什么是晶体管？晶体管的种类及其特性

一、什么是晶体管？

晶体管是通常用于放大器或电控开关的半导体器件。晶体管是调节计算机、移动电话和所有其他现代电子电路运行的基本构件。

由于其高响应和高精度，晶体管可用于各种数字和模拟功能，包括放大器、开关、稳压器、信号调制和振荡器。晶体管可以独立封装，也可以在很小的区域内封装，可容纳1亿个或更多晶体管集成电路的一部分。

严格来说，晶体管是指以半导体材料为基础的所有单体元件，包括由各种半导体材料制成的二极管、晶体管、场效应晶体管、晶闸管等。三极管多指晶体三极管。

晶体管主要分为两大类：双极晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。

晶体管结构

三极管有三极：双极型三极管的三极分别由N型和P型组成：发射极、基极和集电极；场效应晶体管的三个极点是：Source、Gate、Drain。

由于三极管的三种极性，也有三种使用方式：发射极接地（也称为共发射放大器/CE配置）、基极接地（也称为共基极放大器/CB配置）和集电极接地（也称为公共集放大器/CC 配置/发射极耦合器）。

二、晶体管的发展

1947 年 12 月，由 Belle Labs、Shockley、Barding 和 Bratton 组成的团队开发了一种点接触锗晶体管，它的问世是 20 世纪的一项重大发明，也是微电子革命的先驱。随着晶体管的出现，人们可以用体积小、功耗低的电子器件来代替体积大、功耗大的电子管。晶体管的发明为集成电路的诞生吹响了号角。

1910 年代初期，通信系统开始使用半导体。1910 年代初期，通信系统开始使用半导体。20世纪上半叶，矿石收音机在收音机爱好者中广为流行。它们用于通过使用这种半导体进行检测。半导体的电气特性也已应用于电话系统。

• 2.1 真空三极管

1939年2月，贝尔实验室有了重大发现——硅PN结。1942年，由Lark Horovitz领导的普渡大学研究小组的一个名叫Seymour Benzer的学生发现，锗单晶具有其他半导体所不具备的优良整流特性。这两项发现满足了美国政府的要求，为后来的晶体管发明奠定了基础。

• 2.2 点接触晶体管

1945年，肖克利等科学家发明的点接触晶体管成为人类微电子革命的先行者。为此，肖克利为贝尔提交了第一个晶体管的专利申请。最终，他获得了第一项晶体管专利的授权。

• 2.3 双极和单极晶体管

1952年，肖克利在1952年双极型晶体管的基础上进一步提出了单极结型晶体管的概念，今天称为结型晶体管。其结构类似于PNP或NPN双极晶体管，但在PN材料的界面处有一个耗尽层，在栅极和源漏导电沟道之间形成整流接触。同时，两端的半导体作为栅极。源极和漏极之间的电流由栅极调节。

详细了解 NPN 双极结型晶体管的工作原理及其作用

• 2.4 硅晶体管

生产晶体管的Fairy Semiconductor已经从几个人的公司发展成为拥有12,000名员工的大公司。

• 2.5 集成电路

1954年硅晶体管发明后，晶体管的巨大应用前景越来越明显。科学家的下一个目标是进一步有效地连接晶体管、电线和其他设备。

• 2.6 场效应晶体管（FET）和MOS晶体管

1962年，在RCA器件集成研究组工作的Stanley、Heiman和Hofstein发现，可以通过Si衬底上的导带、高阻沟道和氧化物绝缘体的扩散和热氧化来构建晶体管，即MOS晶体管。

• 2.7 微处理器（CPU）

英特尔成立之初，公司仍专注于内存条。Hoff 在单个芯片上集成了所有中央处理器功能，外加内存。它是世界上第一个微处理器----4004（1971）。4004的诞生，标志着一个时代的开始。从此，英特尔在微处理器研究领域变得一发不可收拾，占据主导地位。

1989 年，英特尔推出了 80486 处理器。1993年，英特尔开发了新一代处理器。1995 年，英特尔发布了 Pentium_Pro。Pentium II处理器于1997年发布，1999年Pentium III处理器发布，2000年Pentium 4处理器发布。

三、晶体管的分类

• 3.1 三极管如何分类

晶体管所用材料

根据晶体管所用的半导体材料，可分为硅晶体管和锗晶体管。按晶体管的极性可分为锗NPN晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN晶体管和硅PNP晶体管。

技术

晶体管按其结构和制作工艺可分为扩散晶体管、合金晶体管和平面晶体管。

现有容量

晶体管按电流容量可分为低功率晶体管、中功率晶体管和高功率晶体管。

工作频率

晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管。

封装结构

晶体管按封装结构可分为金属封装晶体管、塑料封装晶体管、玻璃壳封装晶体管、表面封装晶体管和陶瓷封装晶体管等。

功能和用途

根据功能和用途，晶体管可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高背压晶体管、带阻晶体管、阻尼晶体管、微波晶体管、光晶体管和磁晶体管和许多其他类型。

