探索晶體管背后的技術

晶體管，一種能夠對電流或電壓放大和控制的器件，是上個世紀所發明的一種最重要的器件，是引領整個信息時代最重要的一種器件，被稱作信息時代的‘神經細胞’，不夸張地說，它是現代文明的基石。

計算機歷史博物館的首席執行官John O’Toole說：“沒有晶體管這個現代微電子技術的基本構建塊，就不會有今天計算機產業的蓬勃發展?！?/p>

貝爾實驗室名譽總裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中寫道晶體管的發明“使我們的社會發生了偉大變革，這場變革的深遠意義不亞于鋼鐵的發現、蒸汽機的發明以及英國工業革命?！?/p>

晶體管的誕生

晶體管的發明工作始于新澤西的默里山，在這里科學家們正在尋找電子管的替代品。電子管雖然能夠放大音樂和語音，并使長途通話在 20 世紀上半葉成為現實，但問題在于電子管功耗大，產生的熱量過多，且極易燒壞。

最早追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。

基于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就想辦法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與半導體礦石表面相接觸的金屬絲，它既能讓信號電流沿一個方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。

1936年，在號稱"工程師的搖籃"的美國麻省理工學院，一位不速客悄悄推開了博士生肖克利的房門。來者自報家門，說明他來自貝爾實驗室，名叫凱利。肖克利吃了一驚，他久聞這位著名物理學家的大名。

"小伙子，愿意來貝爾實驗室工作嗎?"凱利快人快語，毫不掩飾自己來麻省"挖人"的意圖。凱利的話使肖克利怦然心動。貝爾實驗室在電子學方面開展著世界上規模最大的基礎研究，發明專利的注冊已達近萬項之多。畢業后，肖克利毫不遲疑地打點行裝，來到了新澤西。

貝爾實驗室里早就有位青年人---布拉頓。布拉頓先后取得過理學碩士和哲學博士學位，從1929年起就加盟貝爾實驗室。肖克利專攻理論物理，布拉頓則擅長實驗物理，知識結構相得益彰，大有相見恨晚的感覺。工作之余，他們也常聚在一起"侃大山"。凡是涉及到當時電子學中的熱門話題無話不談。直到有一天，肖克利講到一種"礦石"時，思想碰撞的火花終于引燃了"鏈式反應"。肖克利說："有一類晶體礦石被人們稱為半導體，比如鍺和硅等等，它們的導電性并不太好，但有一些很奇妙的特性，說不定哪天它們會影響到未來電子學的發展方向。"布拉頓心領神會，連連點頭。

如果不是第二次世界大戰爆發，肖克利和布拉頓或許更早就"挖掘"到了"珍寶"，然而，戰爭畢竟來臨了，肖克利和布拉頓先后被派往美國海軍部從事軍事方面的研究，剛剛開始的半導體課題遺憾地被戰火中斷。

1945年，戰火硝煙剛剛消散，肖克利一路風塵趕回貝爾，并帶來了另一位青年科學家巴丁。巴丁是普林斯頓大學的數學物理博士，擅長固體物理學。巴丁的到來，對肖、布的后續研究如虎添翼，他淵博的學識和固體物理學專長，恰好彌補了肖克利和布拉頓知識結構的不足。貝爾實驗室迅速批準固體物理學研究項目上馬，凱利作為決策者在課題任務書上簽署了大名。由肖克利領銜，布拉頓、巴丁等人組成的半導體小組把目光盯住了那些特殊的"礦石"。肖克利首先提出了"場效應"半導體管實驗方案，然而首戰失利，他們并沒有發現預期的那種放大作用。

他們經過一系列的實驗和觀察，逐步認識到半導體中電流放大效應產生的原因。在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產生很大的影響，這就是“放大”作用。

布拉頓等人還想出有效的辦法來實現這種放大效應。他們在基極和發射極之間輸入一個弱信號，在基極和集電極之間的輸出端，就放大為一個強信號了。在現代電子產品中，上述晶體三極管的放大效應得到廣泛的應用。

巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數為50左右。不久之后，他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點，來代替金箔接點，制造了“點接觸型晶體管”。1947年12月，這個世界上最早的實用半導體器件終于問世了，在首次試驗時，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。

