,信號電壓由基極加入而由射極取出,集極則為輸入與輸出的共同基準。這種電路因輸入電路為基極與集極,兩間加逆向偏壓,故輸入阻抗極高,而輸出阻抗很低。主要應用於阻抗匹配電路。因其輸出在射極,也稱為射極隨耦器。

共集式電路之輸出電流為IE,輸入電流為IB,其電流增益為:

..........................(3-9)

電流增益雖然很大,但是流過射極時有100%的電流負回授存在,所以電壓增益琱p於1;且輸入信號電壓與輸出信號電壓是同相的。

表3-1 電晶體三種接地方式的特性摘要

表3-2 電晶體三種基本組態的特性比較

 

CE組態

CB組態

CC組態

電流增益

(β)

(1)

(β+1)

電壓增益

(1)

功率增益

中等

(β)

輸入阻抗

中等

輸出阻抗

中等

相位關係

反相180°

同相

同相

功用

因功率增益最大,故應用較為廣泛 用於極高頻放大和振盪 用作阻抗匹配

電流增益AICC>CE>CB

電壓增益AVCB>CE>CC

功率增益APCE>CB>CC

輸入阻抗RICC>CE>CB

輸出阻抗ROCB>CE>CC

3.4.5電晶體的最大額定值

電晶體的最大額定值係指在安全的原則下,經過實驗所測得的最大額定值,在一般使用上不可超過此額定值,否則將損壞電晶体或失去原來的工作性能。

電晶体之特性表內的最大額定值,通常以周圍溫度為25°C為準,包括下列數項:

1.最大集極電壓:

當射極開路時,集極與基極間所施加的最大逆向偏壓以VCBO表示,逆向電壓增大超過此耐壓限度時,ICBO會急速上升而破壞。

2.最大射極電壓:

    表示集極開路時,射極與基極間可加之反向的最大耐壓,以VEBO表示之。

3.最大集極電流:

    當射極和基極間施加順向偏壓時,流過集極而不使電晶体效率惡化的最大電流,以Icmax表示之。

4.最大集極損(消)耗:

    係表示在周圍溫度為25°C時,電晶体在無訊號下最大容許功率損(消)耗值,以Pcmax表示之。

5.最大接合面容許溫度:

    在正常工作下,電晶体部損失功率會造成接合面溫度上升,溫度太高時,會使接合面因太大電流之通過而破壞,而此不破壞接合面的最高溫度,即稱為最大接合面容許溫度,以Tj表示之。

    通常矽電晶体的Tj為125°C∼200°C,鍺電晶体為65°C∼100°C左右。

3.4.6電晶體的識別與編號

電晶体的編號方法很多,美國多以其註冊的秩序來編號。這些編號是由電子裝置工程協會所定。在這系統下,是由數字、字母、數字等三項所構成,第一項數字表示PN接合面的數量,”1”是僅有一個接合面的二極体;”2”是三極式的電晶体;”3”是四極式裝置或閘流体。第二項字母通常為N。第三項數字為其註冊號碼,有的電晶体在註冊號碼後還加有A、B等字母,那是表示該註冊號碼同特性之改良。

美國編號方法只能看出其PN接合面的數量,而不能看出其他特性。而歐洲與日本的編號,就比較系統化,今分述如下:

  1. 歐洲電晶体的編號

    構成順序:字母、字母、數字。

    例如 B C 108

    第一項 第二項 第三項

(1)第一項字母表示製造材料

    A 鍺質材料 C 金屬氧化物材料

    B 矽質材料 D 輻射檢波器用材料

(2)第二項字母表示用途

    A 小功率二極体 F 小功率高頻用 L 大功率高頻用

    C 小功率低頻用 G 其他 S 小功率開關用

    D 大功率低頻用 H 電場探示器 U 大功率開關用

    E 隧道(透納)二極体 K 霍爾效應發生器 Y 大功率二極体

    Z 穩壓(齊納)二極体

(3)第三項數字表示註冊號數

上述BC108為矽質小功率低頻用電晶体,其註冊號序為108號。

2.日本電晶体的編號

      依據JIS所制定的命名法,其編號順序為:數字、字母、字母、數字。

      例如 2 S C 458

    第一項 第二項 第三項 第四項

  1. 第一項數字表示類別
  2. 0 光電晶体、光二極体 2 電晶体、FET、SCR、UJT等三極的零件

    1 二極体 3 具有四極的零件

  3. 第二項字母 ”S” 表示半導體
  4. 第三項字母表示極性及用途
  5. A 高頻用PNP型電晶体 B 低頻用PNP型電晶体

    C 高頻用NPN型電晶体 D 低頻用NPN型電晶体

    F P閘矽控整流器(SCR) G N閘矽控整流器

    H 單接合電晶体 J P通道場效電晶体(P-channel FET)

    K N通道場效電晶体(N-channel FET) M 交流矽控整流器(TRIAC)

  6. 第四項數字表示註冊順序號碼

      有的電晶体在註冊順序號碼後面還加一個字母(A、B、C………..)。其意義同美國編號式。例如:電晶体之編號為2SC458A,則該電晶体為高頻用NPN型,註冊序號為458型之改良型。

3.4.7電晶體的測量法(使用三用電表)

電晶体之材質為矽質或鍺質、極性、接腳及β值等,均可應用三用電表量測判斷。

用三用電表量測矽質或鍺質的方法,和二極体的判別法相同。其餘極性、接腳及β值等之量測方法分述如下:

