一、什么是晶體管？

晶體管是通常用于放大器或電控開關(guān)的半導(dǎo)體器件。晶體管是調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話和所有其他現(xiàn)代電子電路運(yùn)行的基本構(gòu)件。

由于其高響應(yīng)和高精度，晶體管可用于各種數(shù)字和模擬功能，包括放大器、開關(guān)、穩(wěn)壓器、信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可以獨(dú)立封裝，也可以在很小的區(qū)域內(nèi)封裝，可容納1億個(gè)或更多晶體管集成電路的一部分。

嚴(yán)格來說，晶體管是指以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的所有單體元件，包括由各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、晶閘管等。三極管多指晶體三極管。

晶體管主要分為兩大類：雙極晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。

晶體管結(jié)構(gòu)

三極管有三極：雙極型三極管的三極分別由N型和P型組成：發(fā)射極、基極和集電極；場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)極點(diǎn)是：Source、Gate、Drain。

由于三極管的三種極性，也有三種使用方式：發(fā)射極接地（也稱為共發(fā)射放大器/CE配置）、基極接地（也稱為共基極放大器/CB配置）和集電極接地（也稱為公共集放大器/CC 配置/發(fā)射極耦合器）。

二、晶體管的發(fā)展

1947 年 12 月，由 Belle Labs、Shockley、Barding 和 Bratton 組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種點(diǎn)接觸鍺晶體管，它的問世是 20 世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，也是微電子革命的先驅(qū)。隨著晶體管的出現(xiàn)，人們可以用體積小、功耗低的電子器件來代替體積大、功耗大的電子管。晶體管的發(fā)明為集成電路的誕生吹響了號(hào)角。

1910 年代初期，通信系統(tǒng)開始使用半導(dǎo)體。1910 年代初期，通信系統(tǒng)開始使用半導(dǎo)體。20世紀(jì)上半葉，礦石收音機(jī)在收音機(jī)愛好者中廣為流行。它們用于通過使用這種半導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)。半導(dǎo)體的電氣特性也已應(yīng)用于電話系統(tǒng)。

• 2.1 真空三極管

1939年2月，貝爾實(shí)驗(yàn)室有了重大發(fā)現(xiàn)——硅PN結(jié)。1942年，由Lark Horovitz領(lǐng)導(dǎo)的普渡大學(xué)研究小組的一個(gè)名叫Seymour Benzer的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，鍺單晶具有其他半導(dǎo)體所不具備的優(yōu)良整流特性。這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)滿足了美國政府的要求，為后來的晶體管發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。

• 2.2 點(diǎn)接觸晶體管

1945年，肖克利等科學(xué)家發(fā)明的點(diǎn)接觸晶體管成為人類微電子革命的先行者。為此，肖克利為貝爾提交了第一個(gè)晶體管的專利申請(qǐng)。最終，他獲得了第一項(xiàng)晶體管專利的授權(quán)。

• 2.3 雙極和單極晶體管

1952年，肖克利在1952年雙極型晶體管的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了單極結(jié)型晶體管的概念，今天稱為結(jié)型晶體管。其結(jié)構(gòu)類似于PNP或NPN雙極晶體管，但在PN材料的界面處有一個(gè)耗盡層，在柵極和源漏導(dǎo)電溝道之間形成整流接觸。同時(shí)，兩端的半導(dǎo)體作為柵極。源極和漏極之間的電流由柵極調(diào)節(jié)。

詳細(xì)了解 NPN 雙極結(jié)型晶體管的工作原理及其作用

• 2.4 硅晶體管

生產(chǎn)晶體管的Fairy Semiconductor已經(jīng)從幾個(gè)人的公司發(fā)展成為擁有12,000名員工的大公司。

• 2.5 集成電路

1954年硅晶體管發(fā)明后，晶體管的巨大應(yīng)用前景越來越明顯。科學(xué)家的下一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)一步有效地連接晶體管、電線和其他設(shè)備。

• 2.6 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和MOS晶體管

1962年，在RCA器件集成研究組工作的Stanley、Heiman和Hofstein發(fā)現(xiàn)，可以通過Si襯底上的導(dǎo)帶、高阻溝道和氧化物絕緣體的擴(kuò)散和熱氧化來構(gòu)建晶體管，即MOS晶體管。

