什么是晶體管？又是如何工作的？

令人驚訝的是，首個(gè)可運(yùn)行晶體管于 1947 年 12 月 23 日面世，距今已有 70 年！1晶體管或許是人們發(fā)明的最具革命性的元器件之一。它的出現(xiàn)為集成電路、微處理器以及計(jì)算機(jī)內(nèi)存的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

在本文中，我們將討論以下內(nèi)容；

何為晶體管？

晶體管又稱雙極結(jié)型晶體管 (BJT)，是由電流驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體器件，用于控制電流的流動(dòng)，其中，基極引線中的較小電流控制集電極和發(fā)射極之間較大的電流。它們能用于放大弱信號(hào)，用作振蕩器或開(kāi)關(guān)。

晶體管通常由硅晶體制成，采用N和P型半導(dǎo)體層相互夾合形式。見(jiàn)下圖 1。

圖 1：圖 1a 展示了2N3904 TO-92剖視圖，展示了連接到硅基的 E - 發(fā)射極、B - 基極和 C – 集電極引線。圖 1b 摘自 1958 年 5 月的 Radio-Electronics 雜志2，圖中顯示了 N 和 P 型層片及其排列情況（當(dāng)時(shí)使用的是鍺材料）。

晶體管密閉并封裝在塑料或金屬圓柱形外殼中，帶有三根引線（圖 2）。

圖 2：各種流行封裝類(lèi)型及尺寸對(duì)比。

晶體管如何工作？

我們將以 NPN 晶體管為例，來(lái)說(shuō)明晶體管的工作原理。要了解這類(lèi)元件如何作為開(kāi)關(guān)運(yùn)作，方法很簡(jiǎn)單，即想像水流流經(jīng)閥門(mén)控制的水管即可。水壓代表“電壓”，流經(jīng)水管的水流代表“電流”（圖 3）。大水管代表集電/發(fā)射結(jié)，中間由閥門(mén)隔開(kāi)，圖中閥門(mén)以灰色橢圓形表示，像一塊活動(dòng)的擋板，由代表基極的小水管中的水流進(jìn)行致動(dòng)。閥門(mén)保持從集電極到發(fā)射極的水壓。當(dāng)水流流經(jīng)較小的水管（基極）時(shí)，將打開(kāi)集電/發(fā)射結(jié)之間的閥門(mén)，讓水流經(jīng)過(guò)發(fā)射極流向地面（地面表示所有水或電壓/電流的回路）。

圖 3：該圖以圖形化的方式說(shuō)明了晶體管的工作原理。當(dāng)水流流經(jīng)小水管（基極）時(shí)，將打開(kāi)集電/發(fā)射結(jié)之間的閥門(mén)，讓水流經(jīng)過(guò)發(fā)射極流向地面。

為您的應(yīng)用選擇晶體管

如果只是想要打開(kāi)電路或是開(kāi)啟負(fù)載，您應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點(diǎn)。確定您是想要通過(guò)正電流還是負(fù)電流（即分別為 NPN 或 PNP 類(lèi)型）來(lái)偏置或激勵(lì)晶體管開(kāi)關(guān)。NPN晶體管由在基極偏置的正電流驅(qū)動(dòng)（或打開(kāi)），以控制從集電極到發(fā)射極的電流。PNP型晶體管由在基極偏置的負(fù)電流驅(qū)動(dòng)，以控制從發(fā)射極到集電極的電流。（注意，PNP 極性與 NPN 相反。）更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)下圖 4。

圖 4：各晶體管類(lèi)型的原理圖符號(hào)。

確定偏置電壓后，所需的下一個(gè)變量是負(fù)載工作所需的電壓和電流量。這些變量將成為晶體管的最小額定電壓和電流。下表 1 和 2 提供了一些常見(jiàn)晶體管及其主要規(guī)格，包括其電壓和電流限制。

晶體管，NPN 和 PNP，引線式和表面貼裝式

表 1.常見(jiàn)引線式和表面貼裝式 NPN 和 PNP 晶體管。

晶體管，NPN 和 PNP，金屬圓柱形封裝

表 2.常見(jiàn)金屬圓柱形封裝的 NPN 和 PNP 晶體管。

晶體管電路示例

下圖 5 顯示的電路示例，通過(guò)激勵(lì)基極打開(kāi)集射結(jié)，或者通過(guò)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)向基極施加 5 伏電壓從而偏置晶體管以將其打開(kāi)。該示例將點(diǎn)亮作為負(fù)載使用的 LED。偏置基極時(shí)，需正確使用電阻器以防止過(guò)電流。我在試驗(yàn)板中使用引線零件測(cè)試我的示例電路。多數(shù)工程師在要上市的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用晶體管時(shí)，會(huì)使用表面貼裝元器件（比 TO-92 封裝尺寸小許多）。此處鏈接將展示3904 晶體管的各種封裝尺寸。