1947年的圣誕節即將來臨，這天晌午時分，布拉頓和巴丁不約而同地走進實驗室。在此之前，由于有巴丁固體表面態理論的指導，他倆幾乎接近了成功的邊緣。實驗表明，只要將兩根金屬絲的接觸點盡可能地靠近，就可能引起半導體放大電流的效果。但是，如何才能在晶體表面形成這種小于0.4毫米的觸點呢?布拉頓精湛的實驗技藝開始大顯神威。他平穩地用刀片在三角形金箔上劃了一道細痕，恰到好處地將頂角一分為二，分別接上導線，隨即準確地壓進鍺晶體表面的選定部位。

電流表的指示清晰地顯示出，他們得到了一個有放大作用的新電子器件!布拉頓和巴丁興奮地大喊大叫起來，聞聲而至的肖克利也為眼前的奇跡感到格外振奮。布拉頓在筆記本上這樣寫道："電壓增益100，功率增益40……實驗演示日期1947年12月23日下午。"作為見證者，肖克利在這本筆記上鄭重地簽了名。

在為這種器件命名時，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”的轉移電流來工作的，于是取名為trans-resister(轉換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

1948年，美國專利局批準了貝爾實驗室這種被命名為晶體管的發明專利。然而，專利書上的發明人只列著布拉頓和巴丁。肖克利看后，一笑置之，表現出真正的"大將風度"。

點接觸型晶體管有自己的缺點，它存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄，另外制造工藝復雜，致使許多產品出現故障等缺點。為了克服以上缺點，肖克萊提出了用一種"整流結"來代替金屬半導體接點的大膽設想。此后，肖克利一舉攻克晶體管中的另一座"堡壘"：他發明了一種"結型晶體管"，離布拉頓和巴丁發明"點接觸型晶體管"的時間僅隔一年。人們后來知道，結型晶體管才是現代晶體管的正宗始祖，它不僅預示著半導體技術的發展方向，而且是肖克利堅韌不拔的精神體現，以致有人詼諧地給它起了個綽號叫"堅持管"。

1950年，第一只“面結型晶體管”問世。它的性能與原來設想的完全一致。

1954年，貝爾實驗室使用800支晶體管組裝成功人類有史以來第一臺晶體管計算機TRADIC。

集成電路的發明

諾貝爾物理學獎得主杰克·基爾比先生是集成電路的發明者、手持計算器的發明人之一。他的發明奠定了現代微電子技術的基礎，可以說如果沒有集成電路的發明，就不會有今天的計算機，人類還將在信息時代的門外徘徊。我們生活中所能見到的各種電子，幾乎無一例外都是建立在集成電路技術基礎上的。

杰克·基爾比剛被聘用到德州儀器公司時，公司并沒有對杰克·基爾比的工作職責進行具體劃分。在德州儀器公司工作后不久杰克·基爾比就開始意識到，由于公司制造電阻器、晶體管和電容器，如果對其產品進行重新組裝可能會生產出更有效的微型模塊產品。因此，杰克·基爾比設計了一個使用管狀部件的IF放大器，而且做出了原型。杰克·基爾比利用員工周末和工廠停工的前幾天完成了詳細的成本分析。

杰克·基爾比對IF放大器的試驗效果進行認真思考。通過進行成本分析，杰克·基爾比第一次更清楚的了解到半導體車間的成本結構。數字很高——非常高。杰克·基爾比覺得如果他不能盡快地想出一個好的辦法，那么在假期結束后，就有可能會分配他比去做微型模塊項目提案的工作。在心情萬分沮喪的時候，杰克·基爾比開始感覺到，半導體車間唯一可以以高成本效益方式制造的產品就是半導體。經過進一步思考，他得出這樣的結論，真正需要的實際上就是半導體——電阻器和電容器，于是杰克·基爾比很快起草了一個使用這些部件的觸發器的設計提案。具體說來，可以用與有源設備相同的材料來制造。用硅的體效應來提供電阻器，而電容器則通過p-n結來提供。

杰克·基爾比很快就完成了這些草圖，并用非連續硅元素制造了一條電路，其中使用了打包的成熟結晶體管。電阻器是通過在硅上鑿出小條并蝕刻上值后做出來的。電容器是在散布式硅功率電容器晶片上鑿出來并用金屬處理兩側。整個電路組裝完成，并于1958年8月28日向公司進行了演示。