• 2.7 微處理器（CPU）

英特爾成立之初，公司仍專注于內(nèi)存條。Hoff 在單個(gè)芯片上集成了所有中央處理器功能，外加內(nèi)存。它是世界上第一個(gè)微處理器----4004（1971）。4004的誕生，標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代的開始。從此，英特爾在微處理器研究領(lǐng)域變得一發(fā)不可收拾，占據(jù)主導(dǎo)地位。

1989 年，英特爾推出了 80486 處理器。1993年，英特爾開發(fā)了新一代處理器。1995 年，英特爾發(fā)布了 Pentium_Pro。Pentium II處理器于1997年發(fā)布，1999年P(guān)entium III處理器發(fā)布，2000年P(guān)entium 4處理器發(fā)布。

三、晶體管的分類

• 3.1 三極管如何分類

晶體管所用材料

根據(jù)晶體管所用的半導(dǎo)體材料，可分為硅晶體管和鍺晶體管。按晶體管的極性可分為鍺NPN晶體管、鍺PNP晶體管、硅NPN晶體管和硅PNP晶體管。

技術(shù)

晶體管按其結(jié)構(gòu)和制作工藝可分為擴(kuò)散晶體管、合金晶體管和平面晶體管。

現(xiàn)有容量

晶體管按電流容量可分為低功率晶體管、中功率晶體管和高功率晶體管。

工作頻率

晶體管按工作頻率可分為低頻晶體管、高頻晶體管和超高頻晶體管。

封裝結(jié)構(gòu)

晶體管按封裝結(jié)構(gòu)可分為金屬封裝晶體管、塑料封裝晶體管、玻璃殼封裝晶體管、表面封裝晶體管和陶瓷封裝晶體管等。

功能和用途

根據(jù)功能和用途，晶體管可分為低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、開關(guān)晶體管、達(dá)林頓晶體管、高背壓晶體管、帶阻晶體管、阻尼晶體管、微波晶體管、光晶體管和磁晶體管和許多其他類型。

• 3.2 晶體管的種類及其特性

巨型晶體管 (GTR)

GTR 是一種高電壓、高電流的雙極結(jié)型晶體管(BJT)，因此有時(shí)也稱為功率 BJT。

特點(diǎn)：高電壓、大電流、開關(guān)特性好、驅(qū)動(dòng)功率大，但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。

光電晶體管

光電晶體管是由雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的光電器件。光在此類器件的有源區(qū)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，這些載流子通過內(nèi)部電放大機(jī)制并產(chǎn)生光電流增益。光電三極管工作在三端，易于實(shí)現(xiàn)電子控制或電氣同步。

光電晶體管使用的材料通常為GaAs，主要分為雙極光電晶體管、場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管及其相關(guān)器件。雙極光電晶體管通常具有高增益，但不會(huì)太快。對(duì)于GaAs-GaAlAs，放大倍數(shù)可大于1000，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于納秒，常用作光電探測(cè)器和光放大。

場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管（FET）響應(yīng)速度快（約50皮秒），但缺點(diǎn)是光敏面積和增益小，常用作超高速光電探測(cè)器。與之相關(guān)的平面光電器件還有很多，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間為幾十皮秒），適合集成化。這些類型的器件有望應(yīng)用于光電集成。

雙極晶體管

雙極晶體管是音頻電路中常用的一種晶體管。雙極是由兩種半導(dǎo)體材料中的電流流動(dòng)引起的。雙極型晶體管按工作電壓的極性可分為NPN型或PNP型。

雙極結(jié)型晶體管 (BJT)

“雙極”意味著電子和空穴在工作的同時(shí)都在運(yùn)動(dòng)。雙極結(jié)晶體管又稱半導(dǎo)體三極管，是通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合起來的器件。有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)。三極的外部激發(fā)：集電極、發(fā)射極和基極。BJT 具有放大功能，這取決于它的發(fā)射極電流能否通過基區(qū)傳輸?shù)郊姌O區(qū)。

為了保證這一運(yùn)輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件。這意味著發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度應(yīng)遠(yuǎn)大于基區(qū)的雜質(zhì)濃度，基區(qū)的厚度應(yīng)非常小。另一方面，要滿足外部條件。這意味著發(fā)射結(jié)應(yīng)該是正偏壓（加上正電壓），而集電結(jié)應(yīng)該是反偏壓。BJT的種類很多，按頻率分有高頻管和低頻管；按功率分有小、中、大功率管；按半導(dǎo)體材料分有硅管、鍺管等。放大電路由共發(fā)射極、共基極和共集電極組成。

BJT

場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)

