晶体管

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幾個不同大小的電晶體,由上到下的包裝分別是TO-3、TO-126、TO-92、SOT-23

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。在1947年,由約翰·巴丁沃爾特·布喇頓威廉·肖克利所發明。當時巴丁、布喇頓主要發明半導體三極體;肖克利則是發明PN二極體。

晶体管由半導體材料組成,至少有三個端子(稱為極)可以連接外界電路。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶體管可做為電流的開關。相較於继电器或其他機械開關,晶體管由於利用電訊號來控制,開關速度可以比機械開關快很多,在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

晶体管輸出信號的功率可以大於輸入信號的功率,因此晶体管可以作為电子放大器,有許多市售的分立晶体管,但積體電路中的晶体管數量遠大於分立晶体管的數量。例如超大規模積體電路(VLSI)其中至少有一萬個晶体管。

介绍[编辑]

NPN型晶體管示意圖

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)。

晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型組成射極(Emitter)、基極(Base)和集極(Collector); 场效应晶体管的三个极,分别是源極(Source)、閘極(Gate)和洩極(Drain)。

晶體管因為有三種極性,所以也有三種的使用方式,分別是射極接地(又稱共射放大、CE組態)、基極接地(又稱共基放大、CB組態)和集極接地(又稱共集放大、CC組態、射極隨隅器)。

双极性晶体管中,射极到基極的很小的电流,会使得射極到集極之间,产生大电流;在场效应晶体管中,在閘極施加小电压,来控制源極和洩極之间的电流。

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,主要功能是當成电子开关数字电路包括逻辑门隨機存取記憶體(RAM)和微处理器

晶體管在使用上有許多要注意的最大額定值,例如最大電壓、最大電流、最大功率。在超額的狀態下使用,晶體管內部的結構會被破壞。每種型號的晶體管還有特有的特性,像是直流放大率hfe、NF噪訊比等,可以藉由晶體管規格表或是Data Sheet得知。

晶體管在電路最常用的用途應該是屬於訊號放大這一方面,其次是阻抗匹配、訊號轉換等,晶體管在電路中是個很重要的元件,許多精密的組件主要都是由晶體管製成的。

基本原理[编辑]

NPN順向主動工作區:BE接面順向,Vbe > 0.7V,BC接面逆向Vbc < 0.5V。順向接面會有擴散電流,空乏區小;而逆向接面會有漂移電流,空乏區大。空乏區內只有游離的雜質離子;載子進入後不久後會游離,在補充了游離載子同時,另一端已經游離載子則會離開空乏區,以保持空乏區是電中性。Ie電流大部分流過Ic,少部分由Ib流出。

重要性[编辑]

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电话等发明相提并论。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顆芯片上。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2012年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达14亿个。

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报纸

类型[编辑]

直插晶體管
PNP型・NPN型晶體管回路記号

晶體管種類很多,依工作原理可粗分為雙極性接面晶體管(bipolar junction transistor,BJT)和場效晶體管(field effect transistor, FET)。 近日,新类型的晶体管被发明。有迹象表明,在低温下操作的单电子晶体管(single electron transistor SET)[1]。制作晶体管的单原子(single atom transistor SAT) [2] ,其中,原子是个别地植入。这些新的硅晶体管可以使用他们的量子山谷财产被用来分离电子[3](valley changeover switch [4])。

参见[编辑]

外部链接[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Prati, Enrico; De Michielis, Marco et al. Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors. Nanotechnology. 2012, 23 (21): 215204. arXiv:1203.4811. Bibcode:2012Nanot..23u5204P. doi:10.1088/0957-4484/23/21/215204. PMID 22552118. 
  2. ^ E. Prati, M. Hori, F. Guagliardo, G. Ferrari, T. Shinada, Anderson-Mott transition in arrays of a few dopant atoms in a silicon transistor, Nature Nanotechnology 7, pp. 443 - 447 (2012)
  3. ^ M. De Michielis et al., Geometrical Effects on Valley-Orbital Filling Patterns in Silicon Quantum Dots for Robust Qubit Implementation, Applied Physics Express 5, 12 pp. 124001 (2012)
  4. ^ E. Prati, Valley blockade quantum switching in Silicon nanostructures, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11(10), 8522-8526 (2011)|arxiv = 1203.5368