晶体管(固体半导体器件) - 简单百科92e.net

晶体管（英文：transistor），早期音译为穿细丝体，是一种类似于阀门的固体半导体器件，用于放大、控制和生成电信号。

在1947年，由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利所发明。当时巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管；肖克利则是发明PN二极管，他们因为半导体及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖。

晶体管由半导体材料组成，至少有三个对外端点称之为极。晶体管受控极输入的电流或电压，改变输出端的阻抗，从而控制通过输出端的电流，因此晶体管可以作为电流开关，而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率，因此晶体管可以作为电子放大器。

晶体管有不同的类型，如双极结型、场效应型、光敏型和磁敏型，分别受电流、电压、光强和磁场的控制。它在电子电路中有多种应用，如放大器、开关、振荡器和稳压器等。晶体管是现代电子的基本构建块之一。

发展历程

晶体管的原型

1925年，奥地利匈牙利物理学家Julius Edgar Lilienfeld在加拿大提出了场效应晶体管的概念，并申请了专利，但他没有发表任何关于他的设备的研究文章，也没有给出任何具体的工作原型的例子，因此他的工作被业界忽视了。

晶体管的诞生

1947年，贝尔实验室的约翰·巴丁，威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿制造了第一个工作的晶体管，即点接触锗晶体管，开启了半导体时代。他们利用金属针尖与锗晶片之间的接触电阻来控制电流，并发现了双极性和放大效应，他们三人因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

双极结型晶体管的发明

1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），性能优于点接触晶体管。BJT是一种三端器件，由两个PN结组成，分别称为发射结和集电结。BJT有两种类型：NPN型和PNP型。BJT可以用来放大或开关电流。这是现在通行的标准的晶体管。

晶体管商业化设备诞生

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。

集成电路的诞生和改进

1958年，德州仪器（TI）的Jack Kilby建立了第一个集成电路，该集成电路由连接在一块硅上的两个双极晶体管组成。集成电路是将多个晶体管和其他元件集成在一个单一的半导体基片上的技术，可以大大提高电路的复杂度、性能和可靠性，同时降低成本和尺寸。

1960年代，平面工艺出现，通过氧化、光刻、扩散、离子注入等流程，在Si半导体芯片上制作出晶体管和集成电路。平面晶体管采用自对准栅极工艺，使用多晶硅作为栅极材料，降低了寄生电容和阈值电压，提高了可靠性和速度。平面晶体管有两种主要类型：Bulk-Si CMOS和SOI CMOS。Bulk-Si CMOS是最常见和最便宜的一种选择，但存在随机掺杂波动和漏电流等问题。SOI CMOS在硅基体顶部增加了一层埋入式氧化物（BOX）层，隔绝了泄漏路径，但成本较高。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。

摩尔定律提出

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18个月翻一倍（至今依然基本适用），摩尔定律在电子学 Magazine杂志一篇文章中公布。

非平面晶体管工艺

FinFET晶体管

1989年，日立制作所中央研究实验室的Digh Hisamoto等人制造了第一种FinFET晶体管类型，称为“耗尽型贫沟道晶体管”或“DELTA”晶体管。1998年，加利福尼亚大学伯克利分校的胡正明教授发明了多闸极FinFET晶体管。FinFET是一种非平面或“3D”晶体管，其栅极围绕着通道的三个面，改善了对通道的控制，降低了漏电流和功耗。2011年，英特尔将FinFET用于22nm工艺的生产，并命名为Tri-Gate技术。从2014年开始，14nm（或16nm）的主要代工厂（台积电，三星电子，格罗方德半导体股份有限公司）开始采用FinFET设计。

GAA FinFET晶体管

2006年，韩国科学技术研究院（KAIST）和国家nm晶圆中心的韩国研究人员团队开发了一种基于全能门（GAA）FinFET技术的晶体管。GAA全能门与FinFET的不同之处在于，GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极，从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制。GAA晶体管有多种实现方式，如硅纳米线FET，纳米片FET，MBCFET等。GAA晶体管被认为是3nm以下工艺节点的主要栅极设计，三星电子和台积电都宣布将在3nm工艺中采用GAA技术。

未来发展

2016年7月，发布的2015年国际半导体技术路线图（ITRS）做出预测，经历了50多年的微型化，晶体管的尺寸可能将在5年后停止缩减。

2022年，清华大学集成电路学院教授任天令团队以单层石墨烯作为栅极，打造出一种“侧壁”晶体管，创下了0.34nm栅极长度的纪录。此项研究登上了最新一期Nature，题为“具有亚1纳米栅极长度的垂直二硫化钼晶体管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）。

