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晶体管(英语:transistor),早期音译为穿细丝体,是一种类似于阀门的固体半导体器件,可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。

在1947年,由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利所发明。当时巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管;肖克利则是发明PN二极管,他们因为半导体及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖[1]

第一个晶体管的复制品.

第一个晶体管的复制品.

晶体管由半导体材料组成,至少有三个对外端点(称为极),(C)集电极、(E)发射极、(B)基极,其中(B)基极是控制极,另外两个端点之间的伏安特性关系是受到控制极的非线性电阻关系。晶体管基于输入的电流或电压,改变输出端的阻抗,从而控制通过输出端的电流,因此晶体管可以作为电流开关,而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率,因此晶体管可以作为电子放大器。

晶体管分类

晶体管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)

晶体管一般都有三个极,其中一极兼任输入及输出端子,(B)基极不能做输出,(C)集电极不能做输入之外,其余两个极组成输入及输出对。 晶体管之所以有如此多用途在于其信号放大能力,当微细信号加于其中的一对极时便能控制在另一对极较大的信号,这特性叫增益。

当晶体管于线性工作时,输出的信号与输入的讯息成比例,这时晶体管就成了一放大器。这是在模拟电路中的常用方式,例如电子放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路;

当晶体管的输出不是完全关闭就是完全导通时,这时晶体管便是被用作开关使用。这种方式主要用于数字电路,例如数字电路包括逻辑门、随机存取内存(RAM)和微处理器。另外在开关电源中,晶体管也是以这种方式工作。

NPN型晶体管示意图

NPN型晶体管示意图

而以何种形式工作,主要取决于晶体管的特性及外部电路的设计。

双极性晶体管的三个极,发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)[2]:31; 射极到基极的微小电流,会使得发射极到集电极之间的阻抗改变,从而改变流经的电流[2]:31

场效应晶体管的三个极,源极(Source)、闸(栅)极(Gate)和漏极(Drain)[2]:41。 在栅极与源极之间施加电压能够改变源极与漏极之间的阻抗,从而控制源极和漏极之间的电流。

晶体管因为有三种极性,所以也有三种的使用方式,分别是发射极接地(又称共射放大、CE组态)、基极接地(又称共基放大、CB组态)和集电极接地(又称共集放大、CC组态、发射极随隅器)[2]:37-39

晶体管在应用上有许多要注意的最大额定值,例如最大电压、最大电流、最大功率。若在超额的状态下使用,会破坏晶体管内部的结构。每种型号的晶体管还有像是直流放大率hFE、NF噪讯比等特性,可以借由晶体管规格表得知。

晶体管可以依以下的方式分类:

BJT及JFET符号

BJT及JFET符号

JFET 及 MOSFET符号

JFET 及 MOSFET符号

  • 半导体材料(最早使用的分类):类金属锗(1947)及硅(1954)— 非晶、多晶及单晶形式)、化合物半导体有砷化镓(1966)及碳化硅(1997)、硅锗合金(1989),2004年开始研究的碳的同素异形体石墨烯等。
  • 结构:BJT、JFET、IGFET (MOSFET)、IGBT等。
  • 电极性(正电及负电,类似化学极性):n–p–n及p–n–p(BJT),N沟道及P沟道(FET)
  • 最大功率额定:可分为低功率、中功率及高功率。
  • 最大工作频率:低频、中频、高频、无线电频率(RF)、微波频率:晶体管的最大等效频率是用{\displaystyle f_{\mathrm {T} }}表示,是过渡频率的缩写,过渡频率是增益为1时的频率。
  • 应用:开关、泛用、音频、高压等。
  • 封装:插入式金属封装或塑胶封装、表面黏着技术、球栅阵列封装、功率晶体等。
  • 增益系数:hfe、βF[8]或gm(跨导)等。

现在也已发明许多新类型的晶体管。已有在低温下操作的单电子晶体管(single electron transistor SET)[9],以及单原子晶体管(single atom transistor SAT) [10] ,其中,原子是个别地植入。

双极性晶体管(BJT)

双极性晶体管同时利用半导体中的多数载流子及少数载流子导通,因此得名。双极性晶体管是第一个量产的晶体管,是由二种不同接面的二极管组成,其结构可分为二层N型半导体中间夹一层P型半导体的NPN晶体管,以及二层P型半导体中间夹一层N型半导体的PNP晶体管[2]:32。因此会有二个PN结,分别是基极-发射结及基极-集电结,中间隔着一层的半导体,即为基极。

双极性晶体管和场效应晶体管不同,双极性晶体管是低输入阻抗的元件。当基集电极电压(Vbe)提高时,集电极发射极电流(Ice)会依肖克基模型及艾伯斯-莫尔模型,以指数形式增加。因此双极性晶体管的跨导比FET要高。

双极性晶体管也可以设计为受到光照射时导通,因为基极吸收光子会产生光电流,其效应类似基极电流,集电极电流一般是光电流的β倍,这类的晶体管一般会在封装上有一透明窗,称为光晶体管。

场效应晶体管(FET)

电脑仿真展现场效应晶体管的开通。左图为Id-Vg,右图为空间电子密度分布。随着电压增加,导电沟道形成(右图),电流增加(左图),场效应晶体管开通

电脑仿真展现场效应晶体管的开通。左图为Id-Vg,右图为空间电子密度分布。随着电压增加,导电沟道形成(右图),电流增加(左图),场效应晶体管开通

 

场效应晶体管利用电子(N沟道FET)或是空穴(P沟道FET)导通电流。场效应晶体管都有栅极(gate)、漏极(drain)、源极(source)三个极,若不是结型场效应晶体管,还会有一极,称为体(body)。大部分的场效应晶体管中,体(body)会和源极相连。

在场效应晶体管中,源漏极电流会流过连接源极和漏极之间的沟道,导通程度会依栅极和源极之间的电压产生的电场而定,因此可以利用闸源极电压控制源漏极电流,做为一个简单的开关。当闸源极电压Vgs变大时,若Vgs小于临界电压VT时,源漏极电流Ids会指数方式增加,若Vgs大于临界电压VT时,源漏极电流和闸源极电压会有以下的平方关系{\displaystyle I_{ds}\propto (V_{gs}-V_{T})^{2}},其中VT是临界电压[11]。不过在一些现代的元件中,观察不到上述的平方特性,像是65奈米及以下沟道长度的元件[12]

场效应晶体管可以分为两种:分别是结型场效应管(JFET)及绝缘栅极场效晶体管(IGFET),后者最常见的是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET),其名称上反映了其原始以金属(栅极)、氧化物(绝缘层)及半导体组成的架构。结型场效应晶体管在源漏极之间形成了PN二极管。因此N沟道的JFET类似真空管的三极管,两者也都是运作在耗尽区,都有高输入阻抗,也都用输入电压来控制电流。

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