晶體管的基礎知識詳解

發(fā)布人：云漢芯城時間：2019-05-13 來源：工程師

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晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關（如Relay、switch）不同，晶體管利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非?？?，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

2016年，勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限，將現(xiàn)有的最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，完成了計算技術界的一大突破。

嚴格意義上講，晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極管。

晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）。

晶體管有三個極；雙極性晶體管的三個極，分別由N型跟P型組成發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）；場效應晶體管的三個極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。

晶體管因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、CE組態(tài)）、基極接地（又稱共基放大、CB組態(tài)）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨耦器）。

晶體管是一種半導體器件，放大器或電控開關常用。晶體管是規(guī)范操作電腦，手機，和所有其他現(xiàn)代電子電路的基本構建塊。

由于其響應速度快，準確性高，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能，包括放大，開關，穩(wěn)壓，信號調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區(qū)域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

晶體管的發(fā)展

1）真空三極管

1939年2月，Bell實驗室有一個偉大的發(fā)現(xiàn)，硅p_n結的誕生。1942年，普渡大學Lark_Horovitz領導的課題組中一個名叫Seymour Benzer的學生，發(fā)現(xiàn)鍺單晶具有其它半導體所不具有的優(yōu)異的整流性能。這兩個發(fā)現(xiàn)滿足了美國政府的要求，也為隨后晶體管的發(fā)明打下了伏筆。

2）點接觸晶體管

1945年二戰(zhàn)結束，Shockley等發(fā)明的點接觸晶體管成為人類微電子革命的先聲。為此，Shockley為Bell遞交了第一個晶體管的專利申請。最終還是獲得了第一個晶體管專利的授權。

3）雙極型與單極型晶體管

Shockley在雙極型晶體管的基礎上，于1952年進一步提出了單極結型晶體管的概念，即今天所說的結型晶體管。其結構與pnp或npn雙極型晶體管類似，但在p_n材料的界面存在一個耗盡層，以使柵極與源漏導電溝道之間形成一個整流接觸。同時兩端的半導體作為柵極。通過柵極調(diào)節(jié)源漏之間電流的大小。

4）硅晶體管

仙童半導體由一個幾人的公司成長為一個擁有12000個職工的大企業(yè)。

5）集成電路

在1954年硅晶體管發(fā)明之后，晶體管的巨大應用前景已經(jīng)越來越明顯?？茖W家的下一個目標便是如何進一步把晶體管、導線及其它器件高效地連接起來。

6）場效應晶體管與MOS管

1961年，MOS管的誕生。1962年，在RCA器件集成研究組工作的Stanley, Heiman和Hofstein等發(fā)現(xiàn)，可以通過擴散與熱氧化在Si基板上形成的導電帶、高阻溝道區(qū)以及氧化層絕緣層來構筑晶體管，即MOS管。

7）微處理器（CPU）

英特爾公司在創(chuàng)立之初，目光仍然集中在內(nèi)存條上。Hoff把中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，再加上存儲器；這就是世界上的第一片微處理器—4004（1971年）。4004的誕生標志著一個時代的開始，隨后英特爾在微處理器的研究中一發(fā)不可收拾，獨領風騷。

1989年，英特爾推出了80486處理器。1993年，英特爾研制成功新一代處理器，本來按照慣常的命名規(guī)律是80586。1995年英特爾推出Pentium_Pro。1997年英特爾發(fā)布了PentiumII處理器。1999年英特爾發(fā)布了Pentium III處理器。2000年發(fā)布了Pentium 4處理器。

晶體管優(yōu)越性

同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：

構件沒有消耗

無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名。

消耗電能極少

僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的。

不需預熱

一開機就工作。例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的。

結實可靠

比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。

晶體管重要性

晶體管，本名是半導體三極管，是內(nèi)部含有兩個PN結，外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關等作用，應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管－晶體管邏輯電路，書刊和實用中都簡稱為TTL電路，它屬于半導體集成電路的一種，其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是將若干個晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的硅片上，封裝成一個獨立的元件。晶體管是半導體三極管中應用最廣泛的器件之一，在電路中用“V”或“VT”（舊文字符號為“Q”、“GB”等）表示。

晶體管被認為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術，汽車和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實際上是所有現(xiàn)代電器的關鍵活動（active）元件。晶體管在當今社會的重要性主要是因為晶體管可以使用高度自動化的過程進行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。

雖然數(shù)以百萬計的單體晶體管還在使用，絕大多數(shù)的晶體管是和二極管|-{A|zh-cn:二極管；zh-tw:二極體}-，電阻，電容一起被裝配在微芯片（芯片）上以制造完整的電路。模擬的或數(shù)字的或者這兩者被集成在同一塊芯片上。設計和開發(fā)一個復雜芯片的成本是相當高的，但是當分攤到通常百萬個生產(chǎn)單位上，每個芯片的價格就是最小的。一個邏輯門包含20個晶體管，而2005年一個高級的微處理器使用的晶體管數(shù)量達2.89億個。

特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來以后，為爭奪電子領域的優(yōu)勢地位，世界各國展開了激烈的競爭。為實現(xiàn)電子設備的小型化，人們不惜成本，紛紛給電子工業(yè)以巨大的財政資助。

自從1904年弗萊明發(fā)明真空二極管，1906年德福雷斯特發(fā)明真空三極管以來，電子學作為一門新興學科迅速發(fā)展起來。但是電子學真正突飛猛進的進步，還應該是從晶體管發(fā)明以后開始的。尤其是PN結型晶體管的出現(xiàn)，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術的革命。在短短十余年的時間里，新興的晶體管工業(yè)以不可戰(zhàn)勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢，迅速取代了電子管工業(yè)通過多年奮斗才取得的地位，一躍成為電子技術領域的排頭兵。

晶體管主要參數(shù)

晶體管的主要參數(shù)有電流放大系數(shù)、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。

放大系數(shù)

直流電流放大系數(shù)也稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大倍數(shù)，是指在靜態(tài)無變化信號輸入時，晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值，一般用hFE或β表示。

交流放大倍數(shù)

交流放大倍數(shù)，也即交流電流放大系數(shù)、動態(tài)電流放大系數(shù)，是指在交流狀態(tài)下，晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。

hFE或β既有區(qū)別又關系密切，兩個參數(shù)值在低頻時較接近，在高頻時有一些差異。

耗散功率

耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率。

耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關系。晶體管在使用時，其實際功耗不允許超過PCM值，否則會造成晶體管因過載而損壞。

通常將耗散功率PCM小于1W的晶體管稱為小功率晶體管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶體管被稱為中功率晶體管，將PCM等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。

特征頻率fT　晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時，其電流放大系數(shù)β值將隨著頻率的升高而下降。特征頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。