• 3.2 晶体管的种类及其特性

巨型晶体管 (GTR)

GTR 是一种高电压、高电流的双极结型晶体管(BJT)，因此有时也称为功率 BJT。

特点：高电压、大电流、开关特性好、驱动功率大，但驱动电路复杂；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

光电晶体管

光电晶体管是由双极晶体管或场效应晶体管组成的光电器件。光在此类器件的有源区被吸收，产生光生载流子，这些载流子通过内部电放大机制并产生光电流增益。光电三极管工作在三端，易于实现电子控制或电气同步。

光电晶体管使用的材料通常为GaAs，主要分为双极光电晶体管、场效应光电晶体管及其相关器件。双极光电晶体管通常具有高增益，但不会太快。对于GaAs-GaAlAs，放大倍数可大于1000，响应时间长于纳秒，常用作光电探测器和光放大。

场效应光电晶体管（FET）响应速度快（约50皮秒），但缺点是光敏面积和增益小，常用作超高速光电探测器。与之相关的平面光电器件还有很多，其特点是响应速度快（响应时间为几十皮秒），适合集成化。这些类型的器件有望应用于光电集成。

双极晶体管

双极晶体管是音频电路中常用的一种晶体管。双极是由两种半导体材料中的电流流动引起的。双极型晶体管按工作电压的极性可分为NPN型或PNP型。

双极结型晶体管 (BJT)

“双极”意味着电子和空穴在工作的同时都在运动。双极结晶体管又称半导体三极管，是通过一定的工艺将两个PN结结合起来的器件。有PNP和NPN两种组合结构。三极的外部激发：集电极、发射极和基极。BJT 具有放大功能，这取决于它的发射极电流能否通过基区传输到集电极区。

为了保证这一运输过程，一方面要满足内部条件。这意味着发射区的杂质浓度应远大于基区的杂质浓度，基区的厚度应非常小。另一方面，要满足外部条件。这意味着发射结应该是正偏压（加上正电压），而集电结应该是反偏压。BJT的种类很多，按频率分有高频管和低频管；按功率分有小、中、大功率管；按半导体材料分有硅管、锗管等。放大电路由共发射极、共基极和共集电极组成。

BJT

场效应晶体管 (FET)

“场效应”的意思是晶体管的原理是基于半导体的电场效应。

场效应晶体管是根据场效应原理工作的晶体管。FET 有两种主要类型：结型 FET (JFET) 和金属氧化物半导体 FET (MOS-FET)。与 BJT 不同，FET 仅由一个载流子组成，因此也称为单极晶体管。它属于压控半导体器件，具有输入电阻高、噪声低、功耗低、动态范围宽、易于集成、无二次击穿、安全工作区宽等优点。

场效应是改变垂直于半导体表面的电场方向或大小，以控制半导体导电层（沟道）中大多数载流子的密度或类型。通道中的电流受电压调制，工作电流由半导体中的大多数载流子传输。与双极型晶体管相比，FET具有输入阻抗高、噪声低、极限频率高、功耗低、制造工艺简单、温度特性好等特点，广泛应用于各种放大器、数字电路和微波电路等。金属MOSFET基于硅和基于 GaAs 的肖特基势垒 FET (MESFET) 是两种最重要的场效应晶体管。

场效应管

单电子晶体管

单电子晶体管是一种可以用一个或少量电子记录信号的晶体管。随着半导体刻蚀技术的发展，大规模集成电路的集成度越来越高。以动态随机存取存储器（DRAM）为例，其集成度以几乎每两年四倍的速度增长，预计单电子晶体管将是最终目标。

目前，平均存储器包含200, 000个电子，而单电子晶体管仅包含一个或几个电子，因此将大大降低功耗并提高集成电路的集成度。1989 年，JHFScott-Thomas 等研究人员发现了库仑阻塞现象。当施加电压时，如果量子点中电荷量的变化小于一个电子，则不会有电流通过量子点。

所以电流-电压关系不是正常的线性关系，而是阶梯状的。该实验是历史上第一次手动控制电子的运动，为单电子晶体管的制作提供了实验基础。

绝缘栅双极晶体管 (IGBT)

绝缘栅双极晶体管结合了巨型晶体管-GTR 和功率 MOSFET 的优点。它具有良好的性能和广泛的应用。IGBT 也是三端器件：栅极、集电极和发射极。

四、三极管主要参数

三极管的主要参数包括电流放大系数、耗散功率、特征频率、最大集电极电流、最大反向电压、反向电流等。

• 4.1 直流电流放大系数

直流电流放大系数，又称静态电流放大系数或直流放大系数，是指在静态信号输入不变时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，通常用hFE或β表示。

• 4.2 交流电流放大系数

交流电流放大系数，又称交流放大系数、动态电流放大系数，是指交流状态下IC与IB的比值，通常用hFE或β表示。hFE 和 β 密切相关，但也不同。这两个参数在低频时接近，在高频时有一些差异。

