什么是晶體管？其功能和特點(diǎn)有哪些

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本文將主要介紹晶體管到底是什么以及它的詳細特性和功能。晶體管是一種固體半導體器件，具有檢測、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩壓、信號調制等多種功能。作為可變電流開(kāi)關(guān)，晶體管可以根據輸入電壓控制輸出電流。

與一般的機械開(kāi)關(guān)（如繼電器、開(kāi)關(guān)）不同，晶體管是利用電信信號來(lái)控制其開(kāi)關(guān)的，開(kāi)關(guān)速度可以非?？?，在實(shí)驗室中可以達到100GHz以上。2016年，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的一個(gè)團隊突破了物理極限，將現有最復雜的晶體管工藝從14納米削減到1納米，實(shí)現了計算技術(shù)的突破。

晶體管是通常用于放大器或電控開(kāi)關(guān)的半導體器件。晶體管是調節計算機、移動(dòng)電話(huà)和所有其他現代電子電路運行的基本構件。

由于其高響應和高精度，晶體管可用于各種數字和模擬功能，包括放大器、開(kāi)關(guān)、穩壓器、信號調制和振蕩器。晶體管可以獨立封裝，也可以在很小的區域內封裝，可容納1億個(gè)或更多晶體管集成電路的一部分。

（英特爾 3D 晶體管技術(shù)）

嚴格來(lái)說(shuō)，晶體管是指以半導體材料為基礎的所有單體元件，包括由各種半導體材料制成的二極管、晶體管、場(chǎng)效應晶體管、晶閘管等。三極管多指晶體三極管。

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

晶體管結構

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：****極、基極和集電極；場(chǎng)效應晶體管的三個(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：****極接地（也稱(chēng)為共****放大器/CE配置）、基極接地（也稱(chēng)為共基極放大器/CB配置）和集電極接地（也稱(chēng)為公共集放大器/CC 配置/****極耦合器）。

1947 年 12 月，由 Belle Labs、Shockley、Barding 和 Bratton 組成的團隊開(kāi)發(fā)了一種點(diǎn)接觸鍺晶體管，它的問(wèn)世是 20 世紀的一項重****明，也是微電子革命的先驅。隨著(zhù)晶體管的出現，人們可以用體積小、功耗低的電子器件來(lái)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角。

1910 年代初期，通信系統開(kāi)始使用半導體。1910 年代初期，通信系統開(kāi)始使用半導體。20世紀上半葉，礦石收音機在收音機愛(ài)好者中廣為流行。它們用于通過(guò)使用這種半導體進(jìn)行檢測。半導體的電氣特性也已應用于電話(huà)系統。

• 2.1 真空三極管

1939年2月，貝爾實(shí)驗室有了重****現——硅PN結。1942年，由Lark Horovitz領(lǐng)導的普渡大學(xué)研究小組的一個(gè)名叫Seymour Benzer的學(xué)生發(fā)現，鍺單晶具有其他半導體所不具備的優(yōu)良整流特性。這兩項發(fā)現滿(mǎn)足了美國政府的要求，為后來(lái)的晶體管發(fā)明奠定了基礎。

• 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(lèi)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(zhuān)利申請。最終，他獲得了第一項晶體管專(zhuān)利的授權。

• 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上進(jìn)一步提出了單極結型晶體管的概念，今天稱(chēng)為結型晶體管。其結構類(lèi)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，在柵極和源漏導電溝道之間形成整流接觸。同時(shí)，兩端的半導體作為柵極。源極和漏極之間的電流由柵極調節。

詳細了解 NPN 雙極結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，晶體管的巨大應用前景越來(lái)越明顯?？茖W(xué)家的下一個(gè)目標是進(jìn)一步有效地連接晶體管、電線(xiàn)和其他設備。

• 2.6 場(chǎng)效應晶體管（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，可以通過(guò)Si襯底上的導帶、高阻溝道和氧化物絕緣體的擴散和熱氧化來(lái)構建晶體管，即MOS晶體管。