我們可以說微芯片是歷史上最重大的發明之一，它為無數的其它發明鋪平了道路。在過去的40年里，杰克·基爾比已經看到他的發明改變了世界。杰克·基爾比是為數不多的幾個人之一，他可以環顧世界并對自己說：“我改變了世界”。

晶體管的結構特性

晶體管的結構

晶體管內部由兩PN結構成，其三個電極分別為集電極(用字母C或c表示)，基極(用字母B或b表示)和發射極(用字母E或e表示)。如圖5-4所示，晶體管的兩個PN結分別稱為集電結(C、B極之間)和發射結(B、E極之間)，發射結與集電結之間為基區。

根據結構不同，晶體管可分為PNP型和NPN型兩類。在電路圖形符號上可以看出兩種類型晶體管的發射極箭頭(代表集電極電流的方向)不同。PNP型晶體管的發射極箭頭朝內，NPN型晶體管的發射極箭頭朝外。

三極管各個電極的作用及電流分配

晶體管三個電極的電極的作用如下：

1、發射極(E極)用來發射電子;

2、基極(B極)用來控制E極發射電子的數量;

3、集電極(C極)用業收集電子。

4、晶體管的發射極電流IE與基極電流IB、集電極電流IC之間的關系如下：IE=IB+IC

晶體管的工作條件

晶體管屬于電流控制型半導體器件，其放大特性主要是指電流放大能力。所謂放大，是指當晶體管的基極電流發生變化時，其集電極電流將發生更大的變化或在晶體管具備了工作條件后，若從基極加入一個較小的信號，則其集電極將會輸出一個較大的信號。

晶體管的基本工作條件是發射結(B、E極之間)要加上較低的正向電壓(即正向偏置電壓)，集電結(B、C極之間)要加上較高的反向電壓(即反向偏置電壓)。

晶體管發射結的正向偏置電壓約等于PN結電壓，即硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V。集電結的反向偏置電壓視具體型號而定。

晶體管的工作狀態

晶體管有截止、導通和飽和三種狀態。

1、在晶體管不具備工作條件時，它處截止狀態，內阻很大，各極電流幾乎為0。

2、當晶體管的發射結加下合適的正向偏置電壓、集電結加上反向偏置電壓時，晶體管導通，其內阻變小，各電極均有工作電流產生(IE=IB+IC)。適當增大其發射結的正向偏置電壓、使基極電流IB增大時，集電極電流IC和發射極電流IE也會隨之增大。

3、當晶體管發射結的正向偏置電壓增大至一定值(硅管等于或略高于0.7V，鍺管等于或略高于0.3V0時，晶體管將從導通放大狀態進入飽和狀態，此時集電極電流IC將處于較大的恒定狀態，且已不受基極電流IB控制。晶體管的導通內阻很小(相當于開關被接通)，集電極與發射極之間的電壓低于發射結電壓，集電結也由反偏狀態變為正偏狀態。

高頻晶體管

高頻晶體管(指特征頻率大于30MHZ的晶體管)可分為高頻小功率晶體管和高頻大功率晶體管。

常用的國產高頻小功率晶體管有3AG1~3AG4、3AG11~3AG14、3CG3、3CG14、3CG21、3CG9012、3CG9015、3DG6、3DG8、3DG12、3DG130、3DG9011、3DG9013、3DG9014、3DG9043等型號。

常用的進口高頻小功率晶體管有2N5551、2N5401、BC148、BC158、BC328、BC548、BC558、9011~9015、S9011~S9015、TEC9011~TEC9015、2SA1015、2SC1815、2SA562、2SC1959、2SA673、2SC1213等型號。

高頻中、大功率晶體管一般用于視頻放大電路、前置放大電路、互補驅動電路、高壓開關電路及行推動等電路。

常用的國產高頻中、大功率晶體管有3DG41A~3DG41G、3DG83A~3DG83E、3DA87A~3DA87E、3DA88A~3DA88E、3DA93A~3DA93D、3DA151A~3DG151D、3DA1~3DA5、3DA100~3DA108、3DA14A~3DA14D、3DA30A~3DA30D、3DG152A~3DG152J、3CA1~3CA9等型號。

常用的進口高頻中、大功率晶體管有2SA634、2SA636、2SA648A、2SA670、2SB940、2SB734、2SC2068、2SC2258、2SC2371、2SD1266A、2SD966、2SD8829、S8050、S8550、BD135、BD136等型號。

