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晶体管

晶体管

分类: 电子工程
属性: 技术
最后修改时间: 2013年05月25日
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晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。

简介

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,因此晶体管可做为电流的开关,和一般机械开关(如Relay、switch)不同处在于晶体管是利用电讯号来控制,而且开关速度可以非常之快,在实验室中的切换速度可达100GHz以上。

英文简述

晶体管(transistor 计:MOS transistor; npn 化:transistor)   A transistor is a semiconductor device, commonly used as an amplifier or an electrically controlled switch. The transistor is the fundamental building block of the circuitry that governs the operation of computers, cellular phones, and all other modern electronics.   Because of its fast response and accuracy, the transistor may be used in a wide variety of digital and analog functions, including amplification, switching, voltage regulation, signal modulation, and oscillators. Transistors may be packaged individually or as part of an integrated circuit, which may hold a billion or more transistors in a very small area.

历史

1947年12月,美国贝尔实验室的肖克莱、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降生吹响了号角。电力晶体管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-resister(转换电阻),后来缩写为transister,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“面结型晶体管”问世了,它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管,大部分仍是这种面结型晶体管。   1956年,肖克莱、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

晶体管的发展历史及其重要里程碑

1947年12月16日:威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和晶体管之父,william shockle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和电话而言已经足够,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。发布英特尔酷睿i7处理器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。

晶体管出现的意义

晶体管的出现,是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩。   同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:   ①晶体管的构件是没有消耗的。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,称得起永久性器件的美名。   ②晶体管消耗电能极少,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。   ③晶体管不需预热,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,非得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。   ④晶体管结实可靠,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。   正因为晶体管的性能如此优越,晶体管诞生之后,便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。1953年,首批电池式的晶体管收音机一投放市场,就受到人们的热烈欢迎,人们争相购买这种收音机。接着,各厂家之间又展开了制造短波晶体管的竞赛。此后不久,不需要交流电源的袖珍“晶体管收音机”开始在世界各地出售,又引起了一个新的消费热潮。   由于硅晶体管适合高温工作,可以抵抗大气影响,在电子工业领域是最受欢迎的产品之一。从1967年以来,电子测量装置或者电视摄像机如果不是“晶体管化”的,那么就别想卖出去一件。轻便收发机,甚至车载的大型发射机也都晶体管化了。   另外,晶体管还特别适合用作开关。它也是第二代计算机的基本元件。人们还常常用硅晶体管制造红外探测器。就连可将太阳能转变为电能的电池——太阳能电池也都能用晶体管制造。这种电池是遨游于太空的人造卫星的必不可少的电源。晶体管这种小型简便的半导体元件还为缝纫机、电钻和荧光灯开拓了电子控制的途径。   从1950年至1960年的十年间,世界主要工业国家投入了巨额资金,用于研究、开发与生产晶体管和半导体器件。例如,纯净的锗或硅半导体,导电性能很差,但加入少量其它元素(称为杂质)后,导电性能会提高许多。但是要想把定量杂质正确地熔入锗或硅中,必须在一定的温度下,通过加热等方法才能实现。而一旦温度高于摄氏75度,晶体管就开始失效。为了攻克这一技术难关,美国政府在工业界投资数百万美元,   以开展这项新技术的研制工作。在这样雄厚的财政资助下,没过多久,人们便掌握了这种高熔点材料的提纯、熔炼和扩散的技术。特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中的威力日益显露出来以后,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。

