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[導(dǎo)讀]晶體管(transistor)是一種固體半導(dǎo)體器件(包括二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等,有時(shí)特指雙極型器件),具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。

晶體管(transistor)是一種固體半導(dǎo)體器件(包括二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等,有時(shí)特指雙極型器件),具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。晶體管作為一種可變電流開關(guān),能夠基于輸入電壓控制輸出電流。與普通機(jī)械開關(guān)(如Relay、switch)不同,晶體管利用電信號來控制自身的開合,所以開關(guān)速度可以非??欤瑢?shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。2016年,勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打破了物理極限,將現(xiàn)有的最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm,完成了計(jì)算技術(shù)界的一大突破。

晶體管簡述及歷史

嚴(yán)格意義上講,晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件,包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管(二端子)、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管(后三者均為三端子)等。晶體管有時(shí)多指晶體三極管。三端子晶體管主要分為兩大類:雙極性晶體管(BJT)和場效應(yīng)晶體管(FET,單極性)。晶體管有三個(gè)極(端子);雙極性晶體管的三個(gè)極(端子),分別是由N型、P型半導(dǎo)體組成的發(fā)射極(Emitter)、基極(Base) 和集電極(Collector);場效應(yīng)晶體管的三個(gè)極(端子),分別是源極(Source)、柵極(Gate)和漏極(Drain)。晶體管因?yàn)橛腥齻€(gè)電極,所以也有三種的使用方式,分別是發(fā)射極接地(又稱共射放大、CE組態(tài))、基極接地(又稱共基放大、CB組態(tài))和集電極接地(又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨耦器)。

晶體管是一種半導(dǎo)體器件,放大器或電控開關(guān)常用。晶體管是規(guī)范操作電腦,手機(jī),和所有其他現(xiàn)代電子電路的基本構(gòu)建塊。由于其響應(yīng)速度快,準(zhǔn)確性高,晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能,包括放大,開關(guān),穩(wěn)壓,信號調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在一個(gè)非常小的的區(qū)域,可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

1947年12月,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組,研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世,是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明,是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后,人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件,來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的誕生吹響了號角。20世紀(jì)最初的10年,通信系統(tǒng)已開始應(yīng)用半導(dǎo)體材料。20世紀(jì)上半葉,在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機(jī),就采用礦石這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢波。半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。晶體管的發(fā)明,最早可以追溯到1929年,當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是,限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,制造這種器件的材料達(dá)不到足夠的純度,而使這種晶體管無法制造出來。由于電子管處理高頻信號的效果不理想,人們就設(shè)法改進(jìn)礦石收音機(jī)中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里,有一根與礦石(半導(dǎo)體)表面相接觸的金屬絲(像頭發(fā)一樣細(xì)且能形成檢波接點(diǎn)),它既能讓信號電流沿一個(gè)方向流動(dòng),又能阻止信號電流朝相反方向流動(dòng)。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕,貝爾實(shí)驗(yàn)室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時(shí),發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體,而且在某些方面比電子管整流器還要好。在第二次世界大戰(zhàn)期間,不少實(shí)驗(yàn)室在有關(guān)硅和鍺材料的制造和理論研究方面,也取得了不少成績,這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。為了克服電子管的局限性,第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了對固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導(dǎo)體材料,探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。1945年秋天,貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以肖克萊為首的半導(dǎo)體研究小組,成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作,長期從事半導(dǎo)體的研究,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)和觀察,逐步認(rèn)識到半導(dǎo)體中電流放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因。布拉頓發(fā)現(xiàn),在鍺片的底面接上電極,在另一面插上細(xì)針并通上電流,然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它,并通上微弱的電流,這樣就會(huì)使原來的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化,會(huì)對另外的電流產(chǎn)生很大的影響,這就是“放大”作用。布拉頓等人,還想出有效的辦法,來實(shí)現(xiàn)這種放大效應(yīng)。他們在發(fā)射極和基極之間輸入一個(gè)弱信號,在集電極和基極之間的輸出端,就放大為一個(gè)強(qiáng)信號了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中,上述晶體三極管的放大效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后,他們利用兩個(gè)靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點(diǎn),來代替金箔接點(diǎn),制造了“點(diǎn)接觸型晶體管”。1947年12月,這個(gè)世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件終于問世了,在首次試驗(yàn)時(shí),它能把音頻信號放大100倍,它的外形比火柴棍短,但要粗一些。在為這種器件命名時(shí),布拉頓想到它的電阻變換特性,即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來工作的,于是取名為trans-resistor(轉(zhuǎn)換電阻),后來縮寫為transistor,中文譯名就是晶體管。由于點(diǎn)接觸型晶體管制造工藝復(fù)雜,致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障,它還存在噪聲大、在功率大時(shí)難于控制、適用范圍窄等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn),肖克萊提出了用一種“整流結(jié)”來代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。半導(dǎo)體研究小組又提出了這種半導(dǎo)體器件的工作原理。1950年,第一只“PN結(jié)型晶體管”問世了,它的性能與肖克萊原來設(shè)想的完全一致。今天的晶體管,大部分仍是這種PN結(jié)型晶體管。(所謂PN結(jié)就是P型和N型的結(jié)合處。P型多空穴。N型多電子。)1956年,肖克利、巴丁、布拉頓三人,因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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