• 4.3 耗散功率

耗散功率又称集电极最大允许耗散功率----PCM，是指晶体管参数不超过规定的允许值时集电极的最大耗散功率。

耗散功率与晶体管的最大允许结和集电极电流密切相关。使用时晶体管的实际功耗不允许超过PCM值，否则晶体管会因过载而损坏。

耗散功率PCM小于1W的晶体管通常称为低功率晶体管，等于或大于1W。小于5W的晶体管称为中功率晶体管，PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。

• 4.4 特征频率（fT）

当晶体管的工作频率超过截止频率 fβ 或 fα 时，电流放大系数 β 会随着频率的增加而减小。特征频率是 β 值减小到 1 时晶体管的频率。

特征频率小于或等于3MHZ的晶体管通常称为低频晶体管。fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频晶体管。fT大于3MHZ的晶体管和小于30MHZ的晶体管称为中频晶体管。

• 4.5 最大频率 (fM)

最大振荡频率是晶体管的功率增益降低到 1 时的频率。

一般来说，高频晶体管的最大振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT高于共基极截止频率fα而低于共集电极截止频率fβ。

• 4.6 最大集电极电流（ICM）

最大集电极电流 (ICM) 是允许通过晶体管集电极的最大电流。当晶体管的集电极电流IC超过ICM时，晶体管的β值会发生明显的变化，影响其正常工作，甚至造成损坏。

• 4.7 最大反向电压

最大反向电压是晶体管在工作时允许施加的最大工作电压。它包括集电极-发射极反向击穿电压、集电极-基极反向击穿电压和发射极-基极反向击穿电压。

集电极 - 集电极反向击穿电压

该电压是指晶体管基极电路开路时集电极和发射极之间允许的最大反向电压，通常用VCEO或BVCEO表示。

基极 - 基极反向击穿电压

电压是指三极管触发时集电极和基极之间允许的最大反向电压，用VCBO或BVCBO表示。

发射极 - 发射极反向击穿电压

该电压是指晶体管集电极开路时发射极与基极间的最大允许反向电压，用VEBO或BVEBO表示。

集电极 - 基极反向电流 (ICBO)

ICBO又称集电极反向漏电流，是指晶体管发射极开路时集电极与基极间的反向电流。反向电流对温度敏感。该值越小，晶体管的温度特性越好。

集电极 - 发射极反向击穿电流 (ICEO)

集电极和发射极之间的反向击穿电流 ICEO

ICEO是晶体管基极开路时集电极和发射极之间的反向漏电流。电流越小，晶体管的性能越好。

五、常见问题解答

1.什么是晶体管，它是如何工作的？

晶体管是一种微型电子元件，可以做两种不同的工作。它既可以用作放大器，也可以用作开关：...流过晶体管一部分的微小电流可以使更大的电流流过晶体管的另一部分。换句话说，小电流接通大电流。

2.晶体管的主要作用是什么？

晶体管是一种半导体器件，用于放大或切换电子信号和电力。晶体管是现代电子产品的基本组成部分之一。它由半导体材料组成，通常具有至少三个用于连接到外部电路的端子。

3.晶体管的原理是什么？

晶体管由两个背对背连接的 PN 二极管组成。它具有三个端子，即发射极、基极和集电极。晶体管背后的基本思想是，它可以让您通过改变流过第二个通道的小得多的电流的强度来控制流过一个通道的电流。

4.晶体管的两种主要类型是什么？

晶体管基本上分为两种类型；它们是双极结型晶体管 (BJT) 和场效应晶体管 (FET)。BJT 又分为 NPN 和 PNP 晶体管。

5.晶体管有多少种类型？

两种类型
有两种类型的晶体管，它们在电路中的使用方式略有不同。双极晶体管具有标记为基极、集电极和发射极的端子。

6.什么是PNP和NPN三极管？

在 NPN 晶体管中，向集电极端子提供正电压以产生从集电极到发射极的电流。在 PNP 晶体管中，向发射极端子提供正电压以产生从发射极到集电极的电流。

7.晶体管是如何测量特性的？

晶体管的输出特性是通过检查属于不同基极电流的集电极电流的集电极-发射极之间的电压变化来确定的。按移动设备上的“输出特性”按钮开始实验。

8.CPU 中的晶体管是什么？

晶体管是改变电流流动的基本电气元件。晶体管是集成电路的构建块，例如计算机处理器或 CPU。计算机处理器中的晶体管经常打开或关闭信号。

9.NPN晶体管的用途是什么？

定义：在两种n型材料之间放置一种p型材料的晶体管称为NPN晶体管。NPN晶体管放大进入基极的微弱信号，在集电极端产生强放大信号。

10.手机中的晶体管有什么用？

它们存储电荷。他们存储数据。它们会放大手机的输入信号。