• 2.7 微處理器（CPU）

英特爾成立之初，公司仍專(zhuān)注于內存條。Hoff 在單個(gè)芯片上集成了所有中央處理器功能，外加內存。它是世界上第一個(gè)微處理器----4004（1971）。4004的誕生，標志著(zhù)一個(gè)時(shí)代的開(kāi)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，占據主導地位。

1989 年，英特爾推出了 80486 處理器。1993年，英特爾開(kāi)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。

• 3.1 三極管如何分類(lèi)

> 晶體管所用材料

根據晶體管所用的半導體材料，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)

晶體管按其結構和制作工藝可分為擴散晶體管、合金晶體管和平面晶體管。

> 現有容量

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。

> 封裝結構

晶體管按封裝結構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(kāi)關(guān)晶體管、達林頓晶體管、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(lèi)型。

• 3.2 晶體管的種類(lèi)及其特性

> 巨型晶體管 (GTR)

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

特點(diǎn)：高電壓、大電流、開(kāi)關(guān)特性好、驅動(dòng)功率大，但驅動(dòng)電路復雜；GTR和普通雙極結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)效應晶體管組成的光電器件。光在此類(lèi)器件的有源區被吸收，產(chǎn)生光生載流子，這些載流子通過(guò)內部電放大機制并產(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。對于GaAs-GaAlAs，放大倍數可大于1000，響應時(shí)間長(cháng)于納秒，常用作光電探測器和光放大。

場(chǎng)效應光電晶體管（FET）響應速度快（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器。與之相關(guān)的平面光電器件還有很多，其特點(diǎn)是響應速度快（響應時(shí)間為幾十皮秒），適合集成化。這些類(lèi)型的器件有望應用于光電集成。

> 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。

> 雙極結型晶體管 (BJT)

“雙極”意味著(zhù)電子和空穴在工作的同時(shí)都在運動(dòng)。雙極結晶體管又稱(chēng)半導體三極管，是通過(guò)一定的工藝將兩個(gè)PN結結合起來(lái)的器件。有PNP和NPN兩種組合結構。三極的外部激發(fā)：集電極、****極和基極。BJT 具有放大功能，這取決于它的****極電流能否通過(guò)基區傳輸到集電極區。

為了保證這一運輸過(guò)程，一方面要滿(mǎn)足內部條件。這意味著(zhù)****區的雜質(zhì)濃度應遠大于基區的雜質(zhì)濃度，基區的厚度應非常小。另一方面，要滿(mǎn)足外部條件。這意味著(zhù)****結應該是正偏壓（加上正電壓），而集電結應該是反偏壓。BJT的種類(lèi)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；按半導體材料分有硅管、鍺管等。放大電路由共****極、共基極和共集電極組成。

BJT

> 場(chǎng)效應晶體管 (FET)

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

場(chǎng)效應晶體管是根據場(chǎng)效應原理工作的晶體管。FET 有兩種主要類(lèi)型：結型 FET (JFET) 和金屬氧化物半導體 FET (MOS-FET)。與 BJT 不同，FET 僅由一個(gè)載流子組成，因此也稱(chēng)為單極晶體管。它屬于壓控半導體器件，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(wú)二次擊穿、安全工作區寬等優(yōu)點(diǎn)。

場(chǎng)效應是改變垂直于半導體表面的電場(chǎng)方向或大小，以控制半導體導電層（溝道）中大多數載流子的密度或類(lèi)型。通道中的電流受電壓調制，工作電流由半導體中的大多數載流子傳輸。與雙極型晶體管相比，FET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)，廣泛應用于各種放大器、數字電路和微波電路等。 金屬MOSFET基于硅和基于 GaAs 的肖特基勢壘 FET (MESFET) 是兩種最重要的場(chǎng)效應晶體管。

