晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)詳解

晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，具有檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開(kāi)關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)（如Relay、switch）不同，晶體管利用電訊號(hào)來(lái)控制自身的開(kāi)合，而且開(kāi)關(guān)速度可以非?？?，實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。

2016年，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(jì)算技術(shù)界的一大突破。

嚴(yán)格意義上講，晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅等。晶體管有時(shí)多指晶體三極管。

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

晶體管有三個(gè)極；雙極性晶體管的三個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。

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

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

由于其響應(yīng)速度快，準(zhǔn)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(kāi)關(guān)，穩(wěn)壓，信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在一個(gè)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(shí)驗(yàn)室有一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，硅p_n結(jié)的誕生。1942年，普渡大學(xué)Lark_Horovitz領(lǐng)導(dǎo)的課題組中一個(gè)名叫Seymour Benzer的學(xué)生，發(fā)現(xiàn)鍺單晶具有其它半導(dǎo)體所不具有的優(yōu)異的整流性能。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)滿足了美國(guó)政府的要求，也為隨后晶體管的發(fā)明打下了伏筆。

2）點(diǎn)接觸晶體管

1945年二戰(zhàn)結(jié)束，Shockley等發(fā)明的點(diǎn)接觸晶體管成為人類(lèi)微電子革命的先聲。為此，Shockley為Bell遞交了第一個(gè)晶體管的專(zhuān)利申請(qǐng)。最終還是獲得了第一個(gè)晶體管專(zhuān)利的授權(quán)。

3）雙極型與單極型晶體管

Shockley在雙極型晶體管的基礎(chǔ)上，于1952年進(jìn)一步提出了單極結(jié)型晶體管的概念，即今天所說(shuō)的結(jié)型晶體管。其結(jié)構(gòu)與pnp或npn雙極型晶體管類(lèi)似，但在p_n材料的界面存在一個(gè)耗盡層，以使柵極與源漏導(dǎo)電溝道之間形成一個(gè)整流接觸。同時(shí)兩端的半導(dǎo)體作為柵極。通過(guò)柵極調(diào)節(jié)源漏之間電流的大小。

4）硅晶體管

仙童半導(dǎo)體由一個(gè)幾人的公司成長(zhǎng)為一個(gè)擁有12000個(gè)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(yīng)用前景已經(jīng)越來(lái)越明顯?？茖W(xué)家的下一個(gè)目標(biāo)便是如何進(jìn)一步把晶體管、導(dǎo)線及其它器件高效地連接起來(lái)。

6）場(chǎng)效應(yīng)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(guò)擴(kuò)散與熱氧化在Si基板上形成的導(dǎo)電帶、高阻溝道區(qū)以及氧化層絕緣層來(lái)構(gòu)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(chǔ)器；這就是世界上的第一片微處理器—4004（1971年）。4004的誕生標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代的開(kāi)始，隨后英特爾在微處理器的研究中一發(fā)不可收拾，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)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(lái)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(gòu)件沒(méi)有消耗

無(wú)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(shù)上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問(wèn)題。隨著材料制作上的進(jìn)步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長(zhǎng)100到1000倍，稱(chēng)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(tái)晶體管收音機(jī)只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽(tīng)下去，這對(duì)電子管收音機(jī)來(lái)說(shuō)，是難以做到的。

不需預(yù)熱

一開(kāi)機(jī)就工作。例如，晶體管收音機(jī)一開(kāi)就響，晶體管電視機(jī)一開(kāi)就很快出現(xiàn)畫(huà)面。電子管設(shè)備就做不到這一點(diǎn)。開(kāi)機(jī)后，非得等一會(huì)兒才聽(tīng)得到聲音，看得到畫(huà)面。顯然，在軍事、測(cè)量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢(shì)的。

結(jié)實(shí)可靠

比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動(dòng)，這都是電子管所無(wú)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(shè)計(jì)小型、復(fù)雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡(jiǎn)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(dǎo)體三極管，是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)，外部通常為三個(gè)引出電極的半導(dǎo)體器件。它對(duì)電信號(hào)有放大和開(kāi)關(guān)等作用，應(yīng)用十分廣泛。輸入級(jí)和輸出級(jí)都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管－晶體管邏輯電路，書(shū)刊和實(shí)用中都簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)TL電路，它屬于半導(dǎo)體集成電路的一種，其中用得最普遍的是TTL與非門(mén)。TTL與非門(mén)是將若干個(gè)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(gè)獨(dú)立的元件。晶體管是半導(dǎo)體三極管中應(yīng)用最廣泛的器件之一，在電路中用“V”或“VT”（舊文字符號(hào)為“Q”、“GB”等）表示。