由于 2N3904 是 NPN 晶體管，所以基極需要正偏置（適當(dāng)?shù)碾妷弘娖胶?a target="_blank">電阻）才能打開(kāi)集射結(jié)，以獲得合適的電流。此外，負(fù)載電阻器 (R1) 的使用也很重要，如此 LED 和晶體管中就不會(huì)有過(guò)多的電流經(jīng)過(guò)。關(guān)于此晶體管的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)2N3904 規(guī)格書(shū)。

圖 5：使用EG1218滑動(dòng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)亮 LED 的 2N3904 電路示例，包括 C（集電極）、E（發(fā)射極）和 B（基極）引腳（圖形用 Scheme-it 繪制）。

圖 6 是使用 PNP 晶體管的夜燈電路示例。要查看此電路的詳細(xì)信息，請(qǐng)打開(kāi)Digi-Key 的工程百科網(wǎng)站鏈接并搜索 PNP 夜燈。

圖 6：使用PDV-P5003光電管點(diǎn)亮 LED 的 2N3906 夜燈電路示例（圖形用 Scheme-it 繪制）

晶體管發(fā)明簡(jiǎn)史

晶體管的出現(xiàn)是從何開(kāi)始的？這說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，我將從電話的發(fā)明說(shuō)起。到底是誰(shuí)真正發(fā)明了第一個(gè)能使用的電氣原型，許多人會(huì)有不同的見(jiàn)解；不過(guò)，毫無(wú)爭(zhēng)議的是，Alexander Graham Bell 在 1876 年 3 月 7日取得了第一個(gè)專利3，并隨后成立了美國(guó)電話電報(bào)公司 (aka AT&T)。1894 年1前后，Bell 的專利到期。雖然 AT&T 從一開(kāi)始直到 20 世紀(jì)初都主宰著電話市場(chǎng)，但 AT&T 的客戶不斷被新成立的其它公司搶走。因此，AT&T 意識(shí)到繼續(xù)掌控并擴(kuò)大電話市場(chǎng)的必要性。1909 年，AT&T 總裁 Theodore Vail1想要讓電話傳輸橫跨大陸（紐約到加州）。但要做到這點(diǎn)，他們需要高質(zhì)量的放大器或中繼器來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)。早在 1906 年，Lee De Forest 借鑒了 John A. Fleming 的成果（Fleming 根據(jù) Thomas Edison 的成果發(fā)明了一個(gè)叫作“振蕩管”的真空管器件，用于檢測(cè)無(wú)線電波），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，從而產(chǎn)生了三極管——一種可用作放大器的低效 3 端子真空管。1912 年，Western Electric Company（AT&T 的制造商）的 Harold Arnold 邀請(qǐng) Forest 展示他的發(fā)明。雖然 Forest 的三極管可在低壓下工作，但為了制作能有效長(zhǎng)距離傳輸聲音的中繼器，Arnold 需要三極管能在更高電壓下工作。Arnold 認(rèn)為他能制造出更好的三極管，因此雇用了科學(xué)家來(lái)研究該器件的工作原理以及改進(jìn)方法。1913 年 10 月，他成功了。不久之后，電話線開(kāi)始大面積安裝。AT&T 多年來(lái)一直雇用頂級(jí)科學(xué)家進(jìn)行各種研究，在這方面的投資使之意識(shí)到，深入的研究能讓他們具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此在 1925 年，成立了“貝爾電話實(shí)驗(yàn)室”。

要讓電話線保持正常運(yùn)作，需要成千上萬(wàn)的真空管和繼電器。然而，真空管功耗高、體積大，而且經(jīng)常燒壞。Bell 實(shí)驗(yàn)室的研究主任 Mervin Kelly 從二戰(zhàn)時(shí)晶體整流器（用于啟用雷達(dá)）的技術(shù)發(fā)展中獲得啟發(fā)，他感到要?jiǎng)?chuàng)造一種元器件來(lái)替代昂貴且不可靠的真空管，答案可能就在半導(dǎo)體（一種固態(tài)器件）身上。Kelly 找到實(shí)驗(yàn)室中優(yōu)秀的物理學(xué)家之一 William Shockley，向他闡述了自己對(duì)于通過(guò)線路傳輸聲音的元器件的改進(jìn)見(jiàn)解。Kelly 表示，如果有一天有噪聲的機(jī)械繼電器和功耗大的真空管被固態(tài)電子器件替代，將是一件非常令人高興的事。這個(gè)想法一直縈繞在 Shockley 心中，并且成為了他的主要目標(biāo)。Kelly 讓 Shockley 負(fù)責(zé)找到實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的方法。