場(chǎng)效應管

> 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的晶體管。隨著(zhù)半導體刻蝕技術(shù)的發(fā)展，大規模集成電路的集成度越來(lái)越高。以動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）為例，其集成度以幾乎每?jì)赡晁谋兜乃俣仍鲩L(cháng)，預計單電子晶體管將是最終目標。

目前，平均存儲器包含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)現了庫侖阻塞現象。當施加電壓時(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(guò)量子點(diǎn)。

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

> 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)

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

三極管的主要參數包括電流放大系數、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

直流電流放大系數，又稱(chēng)靜態(tài)電流放大系數或直流放大系數，是指在靜態(tài)信號輸入不變時(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

交流電流放大系數，又稱(chēng)交流放大系數、動(dòng)態(tài)電流放大系數，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(chēng)集電極最大允許耗散功率----PCM，是指晶體管參數不超過(guò)規定的允許值時(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(guò)PCM值，否則晶體管會(huì )因過(guò)載而損壞。

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

• 4.4 特征頻率（fT）

當晶體管的工作頻率超過(guò)截止頻率 fβ 或 fα 時(shí)，電流放大系數 β 會(huì )隨著(zhù)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(chēng)為低頻晶體管。fT大于或等于30MHZ的晶體管稱(chēng)為高頻晶體管。fT大于3MHZ的晶體管和小于30MHZ的晶體管稱(chēng)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(lái)說(shuō)，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(guò)晶體管集電極的最大電流。當晶體管的集電極電流IC超過(guò)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-****極反向擊穿電壓、集電極-基極反向擊穿電壓和****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(kāi)路時(shí)集電極和****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。

> ****極 - ****極反向擊穿電壓

該電壓是指晶體管集電極開(kāi)路時(shí)****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(chēng)集電極反向漏電流，是指晶體管****極開(kāi)路時(shí)集電極與基極間的反向電流。反向電流對溫度敏感。該值越小，晶體管的溫度特性越好。

> 集電極 - ****極反向擊穿電流 (ICEO)

集電極和****極之間的反向擊穿電流 ICEO

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

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(kāi)關(guān)：...流過(guò)晶體管一部分的微小電流可以使更大的電流流過(guò)晶體管的另一部分。換句話(huà)說(shuō)，小電流接通大電流。

2. 晶體管的主要作用是什么？
晶體管是一種半導體器件，用于放大或切換電子信號和電力。晶體管是現代電子產(chǎn)品的基本組成部分之一。它由半導體材料組成，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)背對背連接的 PN 二極管組成。它具有三個(gè)端子，即****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(guò)改變流過(guò)第二個(gè)通道的小得多的電流的強度來(lái)控制流過(guò)一個(gè)通道的電流。

4. 晶體管的兩種主要類(lèi)型是什么？
晶體管基本上分為兩種類(lèi)型；它們是雙極結型晶體管 (BJT) 和場(chǎng)效應晶體管 (FET)。BJT 又分為 NPN 和 PNP 晶體管。

5. 晶體管有多少種類(lèi)型？
兩種類(lèi)型
有兩種類(lèi)型的晶體管，它們在電路中的使用方式略有不同。雙極晶體管具有標記為基極、集電極和****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****極的電流。在 PNP 晶體管中，向****極端子提供正電壓以產(chǎn)生從****極到集電極的電流。

7.晶體管是如何測量特性的？
晶體管的輸出特性是通過(guò)檢查屬于不同基極電流的集電極電流的集電極-****極之間的電壓變化來(lái)確定的。按移動(dòng)設備上的“輸出特性”按鈕開(kāi)始實(shí)驗。

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建塊，例如計算機處理器或 CPU。計算機處理器中的晶體管經(jīng)常打開(kāi)或關(guān)閉信號。

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(chēng)為NPN晶體管。NPN晶體管放大進(jìn)入基極的微弱信號，在集電極端產(chǎn)生強放大信號。

10. 手機中的晶體管有什么用？
它們存儲電荷。他們存儲數據。它們會(huì )放大手機的輸入信號。