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電晶體

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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

電晶體英語transistor)是一種固體半導體器件,可以用於放大開關、穩壓、訊號調變和許多其他功能。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。

電晶體由半導體材料組成,至少有三個端子(稱為極)可以連接外界電路。電晶體基於輸入的電流或電壓,改變輸出端的阻抗 ,從而控制通過輸出端的電流,因此電晶體可以作為電流開關,而因為電晶體輸出信號的功率可以大於輸入信號的功率,因此電晶體可以作為電子放大器。 電晶體可作為分立元件使用,但應用有上積體電路中的電晶體數量遠大於分立電晶體的數量。例如超大規模積體電路(VLSI)其中至少有一萬個電晶體。

運用及分類[編輯]

NPN型電晶體示意圖

電晶體主要分為兩大類:雙極性電晶體(BJT)和場效應電晶體(FET)

電晶體一般都有三個極,其中一極兼任輸入及輸出端子,與其餘兩個極組成輸入及輸出對。 電晶體之所以如此多用途在於其訊號放大能力,當微細訊號加於其中的一對極時便能控制在另一對極較大的訊號,這特性叫增益

當電晶體於線性工作時,輸出的訊號與輸入的訊息成比例,這時電晶體就成了一放大器。這是在類比電路中的常用方式,例如放大器、音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路

當電晶體的輸出不是完全關閉就是完全導通時,這時電晶體便是被用作開關使用。這種方式主要用於數位電路,例如數位電路包括邏輯閘隨機存取記憶體(RAM)和微處理器。另外在開關電源中,電晶體也是以這種方式工作。

而以何種形式工作,取決於電晶體的特性及外部電路的設計。

雙極性電晶體的三個極,射極(Emitter)、基極(Base)和集極(Collector)[1]:31; 射極到基極的微小電流,會使得射極到集極之間的阻抗改變,從而改變流經的電流[1]:31

場效應電晶體的三個極,分別是源極(Source)、閘極(Gate)和洩極(Drain)[1]:41。 在閘極與源極之間施加電壓能夠改變源極與洩極之間的阻抗,從而控制源極和洩極之間的電流。

電晶體因為有三種極性,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)[1]:37-39

電晶體在應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。若在超額的狀態下使用,會破壞電晶體內部的結構。每種型號的電晶體還有像是直流放大率hFE、NF噪訊比等特性,可以藉由電晶體規格表英語Datasheet得知。

重要性[編輯]

阿威羅大學英語University of Aveiro葡式碎石路上的電晶體符號

電晶體被認為是現代歷史中最偉大的發明之一,可能是二十世紀最重要的發明[2]。在重要性方面可以與印刷術汽車電話等發明相提並論。電晶體是所有現代電器的關鍵主動(active)元件。電晶體在當今社會如此重要,主要是因為電晶體可以使用高度自動化的過程進行大規模生產的能力,因而可以不可思議地達到極低的單位成本。1947年貝爾實驗室發明電晶體已被列在IEEE里程碑列表英語List of IEEE milestones[3]

雖然數以百萬計的單體電晶體還在使用[4],絕大多數的電晶體是和二極體電阻器電容器一起被裝配在微晶片(晶片)上製造完整的電路。可能是類比的、數位的,或是混合的晶片上。設計和開發複雜晶片的成本是相當高的,但是若分攤到百萬個生產單位上,對每個晶片價格的影響就不大的。一個邏輯閘包含20個電晶體,而2012年一個高級的微處理器使用的電晶體數量達14億個。

電晶體的成本,靈活性和可靠性使得其成為非機械任務的通用器件,例如數位計算。電晶體電路在在控制電器和機械的應用上,也正在取代電機設備,因為它通常是更便宜而有效,使用電子控制時,可以使用標準積體電路並編寫計算機程式來完成一個機械控制同樣的任務。

因為電晶體和後來的電子計算機的低成本,開始了數位化信息的浪潮。由於計算機提供快速的查找、分類和處理數位信息的能力,在信息數位化方面投入了越來越多的精力。今天的許多媒體是通過電子形式發布的,最終通過計算機轉化和呈現為類比形式。受到數位化革命影響的領域包括電視廣播報紙

和真空管的比較[編輯]

在電晶體發展之前,真空管是電子設備中主要的功率元件。

優點[編輯]

電晶體因為有以下的優點,因此可以在大多數應用中代替真空管:

  • 沒有因加熱陰極而產生的能量耗損,應用真空管時產生的橙光是因為加熱造成,有點類似傳統的燈泡。
  • 體積小,重量低,因此有助於電子設備的小型化。
  • 工作電壓低,只要用電池就可以供應。
  • 在供電後即可使用,不需加熱陰極需要的預熱期。
  • 可透過半導體技術大量的生產。