“場(chǎng)效應(yīng)”的意思是晶體管的原理是基于半導(dǎo)體的電場(chǎng)效應(yīng)。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理工作的晶體管。FET 有兩種主要類型：結(jié)型 FET (JFET) 和金屬氧化物半導(dǎo)體 FET (MOS-FET)。與 BJT 不同，F(xiàn)ET 僅由一個(gè)載流子組成，因此也稱為單極晶體管。它屬于壓控半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高、噪聲低、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、易于集成、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。

場(chǎng)效應(yīng)是改變垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)方向或大小，以控制半導(dǎo)體導(dǎo)電層（溝道）中大多數(shù)載流子的密度或類型。通道中的電流受電壓調(diào)制，工作電流由半導(dǎo)體中的大多數(shù)載流子傳輸。與雙極型晶體管相比，F(xiàn)ET具有輸入阻抗高、噪聲低、極限頻率高、功耗低、制造工藝簡(jiǎn)單、溫度特性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種放大器、數(shù)字電路和微波電路等。金屬MOSFET基于硅和基于 GaAs 的肖特基勢(shì)壘 FET (MESFET) 是兩種最重要的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

場(chǎng)效應(yīng)管

單電子晶體管

單電子晶體管是一種可以用一個(gè)或少量電子記錄信號(hào)的晶體管。隨著半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）為例，其集成度以幾乎每?jī)赡晁谋兜乃俣仍鲩L(zhǎng)，預(yù)計(jì)單電子晶體管將是最終目標(biāo)。

目前，平均存儲(chǔ)器包含200, 000個(gè)電子，而單電子晶體管僅包含一個(gè)或幾個(gè)電子，因此將大大降低功耗并提高集成電路的集成度。1989 年，JHFScott-Thomas 等研究人員發(fā)現(xiàn)了庫侖阻塞現(xiàn)象。當(dāng)施加電壓時(shí)，如果量子點(diǎn)中電荷量的變化小于一個(gè)電子，則不會(huì)有電流通過量子點(diǎn)。

所以電流-電壓關(guān)系不是正常的線性關(guān)系，而是階梯狀的。該實(shí)驗(yàn)是歷史上第一次手動(dòng)控制電子的運(yùn)動(dòng)，為單電子晶體管的制作提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)

絕緣柵雙極晶體管結(jié)合了巨型晶體管-GTR 和功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)。它具有良好的性能和廣泛的應(yīng)用。IGBT 也是三端器件：柵極、集電極和發(fā)射極。

四、三極管主要參數(shù)

三極管的主要參數(shù)包括電流放大系數(shù)、耗散功率、特征頻率、最大集電極電流、最大反向電壓、反向電流等。

• 4.1 直流電流放大系數(shù)

直流電流放大系數(shù)，又稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大系數(shù)，是指在靜態(tài)信號(hào)輸入不變時(shí)，晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值，通常用hFE或β表示。

• 4.2 交流電流放大系數(shù)

交流電流放大系數(shù)，又稱交流放大系數(shù)、動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)，是指交流狀態(tài)下IC與IB的比值，通常用hFE或β表示。hFE 和 β 密切相關(guān)，但也不同。這兩個(gè)參數(shù)在低頻時(shí)接近，在高頻時(shí)有一些差異。

• 4.3 耗散功率

耗散功率又稱集電極最大允許耗散功率----PCM，是指晶體管參數(shù)不超過規(guī)定的允許值時(shí)集電極的最大耗散功率。

耗散功率與晶體管的最大允許結(jié)和集電極電流密切相關(guān)。使用時(shí)晶體管的實(shí)際功耗不允許超過PCM值，否則晶體管會(huì)因過載而損壞。

耗散功率PCM小于1W的晶體管通常稱為低功率晶體管，等于或大于1W。小于5W的晶體管稱為中功率晶體管，PCM等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。

• 4.4 特征頻率（fT）

當(dāng)晶體管的工作頻率超過截止頻率 fβ 或 fα 時(shí)，電流放大系數(shù) β 會(huì)隨著頻率的增加而減小。特征頻率是 β 值減小到 1 時(shí)晶體管的頻率。

特征頻率小于或等于3MHZ的晶體管通常稱為低頻晶體管。fT大于或等于30MHZ的晶體管稱為高頻晶體管。fT大于3MHZ的晶體管和小于30MHZ的晶體管稱為中頻晶體管。

• 4.5 最大頻率 (fM)