  1. 以三用電表判斷電晶体是PNP或NPN型
  1. 將三用電表範圍調整開關旋至R×1K或R×10位置上。
  2. 測試棒任意量測電晶体的兩個接腳,使三用電表指示低電阻值。此時這兩接腳中,必有一腳為基極(B極)。
  3. 移動任一測試棒,假設紅棒移到剛才空的接腳,若三用電表仍然指示低電阻值,則測試棒沒動的那接腳,即黑棒的接腳為B,如果測試棒移到剛才空著的接腳時,三用電表指示高電阻值,則表示測試棒移開的那接腳為B。
  4. 如圖3-22(a)所示,黑棒不動,移動紅棒至其他兩極,三用電表均指示低電阻值。此時黑棒接基極B,黑棒係接三用電表的內部電池正電壓端,故為P。於是可判斷此電晶体為NPN型電晶体。
  5. 如圖3-22(b)所示如果紅棒不動,移動黑棒至其他兩極三用電表均指示低電阻值,則紅棒接B,故此電晶体為PNP型電晶体。
  6. 以三用電表測試電晶体之B、E及C、B時,與測二極体相同,均應為單向導電。如果有同時指示高電阻值或低電阻值時,則可判斷此電晶体壞了。
  7. 如圖3-22(c)所示,無論測試棒如調換,三用電表均指示高阻值,此時測試棒所接的兩極為電晶体的C、E。C、E間為低電阻值時表示該電晶体已壞了。
2.以三用電表判斷電晶体的C、B、E腳
  1. 首先由上述方法判斷出電晶体之基極B及其極性為NPN或PNP。
  2. 分別假定B以外的兩腳一為C,另一為E。
  3. 以NPN電晶体為例,三用電表轉至R×1K,把黑棒(正電壓)接在假定的C,而紅棒(負電壓)接在假定的E。如圖3-23(a)所示,用左手手指同時碰著B與C(不可讓C、B短路),等效電路如圖3-23(b)所示。此時指針會向右偏轉,記取其偏轉量。若將手指放開,指針又回至原位。
  4. 將前述假設定之C、E腳對調,即原來假設為C者改為E,原來假設E者改為C。再依程序(3)之方法量測一次。
  5. 比較兩次假設所記取之指針偏轉量,偏轉量大者之假設為正確。
  6. 表3-3為常見電晶体之外形及接腳圖。
3.以三用電表判斷電晶体的β值

    近年來我國與日製三用電表,如303、360、370等各型均附有電晶体測試棒,可用來直接測量電晶体的β值,並可依測量數據判斷電晶体之好壞,其用法如下:

  1. 將三用電表轉至R×10(hfe)檔,並作0Ω調整。
  2. 測量NPN型電晶体時,將電晶体測試棒插於三用電表的N(-)插孔,然後把紅色夾子夾在電晶体的C極,黑色夾子夾在B極。另一測試棒插於P(+)插孔,並連接在E極。如圖3-24(a)所示。
  3. 測量PNP型電晶体時,則電晶体測試棒插於三用電表的P(+)插孔,另一測試棒插於N(-)插孔。E、B、C的接法與NPN型者相同,如圖3-24(b)所示。
  4. 電晶体的β值直接由標有IC/IB或hFE之刻度讀取即可。
  5. 如圖3-25所示,把夾在B極的夾子拿開,此時之指示值為β’。則β-β’愈大愈好,但如果β=0或β=β’,以及β’>80,則該電晶体為不良品。
3.4.8電晶體的特性曲線

電晶體有多種特性曲線,其中最重要的當推集極曲線,如圖3-26所示,為一NPN型電晶體的集極曲線,縱座標表示集極電流,單位為毫安(mA)。橫座標表示集極對射極電壓(VCE),單位為伏特(V)。圖3-27所示為求集極曲線的線路圖,作是項曲線時,是把基極電流IB固定,而調整VCE值,並把對應的IC值記錄下來,連接各點成為一條曲線,而後調整可變電阻,把IB的值改變而固定,再調整VCE的大小,記錄對應IC之值,就可畫出另一曲線了。

從圖3-26中,即可發現電晶體的一些特性,值得注意的是由圖中曲線可知,集極對射極壓VCE的大小,對集極電流IC的影響很小,而對IC大小影響最大的是基極電流IB

由圖3-26中,已經有充份資料來求得電晶體的β值了。例如我們要求得VCE=8V,IC=8mA時的β值時,先找出IB的值是60μA(微安),就可求出β值。

當VCE=16V,IC=14mA,此時IB=120μA,故β值為

由以上計算顯示出,不僅電晶體之間的β值不同,即使同一個電晶體,當VCE及IC不同時,β值也會改變,甚至於還會受到溫度的影響。

集極曲線也可以顯示一個電晶體的安全操作區域。如圖3-28所示,在集極曲線中加上一條琠w功率曲線,假若一個電晶體的最大集極消耗為此琠w功率,那麼在此曲線的左邊是安全操作區,其操作點如在曲線的右邊,就有破壞的危險了。所以使用電晶體時,只要不讓操作點超過曲線右邊,就安全了。

假如把集極曲線延伸到高壓範圍時,就可顯示出集極崩潰的情形了。如圖3-29所示,當集極電壓加得很高時,它便開始控制IC的大小了。

此時電晶體已改變原來的特性了。所以通常電晶體不使用在接近最大集極額定電壓。從圖中可以看出,集極崩潰電壓並不像二極體只有一個固定點,而是隨著基極電流IB之不同而改變。IB愈大時,其崩潰電壓愈低。