超高頻晶體管

超高頻晶體管也稱微波晶體管，其頻率特性一般高于500MHZ，主要用于電視、雷達、導航、通信等領域中處理微波波段(300MHZ以上的頻率)的信號。

常用的國產超高頻晶體管有3AG95、3CG15A~3CG15D、3DG56(2G210)、3DG80(2G211、2G910)、3DG18A~3DG18C、2G711A~2G711E、3DG103、3DG112、3DG145~3DG156、3DG122、3DG123、3DG130~3DG132、3DG140~3DG148、3CG102、3CG113、3CG114、3CG122、3CG132、3CG140、3DA89、3DA819~3DA823等型號。

進口超高頻晶體管 常用的進口超高頻晶體管有2SA130、2SA1855、2SA1886、2SC286~2SC288、2SC464~2SC466、2SD1266、BF769、BF959等型號。

中、低頻晶體管

低頻晶體管的特征頻率一般低于或等于3MHZ，中頻晶體管的特征頻率一般低于30MHZ。

中、低頻小功率晶體管：中低頻小功率晶體管主要用于工作頻率較低、功率在1W以下的低頻放大和功率放大等電路中。

常見的國產低頻小功率晶體管有3AX1~3AX15、3AX21~3AX25、3AX31、3BX31、3AX81、3AX83、3AX51~3AX55、3DX200~3DX204、3CX200~3CX204等型號，表5-7是各管的主要參數。

常用的進口中、低頻小功率晶體管有2SA940、2SC2073、2SC1815、2SB134、2SB135、2N2944~2N2946等型號。

中、低頻大功率晶體管：中、低頻大功率晶體管一般用在電視機、音響等家電中作為電源調整管、開關管、場輸出管、行輸出管、功率輸出管或用在汽車電子點火電路、逆變器、不間斷電源(UPS)等系統中。

常用的國產低頻大功率晶體管有3DD102、3DD14、3DD15、3DD52、DD01、DD03、D74、3AD6、3AD30、3DA58、DF104等型號。

常用的進口中、低頻大功率晶體管有2SA670、2SB337、2SB556K、2SD553Y、2SD1585、2SC1827、2SC2168、BD201~BD204等型號。

互補對管

為了提高功率放大品的輸出功率和效率，減小失真，功率放大器通常采用推挽式功率放大電路，即由兩只互補晶體管分別放大一個完整正弦波的正、負半周信號。這要求兩只互補晶體管的材料相， ，性能參數(例如耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、最高反向電壓VCBO、電流放大系數hFE、特征頻率fT等)也要盡可能一致使用前應進行挑選“配對”。

互補對管一般采用異極性對管，即兩只晶體管一只為NPN型管，另一只為PNP型管。

開關晶體管

開關晶體管是一種飽和與截止狀態變換速度較快的晶體管，廣泛應用于各種脈沖電路、開關電路及功率輸出電路中。

開關晶體管分為小功率開關晶體管和高反壓大功率開關晶體管等。

1、小功率開關晶體管：小功率開關晶體管一般用于高頻放大電路、脈沖電路、開關電路及同步分離電路等。常用的國產小功率開關晶體管有3AK系列3CK系列和3DK系列。

2、高反壓大功率開關晶體管：高反壓大功率開關晶體管通常均為硅NPN型，其最高反向電壓VCBO高于800V，主要用于彩色電視機、電腦顯示器中作開關電源管、行輸出管或用于汽車電子點火器、電子鎮流器、逆變器、不間斷電源(UPS)等產品中。

常用的高反壓大功率開關晶體管有2SD820、2SD850、2SD1401、2SD1403、2SD1432~2SD1433、2SC1942等型號。

帶阻尼行輸出管

帶阻尼行輸出管是將高反壓大功率開關晶體管與阻尼二極管、保護電阻封裝為一體構成的特殊電子器件，主要用于彩色電視機或電腦顯示器中。帶阻尼行輸出管有金屬封裝(TO-3)和塑封(TO-3P)兩種封裝形式。

