晶体管

人类历史上第一个晶体管问世
人类历史上第一个晶体管问世
  晶体管(英语:transistor)是一种固体半导体器件,可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等的发明相提并论。
  晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型组成发射极(Emitter)、基极 (Base) 和集电极(Collector); 场效应晶体管的三个极,分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。
  在模拟电路中,晶体管用于放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路;在计算机电源中,主要用于开关电源。晶体管也应用于数字电路,主要功能是当成电子开关。数字电路包括逻辑门、随机存取内存 (RAM) 和微处理器。晶体管在使用上有许多要注意的最大额定值,像是最大电压、最大电流、最大功率等,在超额的状态下使用,晶体管内部的结构会被破坏。晶体管在电路最常用的用途是属于讯号放大这一方面,其次是阻抗匹配、讯号转换等,晶体管在电路中是个很重要的元件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。  

基本原理

  NPN 顺向主动工作区:BE接面顺向, Vbe > 0.7V,BC接面逆向 Vbc < 0.5V。顺向接面会有扩散电流,空乏区小;而逆向接面会有漂移电流,空乏区大。空乏区内只有游离的杂质离子;载子进入后不久后会游离,在补充了游离载子同时,另一端已经游离载子则会离开空乏区,以保持空乏区是电中性。Ie电流大部分流过Ic,少部分由Ib流出。

命名

  彩显中使用的晶体管主要有晶体二极管、晶体三极管、可控硅和场效应管等等,其中最常用的是三极管和二极管两种。三极管以符号BG(旧)或(T)表示,二极管以D表示。
  按制作材料分,晶体管可分为锗管和硅管两种。
  按极性分,三极管有PNP和 NPN两种,而二极管有P型和N型之分。多数国产管用xxx表示,其中每一位都有特定含义:如 3 A X 31,第一位3代表三极管,2代表二极管。第二位代表材料和极性。A代表PNP型锗材料;B代表NPN型锗材料;C为PNP型硅材料;D为NPN型硅材料。第三位表示用途,其中X代表低频小功率管;D代表低频大功率管;G代表高频小功率管;A代表高频大功率管。最后面的数字是产品的序号,序号不同,各种指标略有差异。注意,二极管同三极管第二位意义基本相同,而第三位则含义不同。对于二极管来说,第三位的P代表检波管;W代表稳压管;Z代表整流管。上面举的例子,具体来说就是PNP型锗材料低频小功率管。对于进口的三极管来说,就各有不同,要在实际使用过程中注意积累资料。
  常用的进口管有韩国的90xx、80xx系列,欧洲的2Sx系列,在该系列中,第三位含义同国产管的第三位基本相同。
  晶体管是内部含有两个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。 

种类

NPN型晶体管示意图
NPN型晶体管示意图
  晶体管有多种分类方法。
  按半导体材料和极性分类
  按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管管。按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。
  按结构及制造工艺分类
  晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。
  按电流容量分类
  晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。
  按工作频率分类
  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等。
  按封装结构分类
  晶体管按封装结构可分为金属封装(简称金封)晶体管、塑料封装(简称塑封)晶体管、玻璃壳封装(简称玻封)晶体管、表面封装(片状)晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。
  按功能和用途分类
  晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。  

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。

·电流放大系数

  电流放大系数也称电流放大倍数,用来表示晶体管放大能力。
  根据晶体管工作状态的不同,电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。
  1.直流电流放大系数  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。
  2.交流电流放大系数  交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数,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。  

·频率特性

PNP型・NPN型晶体管回路记号
PNP型・NPN型晶体管回路记号
  晶体管的电流放大系数与工作频率有关。若晶体管超过了其工作频率范围,则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。
  晶体管的频率特性参数主要包括特征频率fT和最高振荡频率fM等。
  1.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。
  2.最高振荡频率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。 

·集电极最大电流ICM

  集电极最大电流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。
  1.集电极—发射极反向击穿电压  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。
  2.集电极—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。
  3.发射极—基极反向击穿电压  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。 

·反向电流

  晶体管的反向电流包括其集电极—基极之间的反向电流ICBO和集电极—发射极之间的反向击穿电流ICEO。
  1.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。
  2.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。  

种类介绍 

·电力晶体管

  电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管,是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT),所以有时也称为Power BJT;其特性有:耐压高,电流大,开关特性好,但驱动电路复杂,驱动功率大;GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

·光晶体管

  光晶体管(phototransistor)由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓(CaAs),主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。双极型光晶体管通常增益很高,但速度不太快,对于GaAs-GaAlAs,放大系数可大于1000,响应时间大于纳秒,常用于光探测器,也可用于光放大。场效应光晶体管响应速度快(约为50皮秒),但缺点是光敏面积小,增益小(放大系数可大于10),常用作极高速光探测器。与此相关还有许多其他平面型光电器件,其特点均是速度快(响应时间几十皮秒)、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。  