晶体管的重要性

晶体管,本名是半导体三极管,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。   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活动(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|-{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生本是相当高的,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。   晶体管的低成本,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-{A|zh-cn:信息;zh-tw:资讯}--{A|zh-cn:数字;zh-tw:数位}-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。    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。半导体三极管是电路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。   半导体三极管主要分为两大类: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)。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、集电极接地。最常用的用途应该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组件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。   三极管的导通 三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的直流偏晶体三极管置,随这个电流变化,三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变, 如果三极管Ib(直流偏置点)一定时,三极管工作在线性区,此时Ic电流的变化只随着Ib的交流信号变化,Ib继续升高,三极管进入饱和状态,此时三极管的Ic不再变化,三极管将工作在开关状态。   三极管为开关管使用时工作在饱和状态1,用放大状态1表示不是很科学。   请对照三极管手册的Ib;Ic曲线加以参考我的回答来理解三极管的工作状态,三极管be结和ce结导通三极管才能正常工作。   如果三极管没有加直流偏置时,放大电路时输入的交流正弦信号正半周时,基极对发射极而言是正的,由于发射结加的是反向电压,此时没有基极电流和集电极电流,此时集电极电流变化与基极反相,在输入电压的负半周,发射极电位对于基极电位为正的,此时由于发射极加的是正向电压,才有基极和集电极电流通过,此时集电极电流变化与基极同相,在三极管没有加直流偏置时三极管be结和ce结导通,三极管放大电路将只有半个波输出将产生严重的失真。   NPN型晶体管示意图   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,汽车和电话等发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动(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,但是绝大多数的晶体管是和电阻、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。   晶体管的低成本、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。

晶体管分类

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。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。   
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场效应晶体管)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。   
 

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。

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
  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——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。   2、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。   3、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。
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。

晶体管开关的作用

  (一)控制大功率   现在的功率晶体管能控制数百千瓦的功率,使用功率晶体管作为开关有很多优点,主要是;   (1)容易关断,所需要的辅助元器件少,   (2)开关迅速,能在很高的频率下工作,   (3)可得到的器件耐压范围从100V到700V,应有尽有.   几年前,晶体管的开关能力还小于10kW。目前,它已能控制高达数百千瓦的功率。这主要归功于物理学家、技术人员和电路设计人员的共同努力,改进了功率晶体管的性能。如   (1)开关晶体管有效芯片面积的增加,   (2)技术上的简化,   (3)晶体管的复合——达林顿,   (4)用于大功率开关的基极驱动技术的进步。 、   (二)直接工作在整流380V市电上的晶体管功率开关   晶体管复合(达林顿)和并联都是有效地增加晶体管开关能力的方法。   在这样的大功率电路中,存在的主要问题是布线。很高的开关速度能在很短的连接线上产生相当高的干扰电压。   (三)简单和优化的基极驱动造就的高性能   今日的基极驱动电路不仅驱动功率晶体管,还保护功率晶体管,称之为“非集中保护” (和集中保护对照)。集成驱动电路的功能包括:   (1)开通和关断功率开关;   (2)监控辅助电源电压;   (3)限制最大和最小脉冲宽度;   (4)热保护;   (5)监控开关的饱和压降。