差分對管

差分對管也稱孿生對管或一體化差分對管，它是將兩只性能參數相同的晶體管封裝在一起構成的電子器件，一般用在音頻放大器或儀器、儀表中作差分輸入放大管。

差分對管有NPN型和PNP型兩種結構。常見的國產NPN型差分對管有3DG06A~3DG06D等型號。PNP型差分對管有3CSG3、ECM1A等型號。

常見的進口NPN型差分對管有2SC1583等型號，PNP型差分對管有2SA798等型號。

達林頓管

達林頓管也稱復合晶體管，具有較大的電流放大系數及較高的輸入阻抗。它又分為普通達林頓管和大功率達林頓管。

1.普通達林頓管：普通達林頓管通常由兩只晶體管或多只晶體管復合連接而成，內部不帶保護電路，耗散功率在2W以下。

普通達林頓管一般采用TO-92塑料封裝，主要用于高增益放大電路或繼電器驅動電路等。常用的普通達林頓管有PN020、MP-SA6266等型號。

2.大功率達林頓管：大功率達林頓管在普通達林頓管的基礎上，增加了由泄放電阻和續流二極管組成的保護電路，穩定性較高，驅動電流更大。

大功率達林頓管一般采用TO-3金屬封裝或采用TO-126、TO-220、TO-3P等外形塑料封裝，主要用于音頻功率放大、電源穩壓、大電流驅動、開關控制等電路。

帶阻晶體管

帶阻晶體管是將一只或兩只電阻器與晶體管連接后封裝在一起構成的，作反相器或倒相器，廣泛應用于電視機、影碟機、錄像機等家電產品中。其封裝外形有EM3、UMT、SST(美國或歐洲SOT-23)、SMT(SC-59/日本SOT-23)、MPT(SOT-89)、FTR和TO-92等，耗散功率為150~400mW。

1.帶阻晶體管的電路圖形符號及文字符號：帶阻晶體管目前尚無統一標準符號，在不同廠家的電子產品中電路圖形符號及文字符號的標注方法也不一樣。例如，日立、松下等公司的產品中常用字母“QR”來表示，東芝公司用字母“RN”來表示，飛利浦及NEC(日電)等公司用字母“Q”表示，還有的廠家用“IC”表示，國內電子產品中可以使用晶體管的文字符號，即用字母“V”或“VT”來表示。

2.常用的帶阻晶體管：常用的進口帶阻三極管有DTA系列、DTB系列、DTC系列、DTD系列、MRN系列、RN系列、UN系列、KSR系列、FA系列、FN系列、GN系列、GA系列、HC系列、HD系列、HQ系列、HR系列等多種。常用的國產帶阻晶體管有GR系列等。

光敏三極管

光敏三極管是具有放大能力的光-電轉換三極管，廣泛應用于各種光控電路中。

在無光照射時，光敏三極管處于截止狀態，無電信號輸出。光當信號照射其基極(受光窗口)時，光敏三極管將導通，從發射極或集電極輸出放大后的電信號。

1.光敏三極管的外形及符號：光敏三極管在電路中的文字符號與普通三極管相同，用字母“V”或“VT”表示。

光敏三極管有塑封、金屬封裝(頂部為玻璃鏡窗口)環氧樹脂、陶瓷等多種封裝結構，引腳也分為兩腳和三腳型。

2.常用的光敏三極管：常用的國產光敏三極管以硅NPN型為主有3DU11~3DU13、3DU21~3DU23、3DU31~3DU33、3DU51A~3DU51C、3DU51~3DU54、3DU111~3DU113、3DU121~3DU123~3DU131~3DU133、3DU311~3DU333、3DU411~3DU433、3DU80等型號。

磁敏三極管

磁敏三極管是一種對磁場敏感的磁-電轉換器件，它可以將磁信號轉換成電信號。

常見的磁敏三極管有3CCM和4CCM等型號。3CCM采用雙極型結構，具有正、反向磁靈敏度極性，有確定的磁敏感面(通常用色點標注)。磁敏三極管一般用于電動機轉速控制、防盜等各種磁控電路中。

恒流三極管

恒流三極管是一種可以調節和穩定電流的特殊器件。它的三個電極分別是陽極(正極)A陰極(負極)C和控制極G。

恒流三極管一般用于限流保護和恒流標準電源，也可在直流電源等電路中作恒流器件。常用的恒流三極管有3DH010~3DH050等型號，其恒流范圍為5~500Ma，工作電壓為5~80V。

審核編輯：黃飛