限制[編輯]

相較於真空管,電晶體也有以下的限制:

  • 矽電晶體會老化及失效[5]
  • 高功率,高頻的應用中(例如電視廣播),因真空管中的真空有助提昇電子移動率,效果會比電晶體要好。
  • 固體電子元件在應用時比較容易靜電放電

類型[編輯]

BJT PNP symbol.svg PNP JFET P-Channel Labelled.svg P-channel
BJT NPN symbol.svg NPN JFET N-Channel Labelled.svg N-channel
BJT JFET
BJT及JFET符號

電晶體可以依以下的方式分類:

現在也已發明許多新類型的電晶體。已有在低溫下操作的單電子電晶體(single electron transistor SET)[7],以及單原子電晶體(single atom transistor SAT) [8] ,其中,原子是個別地植入。

雙極性電晶體(BJT)[編輯]

雙極性電晶體同時利用半導體中的多數載子及少數載子導通,因此得名。雙極性電晶體是第一個量產的電晶體,是由二種不同接面的二極體組成,其結構可分為二層N型半導體中間夾一層P型半導體的NPN電晶體,以及二層P型半導體中間夾一層N型半導體的PNP電晶體[1]:32。因此會有二個PN接面,分別是基極-射極接面及基極-集極接面,中間隔著一層的半導體,即為基極。

雙極性電晶體和場效應電晶體不同,雙極性電晶體是低輸入阻抗的元件。當基集極電壓(Vbe)提高時,集極射極電流(Ice)會依肖克基模型及艾伯斯-莫爾模型,以指數形式增加。因此雙極性電晶體的跨導比FET要高。

雙極性電晶體也可以設計為受到光照射時導通,因為基極吸收光子會產生光電流,其效應類似基極電流,集極電流一般是光電流的β倍,這類的電晶體一般會在封裝上有一透明窗,稱為光電晶體

場效應電晶體(FET)[編輯]

場效應電晶體利用電子(N通道FET)或是電洞(P通道FET)導通電流。場效應電晶體都有閘極(gate)、汲極(drain)、源極(source)三個極,若不是結型場效應管,還會有一極,稱為體(body)。大部份的場效應電晶體中,體(body)會和源極相連。

在場效應電晶體中,源汲極電流會流過連接源極和汲極之間的通道,導通程度會依閘極和源極之間的電壓產生的電場而定,因此可以利用閘源極電壓控制源汲極電流,做為一個簡單的開關。當閘源極電壓Vgs變大時,若Vgs小於臨界電壓VT時,源汲極電流Ids會指數方式增加,若Vgs大於臨界電壓VT時,源汲極電流和閘源極電壓會有以下的平方關係I_{ds} \propto (V_{gs}-V_T)^2,其中VT是臨界電壓[9]。不過在一些現代的元件中,觀察不到上述的平方特性,像是65奈米及以下通道長度的元件 [10]

場效應電晶體可以分為兩種:分別是結型場效應管(JFET)及絕緣閘極場效電晶體(IGFET),後者最常見的是金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET),其名稱上反映了其原始以金屬(閘極)、氧化物(絕緣層)及半導體組成的架構。結型場效應管在源汲極之間形成了PN二極體。因此N通道的JFET類似真空管的三極體,兩者也都是運作在空乏區,都有高輸入阻抗,也都用輸入電壓來控制電流。

參見[編輯]

外部連結[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 華偉; 周文定. 現代電力電子器件及其應用. 清華大學出版社有限公司. 2002. ISBN 978-7-81082-032-5. 
  2. ^ Robert W. Price. Roadmap to Entrepreneurial Success. AMACOM Div American Mgmt Assn. 2004: 42. ISBN 978-0-8144-7190-6. 
  3. ^ Milestones:Invention of the First Transistor at Bell Telephone Laboratories, Inc., 1947. IEEE Global History Network. IEEE. [3 August 2011]. 
  4. ^ FETs/MOSFETs: Smaller apps push up surface-mount supply[失效連結]
  5. ^ John Keane and Chris H. Kim, "Transistor Aging," IEEE Spectrum (web feature), April 25, 2011.
  6. ^ Transistor Example.  071003 bcae1.com
  7. ^ 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. 
  8. ^ 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)
  9. ^ Horowitz, Paul; Winfield Hill. The Art of Electronics 2nd. Cambridge University Press. 1989: 115. ISBN 0-521-37095-7. 
  10. ^ W. M. C. Sansen. Analog design essentials. New York ; Berlin: Springer. 2006: §0152, p. 28. ISBN 0-387-25746-2.