·双极晶体管

  双极晶体管(bipolar transistor)指在音频电路中使用得非常普遍的一种晶体管。双极则源于电流系在两种半导体材料中流过的关系。双极晶体管根据工作电压的极性而可分为NPN型或PNP型。 

·双极结型晶体管

  双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又称为半导体三极管,它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件,有PNP和NPN两种组合结构;外部引出三个极:集电极,发射极和基极,集电极从集电区引出,发射极从发射区引出,基极从基区引出(基区在中间);BJT有放大作用,重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的,为了保证这一传输过程,一方面要满足内部条件,即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度,同时基区厚度要很小,另一方面要满足外部条件,即发射结要正向偏置(加正向电压)、集电结要反偏置;BJT种类很多,按照频率分,有高频管,低频管,按照功率分,有小、中、大功率管,按照半导体材料分,有硅管和锗管等;其构成的放大电路形式有:共发射极、共基极和共集电极放大电路。 

·场效应晶体管

  场效应晶体管(field effect transistor)利用场效应原理工作的晶体管。英文简称FET。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小,以控制半导体导电层(沟道)中多数载流子的密度或类型。它是由电压调制沟道中的电流,其工作电流是由半导体中的多数载流子输运。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极型晶体管。与双极型晶体管相比,场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声小、极限频率高、功耗小,制造工艺简单、温度特性好等特点,广泛应用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。以硅材料为基础的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和以砷化镓材料为基础的肖特基势垒栅场效应管(MESFET)是两种最重要的场效应晶体管,分别为MOS大规模集成电路和MES超高速集成电路的基础器件。  

·静电感应晶体管

  静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年,实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构,即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器件,其工作频率与电力MOSFET相当,甚至超过电力MOSFET,而功率容量也比电力MOSFET大,因而适用于高频大功率场合,目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。
  但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的,栅极加负偏压时关断,这被称为正常导通型器件,使用不太方便。此外,SIT通态电阻较大,使得通态损耗也大,因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。  

·单电子晶体管

  用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。随着半导体刻蚀技术和工艺的发展,大规模集成电路的集成度越来越高。以动态随机存储器(DRAM) 为例,它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展,预计单电子晶体管将是最终的目标。目前一般的存储器每个存储元包含了20万个电子,而单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子,因此它将大大降低功耗,提高集成电路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在实验上发现了库仑阻塞现象。在调制掺杂异质结界面形成的二维电子气上面,制作一个面积很小的金属电极,使得在二维电子气中形成一个量子点,它只能容纳少量的电子,也就是它的电容很小,小于一个?F (10~15法拉)。当外加电压时,如果电压变化引起量子点中电荷变化量不到一个电子的电荷,则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时,才有电流通过。因此电流-电压关系不是通常的直线关系,而是台阶形的。这个实验在历史上第一次实现了用人工控制一个电子的运动,为制造单电子晶体管提供了实验依据。为了提高单电子晶体管的工作温度,必须使量子点的尺寸小于10纳米,目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题。有些实验室宣称已制出室温下工作的单电子晶体管,观察到由电子输运形成的台阶型电流——电压曲线,但离实用还有相当的距离。  

·绝缘栅双极晶体管

  绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)综合了电力晶体管(Giant Transistor—GTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点,具有良好的特性,应用领域很广泛;IGBT也是三端器件:栅极,集电极和发射极。 

重要性

  晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等的发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键主动(active)元件。晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力,因而可以不可思议地达到极低的单位成本。
  虽然数以百万计的单体晶体管还在使用,绝大多数的晶体管是和二极管,电阻器,电容器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颗芯片上。设计和开发一个复杂芯片的生产成本是相当高的,但是当分摊到通常百万个生产单位上,每个芯片的价格就是最小的。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。
  晶体管的成本,灵活性和可靠性使得其成为非机械任务的通用器件,例如数字计算。在控制电器和机械方面,晶体管电路也正在取代电机设备,因为它通常是更便宜,更有效地仅仅使用标准集成电路并编写计算机程序来完成同样的机械任务,使用电子控制,而不是设计一个等效的机械控制。
  因为晶体管的低成本和后来的电子计算机,数字化信息的浪潮来到了。由于计算机提供快速的查找、分类和处理数字信息的能力,在信息数字化方面投入了越来越多的精力。今天的许多媒体是通过电子形式发布的,最终通过计算机转化和呈现为模拟形式。受到数字化革命影响的领域包括电视,广播和报纸。  