相关历史事件

IBM将于12月在旧金山国际电子设备大会上介绍新晶体管设计方案的详细内容,并于2005~2006年投入生产,其210GHz晶体管已于2001年6月推出,相关芯片在2003年末或2004年初上市。   2005年2月22日,财政部和国家税务总局联合下发《关于扶持薄膜晶体管显示器产业发展税收优惠政策的通知》对液晶显示器生产企业实施一系列包括免征部分原材料进口关税、部分生产设备进口关税和增值税、缩短生产性设备的折旧年限在内的税收优惠政策。 专家认为每个晶体管最低价格底线出现在2003~2005年,从经济观点看,没有必要把晶体管做得更小了。   到2005年,芯片所含晶体管数将高达几十亿只,频率也将高达几千兆赫。   预计在2005年将推出采用全新的TeraHertz晶体管架构的产品。   到2005年芯片上集成2亿个晶体管时就会热得像“核反应堆”进入2010年时芯片的温度就会达到火箭发射时高温气体喷嘴的温度水平,而到2015年芯片就会与太阳的表面一样灼热。   2005年公司才把研发重点转向液晶玻壳,并与郑州市建设投资总公司共同投资近22亿元启动薄膜晶体管液晶显示器件玻璃基板生产线项目。   预计至2004年,hitel将可推出在新的直径为300毫米(约12英寸)的晶圆片(晶圆片尺寸一般十年翻一番)上能够刻出容纳5亿个晶体管的芯片。   例如,2004年投入应用的90nm艺,其中半节距为90nm,而晶体管的物理栅长为37nm   2004年业界已采用超薄SOI晶圆推出0.1μm1亿个晶体管的高速CMOS电路。 夹海来风TFTLCD成为台湾下一波新产业投资焦点未来两年内我国台湾在大型薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD)产业的投资将近1000亿元(新台币)根据“工研院电子所”估计,到2003年可以创造2000亿元年产值,成为继半导体产业之后,另一波带动台湾经济成长的重点产业。   2003年使用的90nm工艺又有了一些变化,同样除了线长和门长度的缩短以外,应变硅 Strainedsi)被首次引入了晶体管中以解决晶 体管内部电流通路问题。   据统计,2003年单位芯片的晶体管数目与1963年相比增加了10亿倍。   Barton:在2002年下半年,AMD将会发布应用SOI(硅连接)晶体管结构的Barton内核处理器。   结果从2002年1月1日起,我国对移动通信基站,移动通信交换机,大、中、小型计算机,喷墨、激光打印机,传真机,电阻器,电位器,晶体管及集成电路等122个关税税目的主要信息技术产品实行零关税,占我国信息技术产品总税目(共251个)的49%左右。   2002年以来,日本以外的市场对彩色超向量扭曲薄膜晶体管LCD的需求激增。   根据中国加入世界贸易组织信息技术产品协议的承诺,2002年中国将对移动通信基站、移动通信交换机、大中小型计算机、喷墨、激光打印机、传真机、电阻器、电位器、晶体管及集成电路等122个关税税目的主要信息技术产品实行零关税。   2002年9月15日在美国硅谷举办的微处理器论坛上,世界芯片业霸主、美国英特尔公司表示,该公司将在2007年推出集成10亿个晶体管和运行速度高达6GHz电脑芯片,让世界芯片进入10亿晶体管时代,同时证明摩尔定律这棵发明理论之树常青。   2002年5月,IBM开发出速度远超过现在最先进的硅晶体管的碳纳米晶体管,实用化进程再次加速。   而在2001年年底到2002年年初的这段时间里,英特尔公司的产品线将全部转移到0.13微米封装工艺,所采用的晶体管制造技术为70纳米。   2001年9月25日,投资金额14.8亿美元的中芯国际集成电路制造(上海)有限公司,在上海张江高新科技园区举行了“中芯第一芯”投产庆典,庆祝第一片8英寸、0.25微米以下线宽(指芯片上晶体管之间的距离,越短则同一个芯片上可排列的晶体管越多,技术水平越高)的芯片上线生产。   2001年,贝尔实验室发明了世界上第一个分子级晶体管,从而成为继1947年发明,标志着通信和技术新时代到来的晶体管之后的又一个科学里程碑。   2001年7月18日,青岛晶体管实验所开岛城科研院所改制之先河:130名职工出资100万元将其买断,斯时,这个实验所在国有体制下经营了35年。   2001年6月,IBM宣布单个硅锗晶体管的工作频率达到210GHz,工作电流1mA,比上一代硅锗晶体管速度提高了80%,功耗降低了50%。   