晶體管被認(rèn)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(shù)，汽車(chē)和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實(shí)際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵活動(dòng)（active）元件。晶體管在當(dāng)今社會(huì)的重要性主要是因?yàn)榫w管可以使用高度自動(dòng)化的過(guò)程進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達(dá)到極低的單位成本。

雖然數(shù)以百萬(wàn)計(jì)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(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜芯片的成本是相當(dāng)高的，但是當(dāng)分?jǐn)偟酵ǔ０偃f(wàn)個(gè)生產(chǎn)單位上，每個(gè)芯片的價(jià)格就是最小的。一個(gè)邏輯門(mén)包含20個(gè)晶體管，而2005年一個(gè)高級(jí)的微處理器使用的晶體管數(shù)量達(dá)2.89億個(gè)。

特別是晶體管在軍事計(jì)劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來(lái)以后，為爭(zhēng)奪電子領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，世界各國(guó)展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。為實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的小型化，人們不惜成本，紛紛給電子工業(yè)以巨大的財(cái)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(lái)，電子學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)科迅速發(fā)展起來(lái)。但是電子學(xué)真正突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，還應(yīng)該是從晶體管發(fā)明以后開(kāi)始的。尤其是PN結(jié)型晶體管的出現(xiàn)，開(kāi)辟了電子器件的新紀(jì)元，引起了一場(chǎng)電子技術(shù)的革命。在短短十余年的時(shí)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(wú)所顧忌的氣勢(shì)，迅速取代了電子管工業(yè)通過(guò)多年奮斗才取得的地位，一躍成為電子技術(shù)領(lǐng)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(chēng)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(wú)變化信號(hào)輸入時(shí)，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(dòng)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(guān)系密切，兩個(gè)參數(shù)值在低頻時(shí)較接近，在高頻時(shí)有一些差異。

耗散功率

耗散功率也稱(chēng)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(guò)規(guī)定允許值時(shí)的最大集電極耗散功率。

耗散功率與晶體管的最高允許結(jié)溫和集電極最大電流有密切關(guān)系。晶體管在使用時(shí)，其實(shí)際功耗不允許超過(guò)PCM值，否則會(huì)造成晶體管因過(guò)載而損壞。

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

特征頻率fT　晶體管的工作頻率超過(guò)截止頻率fβ或fα?xí)r，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(shí)晶體管的工作頻率。

通常將特征頻率fT小于或等于3MHZ的晶體管稱(chēng)為低頻管，將fT大于或等于30MHZ的晶體管稱(chēng)為高頻管，將fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶體管稱(chēng)為中頻管。

最高頻率fM

最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。

通常，高頻晶體管的最高振蕩頻率低于共基極截止頻率fα，而特征頻率fT則高于共基極截止頻率fα、低于共集電極截止頻率fβ。

最大電流

集電極最大電流（ICM）是指晶體管集電極所允許通過(guò)的最大電流。當(dāng)晶體管的集電極電流IC超過(guò)ICM時(shí)，晶體管的β值等參數(shù)將發(fā)生明顯變化，影響其正常工作，甚至還會(huì)損壞。

最大反向電壓

最大反向電壓是指晶體管在工作時(shí)所允許施加的最高工作電壓。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

該電壓是指當(dāng)晶體管基極開(kāi)路時(shí)，其集電極與發(fā)射極之間的最大允許反向電壓，一般用VCEO或BVCEO表示。

基極—— 基極反向擊穿電壓

該電壓是指當(dāng)晶體管發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，其集電極與基極之間的最大允許反向電壓，用VCBO或BVCBO表示。

發(fā)射極——發(fā)射極反向擊穿電壓

該電壓是指當(dāng)晶體管的集電極開(kāi)路時(shí)，其發(fā)射極與基極與之間的最大允許反向電壓，用VEBO或BVEBO表示。

集電極——基極之間的反向電流ICBO

ICBO也稱(chēng)集電結(jié)反向漏電電流，是指當(dāng)晶體管的發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極之間的反向電流。ICBO對(duì)溫度較敏感，該值越小，說(shuō)明晶體管的溫度特性越好。

集電極——發(fā)射極之間的反向擊穿電流ICEO　ICEO是指當(dāng)晶體管的基極開(kāi)路時(shí)，其集電極與發(fā)射極之間的反向漏電電流，也稱(chēng)穿透電流。此電流值越小，說(shuō)明晶體管的性能越好。

（免責(zé)聲明：素材來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，由云漢芯城小編搜集網(wǎng)絡(luò)資料編輯整理，如有問(wèn)題請(qǐng)聯(lián)系處理?。?/p>

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。