历史年表

1947年,贝尔实验室发明晶体管。
1947年,贝尔实验室发明晶体管。
 1947年12月16日:威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。
  1950年:威廉·邵克雷开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor),这是现在通行的标准的晶体管。
  1953年:第一个采用晶体管的商业化设备投入市场,即助听器。
  1954年10月18日:第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场,仅包含4只锗晶体管。
  1961年4月25日:第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机电话而言已经足够,但是新的电子设备要求规格更小的晶体管,即集成电路
  1965年:摩尔定律诞生。当时,戈登·摩尔(Gordon Moore)预测,未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年),摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
  1968年7月:罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职,创立了一个新的企业,即英特尔公司,英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。
  1969年:英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质,但是引入了新的多晶硅栅电极。
  1971年:英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸,包含仅2000多个晶体管,采用英特尔10微米PMOS技术生产。
  1972年,英特尔发布了第一个8位处理器8008。
  1978年,英特尔发布了第一款16位处理器8086。含有2.9万个晶体管。
  1978年:英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部,武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器为8086的改进版,含有2.9万个晶体管,运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名,《财富(Forture)》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。
  1982年:286微处理器(全称80286,意为“第二代8086”)推出,提出了指令集概念,即现在的x86指令集,可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管,运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
  1985年:英特尔386微处理器问世,含有27.5万个晶体管,是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片,具备多任务处理能力,即它可在同一时间运行多个程序。
  1993年:英特尔·奔腾·处理器问世,含有3百万个晶体管,采用英特尔0.8微米制程技术生产。
  1999年2月:英特尔发布了奔腾·III处理器。奔腾III是1x1正方形硅,含有950万个晶体管,采用英特尔0.25微米制程技术生产。
  2002年1月:英特尔奔腾4处理器推出,高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产,含有5500万个晶体管。
  2002年8月13日:英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破,包括高性能、低功耗晶体管,应变硅,高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。
  2003年3月12日:针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生,包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构,采用英特尔0.13微米制程技术生产,包含7700万个晶体管。
  2005年5月26日:英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生,含有2.3亿个晶体管,采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
  2006年7月18日:英特尔安腾2双核处理器发布,采用世界最复杂的产品设计,含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
  2006年7月27日:英特尔·酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管,采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
  2006年9月26日:英特尔宣布,超过15种45纳米制程产品正在开发,面向台式机、笔记本和企业级计算市场,研发代码Penryn,是从英特尔酷睿微体系架构派生而出。
  2007年1月8日:为扩大四核PC向主流买家的销售,英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔·酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
  2007年1月29日:英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿?2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔®至强®系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”,研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管,已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
  2010年11月,NVIDIA发布全新的GF110核心,含30亿个晶体管,采用先进的40纳米工艺制造。  

世界最小晶体管问世

英国研究人员展示其最小晶体管研究样本
英国研究人员展示其最小晶体管研究样本
  2010年,世界最小晶体管问世仅1个原子厚10个原子宽。
  2010年4月21日,美国连线杂志报道,英国研究人员研制世界上最小的电子晶体管,其厚度为1个原子,直径10个原子。
  这项最新研制的新型电子晶体管比之前32纳米硅材料电子晶体管小3倍,英国曼彻斯特大学研究人员科斯特亚·诺沃舍罗夫说,“这种电子晶体管可用于任何半导体制造。”他和另一位合著作者将该研究报告发表在《科学》杂志上。
  电子晶体管形式的逻辑门可加强计算处理能力。根据摩尔定律,每隔18个月,集成电路上晶体管的数量将翻番,从而不断提升计算机性能。然而当前电子晶体管材料发展受限,只能采用硅作为材料。目前硅材料只能维持未来10年的摩尔定律发展。现在,最新研制的采用石墨烯(graphene)材料制成的电子晶体管或许可以使摩尔定律延续发展更久。
  这种由石墨烯制成的晶体管是诺沃舍罗夫带领的研究小组于2004年研制发现的,该晶体管的厚度仅有1个原子,它是由错综复杂的石墨烯碳原子构成,具有很好的传导性能。
  当硅晶体管技术直径达到10纳米以下,将意味着采用硅作为晶体管的摩尔定律已发展到了尽头,硅将不再适合作为未来晶体管制成的首选材料。目前石墨烯正积极开发直径10纳米以下等级的晶体管,研究人员称他们最新研制尚未生产的石墨烯晶体管直径为1纳米宽。
  诺沃舍罗夫说,“从物理学观点来看,石墨烯就是一个金矿。科学家可以对此研究很长时间。”研究人员使用标准半导体制作工艺研制了石墨烯晶体管,他们使用一小片石墨烯,并采用电子束平版印刷术雕刻出电路。在石墨烯片中心保留着一个带有微小圆笼(circular cage)的量子点,电压可以改变量子点的传导率,使它们像标准场效应晶体管的存储逻辑状态。
  目前硅晶体管的最小直径为20纳米,诺沃舍罗夫称,该研究小组近期研制1纳米直径的石墨烯晶体管,这是迄今世界上最小的晶体管。
  诺沃舍罗夫强调指出,目前不可能生产大量的石墨烯,以当前的技术只能生产100微米直径的石墨烯晶体,这一规格远小于Intel公司的工业生产标准。但是科学家认为批量生产石墨烯晶体技术在未来是可以实现的。他称,或许在未来几年就可以解决石墨烯晶体生产问题。