2023年，荷兰科学家研制出了首个由单元素组成的二维（2D）拓扑绝缘体锗烯，这些晶体管可以取代电子设备中的传统晶体管，使电子设备不再发热。

结构及原理

晶体管一般都有三个极，其中一极兼任输入及输出端子，(B)基极不能做输出，(C)集电极不能做输入之外，其余两个极组成输入及输出对。

晶体管之所以有如此多用途在于其信号放大能力，当微细信号加于其中的一对极时便能控制在另一对极较大的信号，这特性叫增益。当晶体管于线性工作时，输出的信号与输入的讯息成比例，这时晶体管就成了一放大器。这是在模拟电路中的常用方式，例如电子放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路；当晶体管的输出不是完全关闭就是完全导通时，这时晶体管便是被用作开关使用。这种方式主要用于数字电路，例如数字电路包括逻辑门、随机存取内存（RAM）和微处理器。另外在开关电源中，晶体管也是以这种方式工作。

而以何种形式工作，主要取决于晶体管的特性及外部电路的设计。双极性晶体管的三个极，发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）; 射极到基极的微小电流，会使得发射极到集电极之间的阻抗改变，从而改变流经的电流；场效应晶体管的三个极，源极（Source）、闸（栅）极（Gate）和漏极（Drain）。在栅极与源极之间施加电压能够改变源极与漏极之间的阻抗，从而控制源极和漏极之间的电流。

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、发射极随隅器）。晶体管在应用上有许多要注意的最大额定值，例如最大电压、最大电流、最大功率。若在超额的状态下使用，会破坏晶体管内部的结构。每种型号的晶体管还有像是直流放大率hFE、NF噪讯比等特性，可以借由晶体管规格表得知。

技术指标

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

电流放大系数是指晶体管的输出电流与输入电流之比，反映了晶体管的放大能力。电流放大系数分为共射直流放大系数（β）和共基直流放大系数（α），它们之间的关系是：β=α/(1-α)。

耗散功率

耗散功率是指晶体管在工作时所消耗的功率，它决定了晶体管的温升和稳定性。耗散功率与集电极电流和集电极电压的乘积成正比，即P=IcVce。耗散功率不能超过晶体管的最大允许值，否则会导致晶体管损坏。

频率特性

频率特性是指晶体管对不同频率信号的放大能力，它受到晶体管内部结电容和寄生电感的影响。频率特性可以用特征频率（fT）来表示，它是指使共射交流电流放大系数降低到1的信号频率。特征频率越高，表明晶体管对高频信号的放大能力越强。

集电极最大电流

集电极最大电流是指使晶体管的直流放大系数明显下降的集电极电流值，它反映了晶体管的饱和程度。集电极最大电流与晶体管的结构和材料有关，一般在规格书中给出。

最大反向电压

最大反向电压是指使晶体管发生击穿现象的极间反向电压值，它反映了晶体管的耐压能力。最大反向电压与晶体管的结构和材料有关，一般在规格书中给出。

反向电流

反向电流是指在极间加反向电压时通过晶体管的微小电流，它反映了晶体管的漏电现象。反向电流与温度有关，温度越高，反向电流越大。反向电流越小，表明晶体管的性能越稳定。

特性

晶体管是一种半导体器件，可以用于放大或开关电信号和功率。晶体管的特性是指它在不同的工作状态下的电压、电流和功率之间的关系。晶体管的特性可以用图形或数学公式来表示，常见的有以下几种：

输入特性

指在固定的输出电压下，输入电压与输入电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，输入特性是基极-发射极电压V BE 与基极电流I B 之间的关系。输入特性反映了晶体管输入端的阻抗，也影响了晶体管的放大能力。

输出特性

指在固定的输入电流下，输出电压与输出电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，输出特性是集电极-发射极电压V CE 与集电极电流I C 之间的关系。输出特性反映了晶体管输出端的阻抗，也影响了晶体管的功率放大能力。

传输特性

指在固定的输出电压下，输入电流与输出电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，传输特性是基极电流I B 与集电极电流I C 之间的关系。传输特性反映了晶体管的电流放大能力，也称为电流放大系数或β值。

频率特性

指在不同的信号频率下，晶体管放大倍数或增益随频率变化的关系。频率特性反映了晶体管对高频信号的响应能力，也影响了晶体管在通信、数字和模拟电路中的应用范围。

分类

晶体管又称为晶体三极管，最常见的两种晶体管为场效应晶体管（FET）和双极性晶体管（BJT），常见的分类方法为：按材料分类（最早使用的分类）、按工作原理分类、按结构形式分类、按功率等级分类、按频率特性分类等。