最大振蕩頻率是晶體管的功率增益降低到 1 時(shí)的頻率。

一般來說，高頻晶體管的最大振蕩頻率低于共基極截止頻率fα，而特征頻率fT高于共基極截止頻率fα而低于共集電極截止頻率fβ。

• 4.6 最大集電極電流（ICM）

最大集電極電流 (ICM) 是允許通過晶體管集電極的最大電流。當(dāng)晶體管的集電極電流IC超過ICM時(shí)，晶體管的β值會(huì)發(fā)生明顯的變化，影響其正常工作，甚至造成損壞。

• 4.7 最大反向電壓

最大反向電壓是晶體管在工作時(shí)允許施加的最大工作電壓。它包括集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓、集電極-基極反向擊穿電壓和發(fā)射極-基極反向擊穿電壓。

集電極 - 集電極反向擊穿電壓

該電壓是指晶體管基極電路開路時(shí)集電極和發(fā)射極之間允許的最大反向電壓，通常用VCEO或BVCEO表示。

基極 - 基極反向擊穿電壓

電壓是指三極管觸發(fā)時(shí)集電極和基極之間允許的最大反向電壓，用VCBO或BVCBO表示。

發(fā)射極 - 發(fā)射極反向擊穿電壓

該電壓是指晶體管集電極開路時(shí)發(fā)射極與基極間的最大允許反向電壓，用VEBO或BVEBO表示。

集電極 - 基極反向電流 (ICBO)

ICBO又稱集電極反向漏電流，是指晶體管發(fā)射極開路時(shí)集電極與基極間的反向電流。反向電流對(duì)溫度敏感。該值越小，晶體管的溫度特性越好。

集電極 - 發(fā)射極反向擊穿電流 (ICEO)

集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電流 ICEO

ICEO是晶體管基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極之間的反向漏電流。電流越小，晶體管的性能越好。

五、常見問題解答

1.什么是晶體管，它是如何工作的？

晶體管是一種微型電子元件，可以做兩種不同的工作。它既可以用作放大器，也可以用作開關(guān)：...流過晶體管一部分的微小電流可以使更大的電流流過晶體管的另一部分。換句話說，小電流接通大電流。

2.晶體管的主要作用是什么？

晶體管是一種半導(dǎo)體器件，用于放大或切換電子信號(hào)和電力。晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分之一。它由半導(dǎo)體材料組成，通常具有至少三個(gè)用于連接到外部電路的端子。

3.晶體管的原理是什么？

晶體管由兩個(gè)背對(duì)背連接的 PN 二極管組成。它具有三個(gè)端子，即發(fā)射極、基極和集電極。晶體管背后的基本思想是，它可以讓您通過改變流過第二個(gè)通道的小得多的電流的強(qiáng)度來控制流過一個(gè)通道的電流。

4.晶體管的兩種主要類型是什么？

晶體管基本上分為兩種類型；它們是雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。BJT 又分為 NPN 和 PNP 晶體管。

5.晶體管有多少種類型？

兩種類型
有兩種類型的晶體管，它們?cè)陔娐分械氖褂梅绞铰杂胁煌?。雙極晶體管具有標(biāo)記為基極、集電極和發(fā)射極的端子。

6.什么是PNP和NPN三極管？

在 NPN 晶體管中，向集電極端子提供正電壓以產(chǎn)生從集電極到發(fā)射極的電流。在 PNP 晶體管中，向發(fā)射極端子提供正電壓以產(chǎn)生從發(fā)射極到集電極的電流。

7.晶體管是如何測(cè)量特性的？

晶體管的輸出特性是通過檢查屬于不同基極電流的集電極電流的集電極-發(fā)射極之間的電壓變化來確定的。按移動(dòng)設(shè)備上的“輸出特性”按鈕開始實(shí)驗(yàn)。

8.CPU 中的晶體管是什么？

晶體管是改變電流流動(dòng)的基本電氣元件。晶體管是集成電路的構(gòu)建塊，例如計(jì)算機(jī)處理器或 CPU。計(jì)算機(jī)處理器中的晶體管經(jīng)常打開或關(guān)閉信號(hào)。

9.NPN晶體管的用途是什么？

定義：在兩種n型材料之間放置一種p型材料的晶體管稱為NPN晶體管。NPN晶體管放大進(jìn)入基極的微弱信號(hào)，在集電極端產(chǎn)生強(qiáng)放大信號(hào)。

10.手機(jī)中的晶體管有什么用？

它們存儲(chǔ)電荷。他們存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它們會(huì)放大手機(jī)的輸入信號(hào)。