什么是晶体管？

晶体管是一种半导体器件，是“传输电阻”的缩写，用于调节或控制电流或电压等电信号。1947年12月23日，由三位美国物理学家威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁开发。通常，它是一种开关设备或微型设备，用于将弱信号从低电阻电路传输到高电阻电路。它是由半导体材料制成的组件。下图显示了晶体管的示例。

在大多数电子设备中，晶体管是关键组件之一，它生成计算机用于建立通信和处理布尔逻辑的二进制位0和1。在科学史上，晶体管被认为是最重要的发明之一，当以不同配置放置时，它形成逻辑门。这些门组合成全加器或称为半加器的阵列。晶体管包含两个背靠背连接的PN二极管。

晶体管由三个端子组成：输入、输出和控制开关。晶体管包含的三个端子的名称是发射极、基极和集电极。

这些端子名称是根据晶体管的公共端子指定的。它广泛嵌入到集成电路中或作为分立部件存在于电路板中。对于现代电子设备，它是重要的结构块。掺杂是一种用于制造晶体管的化学过程，其中半导体材料获得额外的正电荷（P型）或额外的负电荷（N型）。这有两种配置：PNP或NPN，中间材料用作基极或流量控制。当中间基极层的电压或电流发生微小变化时，整个组件中会有大量电流流过，这可以用于放大器。

晶体管的部件

晶体管由更具体的端子或三层半导体材料制成，这些材料用于传导电流并建立与外部电路的连接。借助其他对端子，电流由电压控制。晶体管有三个端子，如下所示

• 基极： 基极端子的主要功能是激活晶体管，它设计了两个电路；输出电路是集电极，输入是发射极。它由薄层制成，是晶体管的中间部分。发射极-基极电路提供低电阻，它是正向偏置的。集电极-基极结提供更高的电阻，它位于反向偏置。
• 集电极： 它是二极管的左侧部分，是晶体管的正极。从与基极的结中移除多数电荷是集电极的主要功能。
• 发射极： 发射极二极管是二极管的右侧部分，它用于多数载流子的主要区域。它是晶体管的负极，用于将多数载流子传输到基极。

晶体管符号

晶体管有两种：NPN晶体管和PNP晶体管。同样，具有两层P型材料和一层N型材料的晶体管称为PNP晶体管。下图表示NPN和PNP晶体管的符号。箭头符号描述了发射极电流在正向偏置下的流动，该正向偏置施加到发射极-基极结。电流路径是PNP和NPN晶体管之间的主要区别。

在NPN连接中，传统电流从发射极流出，如图中向外箭头所示。类似地，在PNP连接中，传统电流流入发射极；如图中向内箭头所示。

晶体管的类型

晶体管主要根据其在电路中的用途分为两种类型，如下所示

双极结型晶体管 (BJT)

双极结型晶体管是包含基极、发射极和集电极端子的晶体管。它被认为是电流控制器件。通过进入晶体管基极区域的微小电流，可以控制集电极和发射极端子之间更大的电流流动。此外，BJT（双极结型晶体管）还有另外两种主要类型：PNP晶体管和NPN晶体管，如下所述

• PNP 晶体管： 另一种类型的双极结型晶体管，它具有两个 P 型半导体材料，其中 N 型材料被引入或放置在两者之间。并且使用薄 N 型半导体层来分隔这些材料。PNP 晶体管包含两个串联的晶体二极管。此外，该器件以这种配置控制电流的流动。该晶体管中二极管的左侧称为发射极-基极二极管，二极管的右侧称为集电极-基极二极管。
  在 PNP 晶体管中，电子是少数载流子，而空穴是多数载流子。该晶体管中箭头符号的功能是指示传统电流方向。在该晶体管中，电流路径是从发射极端子到集电极端子。下图显示了带有符号的 PNP 晶体管。
• NPN 晶体管： 另一种广泛用于电路中的双极结型晶体管 (BJT)，它由两个 N 型材料之间的一个薄 P 型半导体层组成。NPN 晶体管的主要功能是将弱信号放大为强信号。在 NPN 晶体管中，当电子从发射极区域传输到集电极区域时，晶体管中会发生电流运动。与空穴的迁移率相比，NPN 晶体管的电子迁移率更高；因此，它们目前被广泛使用。下图显示了带有符号的 NPN 晶体管。

场效应晶体管

栅极、源极和漏极这三个端子用于构成场效应晶体管 (FET)。这些类型的晶体管被认为是电压控制器件。栅极端子控制源极和漏极之间的电流。该晶体管中的 P 沟道 FET 或 N 沟道 FET 用于导电。

