用万用表检测三极管:理论和实操
(根据南加州理工大学电子电路入门教程讲义整理)
由三层半导体叠合而成三极管又称双极晶体管,分为PNP和NPN两种类型。可以将三极管近似看作是两个二极管“背靠背”组合在一起。用数字万用表检测三极管通常选择欧姆档或者二极管档。当万用表的黑色表棒接触PNP型三极管的基极时(N型半导体),万用表欧姆档显示低电阻值。PNP型三极管的标记:箭头由基极-发射极PN结指向基极(N型半导体)。而发射极的P型半导体,位于箭头的尾端。集电极与发射极类似也是由P型半导体构成。
PNP型三极管检测:(a)正向偏置B-E,B-C显示低电阻值;(b)反向偏置B-E,B-C,显示电阻无穷大
这里先假定仅选择欧姆档来检测三极管的PN结阻值,而有的万用表(数字式)则可以有两档选择,欧姆档和二极管档来对三极管进行检测。如选择后一种数字万用表,尽量选择二极管档,因二极管档位不仅可以显示通断,还可以显示PN结的正向压降。
对于NPN型三极管而言,其内部的两个PN结方向相反,万用表的显示读数也会方向相反。而当红表笔接触基极(P型半导体)时,则恰好与PNP三极管情况正好相反,此时呈现低阻值读数。当选择“二极管”档(数字式)进行测量时,发射极-基极之间的正向压降略微大于集电极-基极之间的正向压降。造成这种现象的原因是因为发射极和集电极材料的参杂浓度不同。发射极的参杂浓度要远高于集电极,由此导致更高的正向压降。
知晓此特性后,判断三极管的引脚分布就比较容易了。之所以要了解两个PN结的差异,是因为三极管的封装类型多种多样,没有统一的标准。所有的三极管都有三个引脚,但引脚位置却因生产商的不同而各异,没有统一的规定。
现举例说明,一个电子工程师选择万用表的“二极管”档位来测量三极管各引脚之间的数据。图解如下
表棒1脚正,2脚负显示:“OL”
表棒1脚负,2脚正显示:“OL”
表棒1脚正,3脚负显示:“0.655v”
表棒1脚负,3脚正显示:“OL”
表棒2脚正,3脚负显示:“0.621v”
表棒2脚负,3脚正显示:“OL”
在没有出厂数据做参考的前提下,如何区分三个引脚呢。此例当中,仅有两次导通组合(需红黑表笔对调测量3个引脚六次)。首先测量1脚和3脚(红表笔接1黑表笔接3),再测量2脚和3脚(红表笔2脚,黑表笔3脚)。读数显示的是PN结的正向偏置数值,发射极-基极之间0.655V,集电极-基极之间0.621V。
现在确认一下,哪个引脚在导通过程中出现了两次。则此引脚所在的位置就是三极管的基极,因为只有基极半导体同时参与了两个PN结结构(发射极-基极和集电极-基极)。
由前所述,此例中3脚确认为基极。因为在两次显示数值的导通过程中,仅3脚出现了两次。两次触及3号引脚的都是黑表笔。由于黑表笔接负极(数字式万用表,指针式黑表笔接表内正极),所以3号引脚同时也确认为N型半导体,即三极管为PNP型。由发射极压降大于集电极的特点,可以确定1脚为发射极,2脚为集电极。图解如下
发射极-集电极高电阻:1脚(+),2脚(-),显示“OL”
集电极-发射极高电阻:1脚(-),2脚(+),显示“OL”
发射极-基极正向偏置:1脚(+),3脚(-),显示“0.655v”
发射极-基极反向偏置:1脚(-),3脚(+),显示“OL”
集电极-基极正向偏置:2脚(+),3脚(-),显示“0.621v”
集电极-基极反向偏置:2脚(-),3脚(+),显示“OL”
需要留意的是基极在此例当中并没有位于三极管的中间位置。有些人会想当然的以为基极引脚应当出现在三根引脚的中间。这种引脚分布经常会使初学者产生困扰。由此得出,确认三极管的引脚仅可以依靠仪表测量或者参考生产商的数据表格型号,切不可盲目选择。
利用“两个二极管背靠背”的特性,可以选择万用表的“通断档”快速检测三极管。在选择任意测量两个引脚后(红黑表笔互换共测六次),可以迅速判断三极管是否损坏。(也可判断被测元件是否是三极管,)然而这种“两个二极管背靠背”的概念,无法对三极管的放大特性进行佐证。
为了解释的更清楚一些,我们还是利用三极管的开关电路来进行举例。此种方法可以更直观的展现两个PN结的特性。
基极-发射极PN结上的较小正向偏置电流,可以使基极-集电极之间的反向偏置PN结导通。
这里的斜向灰色箭头指示了发射极-基极的电流方向。这正符合了电流由P材质基极流向N材质发射极的正向偏置特性。然而基极-集电极之间的PN结,情况则截然不同。由于基极为P型半导体,集电极为N型半导体,然而根据上述电流方向,基极与集电极之间为反向偏置,PN结之间形成的耗尽层对电流产生阻碍作用。然而根据照明电路的实验,饱和导通的三极管,集电极与基极之间的反向偏置对于电流的阻碍作用几乎可以忽略不计。
显然,实验电路表明,简单地应用“双二极管背靠背”的概念,并不能很好地解释实际问题。在初学三极管时,我的方法就是用两个二极管背靠背来模拟三极管电路。
遗憾的是两个二极管反接无法代替三极管,也无法导通使电路中的灯泡点亮。
三极管在关断状态下,基极-集电极PN结的反向偏置,可以阻止集电极电流,(基极没有触发电流)。此时如果给基极一个控制信号,使其实现正向偏置,则集电极-基极之间PN结的常闭状态将被打破,饱和导通电流会沿着“错误”的反向偏置方向运动。而实现这一饱和状态的条件不仅取决于半导体的量子物理状态,还与PN结的结构以及参杂浓度密切相关。由此可以解释,为什么两个简单串联在一起的二极管无法满足上述标准:图内上部的二极管在反向偏置状态下永远无法“导通”,无论下部二极管的基极通过多少电流。
半导体材料的参杂浓度,同样起到了至关重要的作用。由于浓度的差异,集电极和发射极是不能互换的。如果仅仅是简单地将三极管看成是两个二极管的背向组合,或者单纯地认为三极管是看似对称的N-P-N和P-N-P结构,似乎三极管的两端可以任意充当集电极和发射极而没有很大差别。然而这却与实际情形不符。假如进行反接,则基极-集电极的电流,无法控制集电极和发射极之间的电流导通。尽管在这里,集电极和发射极的半导体材料是完全相同的(同为N或同为P)。由此得出结论集电极和发射极的内部材质是完全不同的。
基极-发射极的PN结之所以有电流通过是因为实现了正向偏置,然而基极-集电极之间是反向偏置。基极电流可以视作“可控闸门”,使得电流饱和导通,通过了集电极。说的更具体一些,有多少基极-发射极电流,就会相应的允许通过多少基极-集电极电流。(成比例放大)
总结:
选用万用表的“欧姆档”和“二极管档”进行测量,三极管很像两个背向串联的二极管。
发射极-基极之间的PN结,较之集电极-基极之间的PN结有更大的压降。这是发射极的半导体材料重度参杂的缘故。
反向偏置的基极-集电极,通常情况下会阻止发射极和集电极之间有电流流过。然而当基极有正向电流时,上述PN结将导通,基极电流就像一道“闸门”,允许一定量的比例电流流过集电极。