按半导体材料分类

硅（Si）晶体管

硅是最常用的半导体材料，用于制造各种类型的晶体管，如双极型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）等。硅晶体管具有成本低、工艺成熟、可靠性高等优点，广泛应用于数字电路、模拟电路、功率电路等领域。

碳（C）晶体管

碳是一种具有多种同素异形体的元素，其中石墨烯和碳纳米管是两种具有潜在应用价值的二维和一维碳材料。基于石墨烯和碳纳米管的晶体管已经被实验制造出来，表现出高迁移率、高开关比、高频率等特性，有望用于超大规模集成电路、柔性电子器件、生物传感器等领域。

三五族半导体晶体管

三五族半导体是指由元素周期表第三族和第五族元素组成的化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碲化镉（CdTe）等。三五族半导体晶体管具有高电子迁移率、高频率、高温度稳定性等特性，适合用于微波、光电等领域。

有机半导体晶体管

有机半导体是指由碳和氢组成的有机分子或聚合物构成的半导体材料，如聚苯乙烯（P3HT）、富勒烯（C60）等。有机半导体晶体管具有低成本、易加工、可柔性等优点，可用于制造有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池、有机传感器等器件。

按工作原理分类

双极性晶体管（BJT）

双极性晶体管同时利用半导体中的多数载流子及少数载流子导通，因此得名。双极性晶体管是第一个量产的晶体管，是由二种不同接面的二极管组成，其结构可分为二层N型半导体中间夹一层P型半导体的NPN晶体管，以及二层P型半导体中间夹一层N型半导体的PNP晶体管[2]。因此会有二个PN结，分别是基极-发射结及基极-集电结，中间隔着一层的半导体，即为基极。双极性晶体管和场效应晶体管不同，双极性晶体管是低输入阻抗的器件。当基集电极电压（Vbe）提高时，集电极发射极电流（Ice）会依肖克基模型及艾伯斯-莫尔模型，以指数形式增加。因此双极性晶体管的跨导比FET要高。双极性晶体管也可以设计为受到光照射时导通，因为基极吸收光子会产生光电流，其效应类似基极电流，集电极电流一般是光电流的β倍，这类的晶体管一般会在封装上有一透明窗，称为光晶体管。

场效应晶体管（FET）

场效应晶体管利用电子（N沟道FET）或是空穴（P沟道FET）导通电流。场效应晶体管都有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个极，若不是结型场效应晶体管，还会有一极，称为体（body）。大部分的场效应晶体管中，体（body）会和源极相连。在场效应晶体管中，源漏极电流会流过连接源极和漏极之间的沟道，导通程度会依栅极和源极之间的电压产生的电场而定，因此可以利用闸源极电压控制源漏极电流，做为一个简单的开关。当闸源极电压Vgs变大时，若Vgs小于临界电压时，源漏极电流Ids会指数方式增加，若Vgs大于临界电压时，源漏极电流和闸源极电压会有以下的平方关系正比于，其中是临界电压。不过在一些现代的器件中，观察不到上述的平方特性，像是65纳米及以下沟道长度的器件。场效应晶体管可以分为两种：分别是结型场效应管（JFET）及绝缘栅极场效应管（IGFET），后者最常见的是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），其名称上反映了其原始以金属（栅极）、氧化物（绝缘层）及半导体组成的架构。结型场效应晶体管在源漏极之间形成了PN二极管。因此N沟道的JFET类似真空管的三极管，两者也都是运作在耗尽区，都有高输入阻抗，也都用输入电压来控制电流。

隧道晶体管（TFT）

隧道晶体管是一种利用量子隧穿效应来控制电流的器件，它有两种类型：共栅隧道晶体管（CGT）和共源隧道晶体管（CST）。隧道晶体管的三个极分别是发射极（E）、栅极（G）和集电极（C）。发射极到栅极之间存在一个势垒，当栅极施加一个负电压时，发射极的电子可以通过量子隧穿效应跨越势垒，从而形成集电极电流。隧道晶体管具有开关速度快、功耗低、灵敏度高等优点。

有机晶体管（OFET）

有机晶体管是一种利用有机半导体材料来构成导电通道的器件，它有两种类型：有机场效应晶体管（OFET）和有机双极性晶体管（OBT）。有机晶体管的三个极分别是源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。在栅极与源漏之间施加电压能够改变有机半导体层中的载流子浓度，从而控制源漏之间的电流。有机晶体管具有低成本、易加工、可柔性等优点。