2001年,Avouris等人利用此法制造成功了世界上第一列碳纳米管晶体管1451。   2001年4月,IBM公司宣布世界上第一个碳纳米材料晶体管阵列,从而使“分子计算机”的理想开始走向现实。   2000年英特尔公司推出“奔腾4”处理器,运行速度高达1.5GHz,集成的晶体管数量高达4200万,每秒运算量高达15亿次。   2000年 11月,容纳4200万个晶体管的奔腾4处理器的诞生,其卓越的创新使处理器技术跨入了第7代。   2000年 12月,英特尔公司率先在业界开发出栅极长度为30nm的单晶体管;2001年6月,英特尔又将这一纪录提高到20nm;同年 11月 26日,英特尔宣布已开发出栅极长度仅为15nm的新型晶体管,同时单个晶体管的实际工作频率已经能达到2.63THz。   到了2000年,每个设计工程师进行新设计时的生产率为2683个晶体管/周,而采用IP进行设计其生产率约为30000个晶体管/周,效率提高非常明显,可以说IP重用是重要的生产力要素。   同时,毫米波功率晶体管可能在2000年前后转到小批量的试制生产。   预计到2000年左右,全球将有1GDRAM和可包含500亿只晶体管的单片系统问。   2000年初,美国贝尔实验室开发出50 nm向晶体管,该晶体管建在芯片表面,电流垂直流动,在晶体管的两个相对的面各有一个门,从而提高了运算速度。   例如,2000年中国从马来西亚进口的28.8亿美元的机电产品中,一半以上是显像管、晶体管和集成电路。   随着1999年9月第一批(TFT-LCD)彩色液晶显示器的产出,中国内地不能生产薄膜晶体管彩色液晶显示器的历史宣告结束。   早在1999年,富士通投入8亿美元在本州岛建成了一座可以生产超薄晶体管的工厂,那些平薄如纸的晶体管全部用于制造柔软的可卷曲的塑料液晶。   1999年初 全国各高空台站开始使用晶体管回答器。   1998年,国际商用机器公司托马斯•沃特森研究中心的费宗•阿武里斯和荷兰德尔夫特科技大学的塞斯•德克尔证实,单个碳纳米管具有晶体管功用。   自从1998年碳纳米管应用于制作室温下场效应 晶体管以来,对碳纳米管制作纳米尺度的分子器件的研究得到了长足的发展。   据1998年2月26日《科技日报》的报导,美国桑迪亚国家实验室根据量子物理的基本原理制造出量子晶体管样管,较好地解决了批量生产的工艺问题。   1998年3月 英特尔公司制成包含 7 0 2亿个晶体管的集成电路芯片 这表明集成度这一微电子技术的重要指标 在不到 40年内便提高了7000万倍。   1997年,包含750万个晶体管的奔腾 处理器面世。   1997年,Intel推出了包含750万个晶体管的奔腾 处理器,这款新产品集成了IntelMMX媒体增强技术,专门为高效处理视频、音频和图形数据而设计。   在1997年,每个设计工程师进行新设计时的生产率为1100个晶体管/周,而采用IP模块进行设计的生产率为2100个晶体管/周。   我们试制了具有较高输入阻抗的晶体管放大器,1997年7月29日在主站端试用,结果激活了至周浜站的通道,连续数天的通信不中断。   微处理器技术另一个突破是芯片制造技术的革新,IBM于1997年9月22日宣布了用铜代替铝制造晶体管的新工艺,使电子线路体积更小,从而速度更快,效能更高。   1997年9月IBM公司宣布研制成功种铜鹜代铝制作晶体管的新生产工艺。   自1997年起经过各厂家、用户等有关部门的共同努力,目前全国绝大部分省局已经使用晶体管回答器。   1995年底开鲜的晶体管构造计划,于1996年6月,第一批产靛经测试是非常成功的。   1995年该厂上了两台单仓式晶体管高压静电除尘器,用在成品两台球磨机上。   1995年11月9日首先对其中一台晶体管励磁装置进行改造。   如索尼公司1995年掌握了晶体管方面的核心专长,生产出第一代晶体管收音机,体积小,每台标价仅29.95美元,做到了价廉物美,迅速占领了世界市场。   1994年初美国LSI公司研制成功集成度达900万个晶体管的逻辑芯片,0.5μm3V   日本松下公司最早用SMT制作10nm质量硅量子线,1994年在瑞士召开的国际纳米工程会议上,首次展示用STM探针制作的晶体管单元电路。    磁敏三极管   磁敏三极管由锗材料或硅材料制成。图是磁敏三极管的结构图。它是在高阻半导体材料i上制成N+-i-N+结构,在发射区的一侧用喷砂等方法破坏一层晶格,形成载流子高复合区r。元件采用平板结构,发射区和集电区设置在它的上、下表面。