根据欧姆定律，电路阻抗的值与电流成反比。这意味着如果阻抗很高，电流就会很低。因此，FET 从电路的电源中汲取非常小的电流。下图是场效应晶体管。

因此，连接到晶体管的原始电路电源元件不受晶体管的干扰。与双极晶体管相比，FET 不提供高放大率，这是 FET 的主要限制。

FET 具有许多优点，例如它们导致更少的负载、更容易制造且成本更低。然而，双极晶体管在提供更大放大率方面表现更好。JFET 和 MOSFET 是场效应晶体管 (FET) 的主要类型。尽管 MOSFET 和 JFET 彼此非常接近，但 MOSFET 的输入阻抗值高于 JFET。FET 包含一些功能，如下所述

• 该晶体管具有高输入阻抗，由于反向偏置，输入电流将通过该阻抗。
• 在FET中，载流子负责电子或空穴的传输，这使其成为单极器件。
• 有时，这种晶体管被称为电压控制器件；当栅极的输入电压控制场效应晶体管的输出电压时，就会发生这种情况。
• 与BJT相比，FET的噪声较小，因为导电通路中没有结。
• 增益的表征是输入电压变化与输出电流变化的比率；因此，可以通过跨导来完成。

FET 和 BJT 之间的一些区别

• BJT 是双极器件，而 FET 是单极器件。
• BJT 是电流驱动器件，而 FET 是电压驱动器件。
• 与 BJT 相比，FET 噪声更小。
• FET 的热稳定性高，而 BJT 的热稳定性低。
• BJT 的增益特性可以通过电压增益来完成，而 FET 则通过跨导来完成。

晶体管的工作原理

通常，晶体管由硅制成，因为它具有更大的电流、更高的电压额定值和更低的温度敏感性。发射极-基极部分保持正向偏置，从而建立基极电流，该电流通过基极区域移动。基极电流的幅度非常小。基极电流负责在基极区域产生空穴或将电子转移到集电极区域。

与发射极相比，晶体管的基极掺杂较轻且非常薄，因此电子数量较少。发射极的少量电子移向集电极区域。因此，可以说通过改变基极区域可以获得大的集电极电流。

晶体管历史

晶体管是电子设备的关键组件，它控制电流或电压等电信号。尽管偏心美国发明家李·德·福雷斯特在1906年开发了真空管，但它消耗大量电能，而且体积庞大。而晶体管是处理电子设备的合适解决方案，因为它比真空管消耗更少的电能，而且体积更小。

战争期间，该团队通过利用半导体研究的一些进展使雷达成为可能。

1947年12月23日，晶体管由三位美国物理学家威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁开发，并在新泽西州默里山贝尔实验室成功演示。然而，与另外两人相比，威廉·肖克利在晶体管的开发过程中扮演了重要或非常不同的角色。十多年来，肖克利一直致力于这类项目。尽管他能够成功地完成理论，但在实践了八年之后，他仍然无法构建一个工作模型。

巴丁和布拉顿被召来处理工程和开发。他们制造了“点接触”晶体管。但肖克利设计了双极晶体管，它取代了“点接触”晶体管，并且优于它。因此，肖克利在晶体管的发明中占有很大一部分。威廉·肖克利在完成博士学位后去了贝尔实验室工作，专注于量子物理学。1936年，他开始研究晶体管的基础——固态物理学理论。早期收音机中的信号探测器包含一根细线，它侵入了方铅矿晶体。这根细线被称为“猫的胡须”。然而，这些早期收音机无法连续工作。但它是“点接触”晶体管的基础，晶体探测器工作的原理。

在第一个晶体管中，布拉顿和巴丁使用锗而不是方铅矿。然而，他们使用了类似的“猫的胡须”。肖克利设计的双极晶体管消除了麻烦的点接触

1954年，达拉斯的德州仪器公司首次开始商用生产用于便携式收音机的结晶体管。同年，1954年，IBM宣布计划用晶体管取代其计算机中的真空管，并推出了其第一台拥有2000个晶体管的计算机。日本的索尼公司也开始生产晶体管，并占据了市场主导地位。1960年代，索尼开始使用晶体管而不是真空管生产电视机。晶体管取代了真空管，真空管技术几乎被淘汰。截至2016年，最强大的计算机处理器可以包含超过70亿个晶体管。

晶体管的优点和缺点

下表包含晶体管的优点和缺点。