按结构形式分类

点接触式晶体管

点接触式晶体管是最早的一种双极性晶体管，它由两个金属点接触在一块N型或P型半导体上构成。点接触式晶体管具有结构简单、制作方便的优点，但也存在稳定性差、噪声大、频率特性差等缺点，已经基本淘汰。

面接触式晶体管

面接触式晶体管是一种改进的双极性晶体管，它由两个金属片与一块N型或P型半导体紧密贴合构成。面接触式晶体管比点接触式晶体管具有更好的稳定性和频率特性，但仍存在漏电流大、寿命短等问题，已经很少使用。

异质结晶体管

异质结晶体管是一种利用不同半导体材料之间的异质结来实现电流控制的器件，它可以分为双极性异质结晶体管（HBT）和场效应异质结晶体管（HFET）。异质结晶体管具有高速、高频、低噪声、低功耗等优点，广泛应用于微波、光电、太赫兹等领域。

复合结构晶体管

复合结构晶体管是一种将双极性晶体管和场效应晶体管相结合的器件，它可以分为双极型场效应晶体管（BiFET）和双极型互补金属氧化物半导体场效应晶体管（BiCMOS）。复合结构晶体管兼具双极性晶体管和场效应晶体管的优势，能够实现高速、高集成度、低功耗等性能，适合用于模拟和数字混合信号处理。

按功率等级分类

小功率晶体管

小功率晶体管是指集电极最大耗散功率在1W以下的晶体管，它们通常用于低频、中频、高频的信号放大、振荡、调制等电路中。小功率晶体管的特点是结构简单、价格低廉、工作稳定，但不能承受较大的电流和电压。小功率晶体管的常见封装形式有TO-92、TO-18、SOT-23等。

中功率晶体管

中功率晶体管是指集电极最大耗散功率在1W~10W之间的晶体管，它们通常用于中频、高频的信号放大、开关、稳压等电路中。中功率晶体管的特点是结构较复杂、价格适中、工作可靠，能承受较大的电流和电压。中功率晶体管的常见封装形式有TO-126、TO-220、TO-3P等。

大功率晶体管

大功率晶体管是指集电极最大耗散功率在10W以上的晶体管，它们通常用于高频、超高频的信号放大、开关、调制等电路中。大功率晶体管的特点是结构复杂、价格昂贵、工作效率高，能承受很大的电流和电压。大功率晶体管的常见封装形式有TO-3、TO-247、TO-264等。

按频率特性分类

低频晶体管

低频晶体管是指工作频率在几十千赫兹以下的晶体管，它们通常用于音频信号的放大、调制、检波等电路中。低频晶体管的特点是结构简单、成本低、噪声小、线性度好，但不能适应高速信号的处理。低频晶体管的常见类型有普通双极性晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。

中频晶体管

中频晶体管是指工作频率在几十千赫兹到几百兆赫兹之间的晶体管，它们通常用于中频信号的放大、振荡、混频、变频等电路中。中频晶体管的特点是结构较复杂、成本适中、速度较快、频率特性较好，但噪声较大，线性度较差。中频晶体管的常见类型有高速双极性晶体管（HBT）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等。

高频晶体管

高频晶体管是指工作频率在几百兆赫兹到几千兆赫兹之间的晶体管，它们通常用于高频信号的放大、振荡、调制、检波等电路中。高频晶体管的特点是结构复杂、成本高、速度快、噪声小、功率大，但线性度极差，需要特殊的设计和匹配。高频晶体管的常见类型有砷化镓双极性晶体管（GaAs HBT）、化镓场效应晶体管（GaAs FET）、碳化硅双极性晶体管（SiC BJT）、碳化硅场效应晶体管（SiC FET）等。

按应用分类

信号放大晶体管

信号放大晶体管是指用于放大微弱的电信号的晶体管，它们通常工作在线性区，以保持信号的波形不变。信号放大晶体管的特点是输入阻抗高、输出阻抗低、增益高、失真小、频带宽等。信号放大晶体管的常见类型有双极性晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。

开关晶体管

开关晶体管是指用于控制电路的开关状态的晶体管，它们通常工作在饱和区或截止区，以实现电流的通断。开关晶体管的特点是开关速度快、功耗低、驱动电压小、寿命长等。开关晶体管的常见类型有绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、功率MOSFET等。

功率放大晶体管

功率放大晶体管是指用于放大较大的电功率的晶体管，它们通常工作在非线性区，以提高效率。功率放大晶体管的特点是输入阻抗低、输出阻抗高、增益低、失真大、散热量大等。功率放大晶体管的常见类型有硅掺杂碳化硅双极性晶体管（SiC BJT）、碳化硅场效应晶体管（SiC FET）、砷化镓双极性晶体管（GaAs HBT）、砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）等。