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晶体管
2025-02-05
晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能。
1947年12月16日，威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。
晶体管是现代电器的最关键的元件之一。晶体管之所以能够大规模使用是因为它能以极低的单位成本被大规模生产。
释义
晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、晶闸管（后三者均为三端子）等。
晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。
由于其响应速度快，准确性高，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。
历史
1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。20世纪最初的10年，通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。
晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。
由于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里，有一根与矿石（半导体）表面相接触的金属丝（像头发一样细且能形成检波接点），它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。
在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。
为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。
1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人。布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是"放大"作用。
布拉顿等人，还想出有效的办法，来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号，在集电极和基极之间的输出端，就放大为一个强信号了。在现代电子产品中，上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。
巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后，他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点，来代替金箔接点，制造了"点接触型晶体管"。1947年12月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了，在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。
在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从"低电阻输入"到"高电阻输出"的转移电流来工作的，于是取名为trans-resistor(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。
由于点接触型晶体管制造工艺复杂，致使许多产品出现故障，它还存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点，肖克莱提出了用一种"整流结"来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理。
1950年，第一只"PN结型晶体管"问世了，它的性能与肖克莱原来设想的完全一致(所谓PN结就是P型和N型的结合处。P型多空穴。N型多电子。)
1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。
2022年，清华大学集成电路学院教授任天令团队以单层石墨烯作为栅极，打造出一种"侧壁"晶体管，创下了0.34nm栅极长度的纪录。此项研究登上了最新一期Nature，题为"具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管"（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）。
2023年，荷兰科学家研制出了首个由单元素组成的二维（2D）拓扑绝缘体锗烯，这些晶体管可以取代电子设备中的传统晶体管，使电子设备不再发热。
优越性
同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：
构件没有消耗
无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍。
消耗电能极少
仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。
不需预热
一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。
结实可靠
比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。
半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管－晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为TTL电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是TTL与非门。TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件。晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用"V"或"VT"（旧文字符号为"Q"、"GB"等）表示。
绝大多数的晶体管是和二极管|-{A|zh-cn:二极管；zh-tw:二极体}-，电阻，电容一起被装配在微芯片（芯片）上以制造完整的电路。模拟的或数字的或者这两者被集成在同一块芯片上。设计和开发一个复杂芯片的成本是相当高的，但是当生产时，设计和开发芯片的费用被分摊到数以百万计的芯片上，因此在市场上每个芯片的费用通常并不会非常昂贵。一个逻辑门包含20个晶体管，而2005年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达2.89亿个。
特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中的重要性日益显露出来以后，为争夺电子领域的优势地位，世界各国展开了激烈的竞争。为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助。
自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来。但是电子学真正突飞猛进的进步，还应该是从晶体管发明以后开始的。尤其是PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。在短短十余年的时间里，新兴的晶体管工业以不可战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气势，迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位，一跃成为电子技术领域的排头兵。
主要参数
晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。
放大系数
直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。
交流放大倍数
交流放大倍数，也即交流电流放大系数、动态电流放大系数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。
hFE或β既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。
耗散功率
耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。
耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。
通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。
特征频率fT
晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时，其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。
最高频率fM
最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。
最大电流
集电极最大电流（ICM）是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流IC超过ICM时，晶体管的β值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。
最大反向电压
最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。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
该电压是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压，一般用VCEO或BVCEO表示。
基极——基极反向击穿电压
该电压是指当晶体管发射极开路时，其集电极与基极之间的最大允许反向电压，用VCBO或BVCBO表示。
发射极——发射极反向击穿电压
该电压是指当晶体管的集电极开路时，其发射极与基极与之间的最大允许反向电压，用VEBO或BVEBO表示。
集电极——基极之间的反向电流ICBO
ICBO也称集电结反向漏电电流，是指当晶体管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。ICBO对温度较敏感，该值越小，说明晶体管的温度特性越好。
集电极——发射极之间的反向击穿电流ICEO
ICEO是指当晶体管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流，也称穿透电流。此电流值越小，说明晶体管的性能越好。