如何用万用表测试三极管

  (1)判别基极和管子的类型   选用欧姆档的R*100(或R*1K)档,先用红表笔接一个管脚,黑表笔接另一个管脚,可测出两个电阻值,然后再用红表笔接另一个管脚,重复上述步骤,又测得一组电阻值,这样测3次,其中有一组两个阻值都很小的,对应测得这组值的红表笔接的为基极,且管子是PNP型的;反之,若用黑表笔接一个管脚,重复上述做法,若测得两个阻值都小,对应黑表笔为基极,且管子是NPN型的。   (2)判别集电极   因为三极管发射极和集电极正确连接时β大(表针摆动幅度大),反接时β就小得多。因此,先假设一个集电极,用欧姆档连接,(对NPN型管,发射极接黑表笔,集电极接红表笔)。测量时,用手捏住基极和假设的集电极,两极不能接触,若指针摆动幅度大,而把两极对调后指针摆动小,则说明假设是正确的,从而确定集电极和发射极。   (3)电流放大系数β的估算   选用欧姆档的R*100(或R*1K)档,对NPN型管,红表笔接发射极,黑表笔接集电极,测量时,只要比较用手捏住基极和集电极(两极不能接触),和把手放开两种情况小指针摆动的大小,摆动越大,β值越高。

晶体管的检测和更换

  电路中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,如何正确地判断二、三极管的好坏等是学维修关键之一。   1晶体二极管:首先我们要知道该二极管是硅管还是锗管的,锗管的正向压降一般为0.1伏~0.3伏之间,而硅管一般为0.6伏~0.7伏之间。测量方法为:用两只万用表测量,当一只万用表测量其正向电阻的同时用另外一只万用表测量它的管压降。最后可根据其管压降的数值来判断是锗管还是硅管。硅管可用万用表的R×1K挡来测量,锗管可用R×100挡来测。一般来说,所测的二极管的正反向电阻两者相差越悬殊越好。一般如正向电阻为几百到几千欧,反向电阻为几十千欧以上,就可初步断定这个二极管是好的。同时可判定二极管的正负极,当测得的阻值为几百欧或几千欧时,为二极管的正向电阻,这时负表笔所接的为负极,正表笔所接的为正极。另外,如果正反向电阻为无穷大,表示其内部断线;正反向电阻一样大,这样的二极管也有问题;正反向电阻都为零表示已短路。   2晶体三极管: 晶体三极管主要起放大作用,那么如何来判测三极管的放大能力呢?其方法是:将万用表调到R×100挡或R×1K挡,当测NPN型管时,正表笔接发射极,负表笔接集电极,测出的阻值一般应为几千欧以上;然后在基极和集电极之间串接一个100千欧的电阻,这时万用表所测的阻值应明显的减少,变化越大,说明该三极管的放大能力越强,如果变化很小或根本没有变化,那就说明该三极管没有放大能力或放大能力很弱。   电极的判断方法   测量的锗管用R*100档,硅管用R*1k档,先固定红表笔与任意一支脚接触,黑表笔分别对其余两支脚测量。看能否找到两个小电阻,若不能再把红表笔移向其他的脚继续测量照顾到两个小电阻为止,若固定红线找不到两个小电阻,可固定黑表笔继续查找。   当找到两个小电阻后,所固定的一支表笔所用的为基极。若固定的表笔为黑笔,则三极管为NPN型,若固定的为红笔,则该管为PNP。   A 判断ce极电阻法   用万用表测量除基极为的两极的电阻,交换表笔测两次,如果是锗管,所测电阻较小的一次为准,若为PNP型,测黑表笔所接的为发射极,红表笔接的是集电极,若为NPN型,测黑表笔所接的为集电极,红表笔接的是发射极;如果是硅管,所测电阻较大的一次为准,若为PNP型,测黑表笔所接的为发射极,红表笔接的是集电极,若为NPN型,测黑表笔所接的为集电极,红表笔接的是发射极。   B PN结正向电阻法   分别测两PN结的正向电阻,较大的为发射极,较小的为集电极。   C 放大系数法   用万用表的两支表笔与基极除外的两支脚接触,若为PNP,则用手指接触基极与红笔所接的那一极看指针摆动的情况,然后交换表笔测一次,以指针摆动幅度大的一次为准,这时,接红表笔的为集电极;若为NPN,则用手指接触基极与红笔所接的那一极看指针摆动的情况,然后交换表笔测一次,以指针摆动幅度大的一次为准,这时,接黑表笔的为集电极。   注意:模拟表和数字表的区别,模拟表的红表笔接的是电源的负极,而数字表相反。

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