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晶体管的基础知识详解
云汉芯城 | 2019-05-13 14:50:43    阅读:3048   发布文章

晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同,晶体管利用电讯号来控制自身的开合,而且开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。

2016年,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有的最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,完成了计算技术界的一大突破。

严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。

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(又称共基放大、CB组态)和集电极接地(又称共集放大、CC组态、发射极随耦器)。

晶体管是一种半导体器件,放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑,手机,和所有其他现代电子电路的基本构建块。

由于其响应速度快,准确性高,晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能,包括放大,开关,稳压,信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域,可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

晶体管的发展

1)真空三极管

1939年2月,Bell实验室有一个伟大的发现,硅p_n结的诞生。1942年,普渡大学Lark_Horovitz领导的课题组中一个名叫Seymour Benzer的学生,发现锗单晶具有其它半导体所不具有的优异的整流性能。这两个发现满足了美国政府的要求,也为随后晶体管的发明打下了伏笔。

2)点接触晶体管

1945年二战结束,Shockley等发明的点接触晶体管成为人类微电子革命的先声。为此,Shockley为Bell递交了第一个晶体管的专利申请。最终还是获得了第一个晶体管专利的授权。

3)双极型与单极型晶体管

Shockley在双极型晶体管的基础上,于1952年进一步提出了单极结型晶体管的概念,即今天所说的结型晶体管。其结构与pnp或npn双极型晶体管类似,但在p_n材料的界面存在一个耗尽层,以使栅极与源漏导电沟道之间形成一个整流接触。同时两端的半导体作为栅极。通过栅极调节源漏之间电流的大小。

4)硅晶体管

仙童半导体由一个几人的公司成长为一个拥有12000个职工的大企业。

5)集成电路

在1954年硅晶体管发明之后,晶体管的巨大应用前景已经越来越明显。科学家的下一个目标便是如何进一步把晶体管、导线及其它器件高效地连接起来。

6)场效应晶体管与MOS管

1961年,MOS管的诞生。1962年,在RCA器件集成研究组工作的Stanley, Heiman和Hofstein等发现,可以通过扩散与热氧化在Si基板上形成的导电带、高阻沟道区以及氧化层绝缘层来构筑晶体管,即MOS管。

7)微处理器(CPU)

英特尔公司在创立之初,目光仍然集中在内存条上。Hoff把中央处理器的全部功能集成在一块芯片上,再加上存储器;这就是世界上的第一片微处理器—4004(1971年)。4004的诞生标志着一个时代的开始,随后英特尔在微处理器的研究中一发不可收拾,独领风骚。

1989年,英特尔推出了80486处理器。1993年,英特尔研制成功新一代处理器,本来按照惯常的命名规律是80586。1995年英特尔推出Pentium_Pro。1997年英特尔发布了PentiumII处理器。1999年英特尔发布了Pentium III处理器。2000年发布了Pentium 4处理器。

晶体管优越性

同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:

构件没有消耗

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。

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。

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。

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。

晶体管重要性

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。

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。

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。

交流放大倍数

交流放大倍数,也即交流电流放大系数、动态电流放大系数,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。

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。

最高频率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。

最大电流

集电极最大电流(ICM)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。

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。

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。

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。

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。

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。

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