雖然他是個(gè)杰出的理論家，但卻并不擅長(zhǎng)將他的想法變成現(xiàn)實(shí)。Shockley 多次嘗試想要證實(shí)他的理論，也就是通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)電子轉(zhuǎn)移理論，激勵(lì)半導(dǎo)體上方的板片，從而將半導(dǎo)體的兩側(cè)連接起來(lái)。他沒(méi)有成功。失望之余，他找到 Bell 實(shí)驗(yàn)室的另外兩位物理學(xué)家 John Bardeen（精通半導(dǎo)體電子理論）和 Walter Brattain（擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的原型設(shè)計(jì)和使用）尋求幫助。之后他們加入了他的團(tuán)隊(duì)。Shockley 同意這兩人組成團(tuán)隊(duì)自行開(kāi)展研究。多年來(lái)他們進(jìn)行了多次嘗試，想要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)理論，但均以失敗告終。他們仔細(xì)檢查了計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果理論上應(yīng)該是可行的。后來(lái)，Bardeen 和 Brattain 打破定式思維，用硅和鍺薄片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，嘗試讓場(chǎng)效應(yīng)起作用。1947 年的秋天，當(dāng) Brattain 遇到了半導(dǎo)體表面凝結(jié)水的困難時(shí)，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。他沒(méi)有讓水干燥，反而在硅的頂部滴水并激勵(lì)上方的板片，終于觀察到了放大效應(yīng)。水滴幫助解決了表面勢(shì)壘的問(wèn)題從而有助于形成電子流，但作用太小，不能清晰將聲音信號(hào)成功放大為傳輸聲音所需的程度。

1947 年 12 月（世人稱為奇跡月），他們想到取消場(chǎng)效應(yīng)間隙、去掉水，并制造金觸點(diǎn)接觸半導(dǎo)體的方法。他們改用在當(dāng)時(shí)更容易處理的鍺，并在鍺上使用天然形成的薄氧化膜將其絕緣。然而，隨后進(jìn)行的多次試驗(yàn)均未成功。到了 12 月中旬，出于偶然，Walter Brattain 無(wú)意間沖洗掉了氧涂層，使得金觸點(diǎn)直接接觸到鍺！成功了?。?！他觀察到了良好的放大效應(yīng)，晶體管起作用了。電子并未按 Shockley 的場(chǎng)效應(yīng)理論假設(shè)的那樣被拉到半導(dǎo)體表面，Brattain/Bardeen 反而發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用金觸點(diǎn)接觸半導(dǎo)體，他們將空穴注入半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)電流流動(dòng)。大約在 1947 年的 12 月中旬，他們?cè)?Shockley 不知情的情況下開(kāi)始制作可運(yùn)作的原型。Brattain 找到一塊三角形塑料片，將金箔圍到塑料片的斜邊上，并在其三角頂點(diǎn)上開(kāi)了一條刀片細(xì)的縫。這是非常原始的原型設(shè)計(jì)。他們用回形針制成彈簧將三角形塑料片壓入薄銅板上方的薄鍺半導(dǎo)體上，三角形塑料片兩端各有一根引線。如果愿意，鍺片下的銅板可作為第三根引線（圖7）使用。最后制成了稱作點(diǎn)接觸晶體管的原型。

Brattain 和 Bardeen 給 Shockley 打電話，告訴他這個(gè)好消息。我的研究表明 Shockley 當(dāng)時(shí)心情復(fù)雜，一方面對(duì)于試驗(yàn)的成功他感到高興，但又失望不是自己直接創(chuàng)造了它。1947 年 12 月 23日，距其突破發(fā)現(xiàn)一周后，他們向 Shockley 的上司進(jìn)行了展示（公開(kāi)宣布是在 1948 年 6 月 30 日）。后來(lái)拍了照片以紀(jì)念這具有歷史意義的時(shí)刻（圖 8）。Shockley 清楚點(diǎn)接觸晶體管易碎，不易走向工業(yè)生產(chǎn)，所以他（獨(dú)自）竭盡全力對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。Shockley 拼命工作，嘗試以自己的方式解決此問(wèn)題……他通過(guò)將半導(dǎo)體材料分層放置，使晶體管集成度更高，并在過(guò)程中記錄想法。他進(jìn)行了大量更多的研究，最終完成這一理論，并申請(qǐng)了結(jié)式晶體管專利（1948 年 6 月 25日申請(qǐng)）。功能性 NPN 結(jié)式晶體管于 1950 年 4 月 20日面世（借助于 Gordon Teal 和 Morgan Sparks 的成果）。有關(guān)這段歷史的詳情遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出您的想象4。

1956 年 12 月 10 日，因發(fā)明了晶體管，William Shockley、John Bardeen 和 Walter Brattain 共同獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

圖 7：點(diǎn)接觸晶體管（經(jīng) Nokia Corporation 許可后再次使用）

圖 8：John Bardeen（左）、William Shockley（中）、Walter Brattain（右）。（經(jīng) Nokia Corporation 許可后再次使用）