什么是晶体管?又是如何工作的?

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所属分类:仪表控制

令人惊讶的是,首个可运行晶体管于 1947 年 12 月 23 日面世,距今已有 70 年!1 晶体管或许是人们发明的最具革命性的元器件之一。它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。

在本文中,我们将讨论以下内容;

何为晶体管?

晶体管又称双极结型晶体管 (BJT),是由电流驱动的半导体器件,用于控制电流的流动,其中,基极引线中的较小电流控制集电极和发射极之间较大的电流。它们能用于放大弱信号,用作振荡器开关

晶体管通常由硅晶体制成,采用 N 和 P 型半导体层相互夹合形式。见下图 1。

什么是晶体管?又是如何工作的?

图 1:图 1a 展示了 2N3904 TO-92 剖视图,展示了连接到硅基的 E - 发射极、B - 基极和 C – 集电极引线。图 1b 摘自 1958 年 5 月的 Radio-Electronics 杂志2,图中显示了 N 和 P 型层片及其排列情况(当时使用的是锗材料)。

晶体管密闭并封装在塑料或金属圆柱形外壳中,带有三根引线(图 2)。

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图 2:各种流行封装类型及尺寸对比。

晶体管如何工作?

我们将以 NPN 晶体管为例,来说明晶体管的工作原理。要了解这类元件如何作为开关运作,方法很简单,即想像水流流经阀门控制的水管即可。水压代表“电压”,流经水管的水流代表“电流”(图 3)。大水管代表集电/发射结,中间由阀门隔开,图中阀门以灰色椭圆形表示,像一块活动的挡板,由代表基极的小水管中的水流进行致动。阀门保持从集电极到发射极的水压。当水流流经较小的水管(基极)时,将打开集电/发射结之间的阀门,让水流经过发射极流向地面(地面表示所有水或电压/电流的回路)。

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图 3:该图以图形化的方式说明了晶体管的工作原理。当水流流经小水管(基极)时,将打开集电/发射结之间的阀门,让水流经过发射极流向地面。

为您的应用选择晶体管

如果只是想要打开电路或是开启负载,您应当考虑以下几点。确定您是想要通过正电流还是负电流(即分别为 NPN 或 PNP 类型)来偏置或激励晶体管开关。NPN 晶体管由在基极偏置的正电流驱动(或打开),以控制从集电极到发射极的电流。PNP 型晶体管由在基极偏置的负电流驱动,以控制从发射极到集电极的电流。(注意,PNP 极性与 NPN 相反。)更多详细信息,请参见下图 4。

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图 4:各晶体管类型的原理图符号。

确定偏置电压后,所需的下一个变量是负载工作所需的电压和电流量。这些变量将成为晶体管的最小额定电压和电流。下表 1 和 2 提供了一些常见晶体管及其主要规格,包括其电压和电流限制。

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晶体管,NPN 和 PNP,引线式和表面贴装式

什么是晶体管?又是如何工作的?

什么是晶体管?又是如何工作的?表 1.常见引线式和表面贴装式 NPN 和 PNP 晶体管。

晶体管,NPN 和 PNP,金属圆柱形封装

什么是晶体管?又是如何工作的?

表 2.常见金属圆柱形封装的 NPN 和 PNP 晶体管。

晶体管电路示例

下图 5 显示的电路示例,通过激励基极打开集射结,或者通过滑动开关向基极施加 5 伏电压从而偏置晶体管以将其打开。该示例将点亮作为负载使用的 LED。偏置基极时,需正确使用电阻器以防止过电流。我在试验板中使用引线零件测试我的示例电路。多数工程师在要上市的新产品设计中使用晶体管时,会使用表面贴装元器件(比 TO-92 封装尺寸小许多)。此处链接将展示 3904 晶体管的各种封装尺寸。

由于 2N3904 是 NPN 晶体管,所以基极需要正偏置(适当的电压电平和电阻)才能打开集射结,以获得合适的电流。此外,负载电阻器 (R1) 的使用也很重要,如此 LED 和晶体管中就不会有过多的电流经过。关于此晶体管的更多信息,请参见 2N3904 规格书。

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图 5:使用 EG1218 滑动开关点亮 LED 的 2N3904 电路示例,包括 C(集电极)、E(发射极)和 B(基极)引脚(图形用 Scheme-it 绘制)。

图 6 是使用 PNP 晶体管的夜灯电路示例。要查看此电路的详细信息,请打开 Digi-Key 的工程百科网站链接并搜索 PNP 夜灯。

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图 6:使用 PDV-P5003 光电管点亮 LED 的 2N3906 夜灯电路示例(图形用 Scheme-it 绘制)

晶体管发明简史

晶体管的出现是从何开始的?这说来话长,我将从电话的发明说起。到底是谁真正发明了第一个能使用的电气原型,许多人会有不同的见解;不过,毫无争议的是,Alexander Graham Bell 在 1876 年 3 月 7 日取得了第一个专利3,并随后成立了美国电话电报公司 (aka AT&T)。1894 年1 前后,Bell 的专利到期。虽然 AT&T 从一开始直到 20 世纪初都主宰着电话市场,但 AT&T 的客户不断被新成立的其它公司抢走。因此,AT&T 意识到继续掌控并扩大电话市场的必要性。1909 年,AT&T 总裁 Theodore Vail1 想要让电话传输横跨大陆(纽约到加州)。但要做到这点,他们需要高质量的放大器或中继器来增强长距离传输的信号。早在 1906 年,Lee De Forest 借鉴了 John A. Fleming 的成果(Fleming 根据 Thomas Edison 的成果发明了一个叫作“振荡管”的真空管器件,用于检测无线电波),并在此基础上进行改进,从而产生了三极管——一种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 邀请 Forest 展示他的发明。虽然 Forest 的三极管可在低压下工作,但为了制作能有效长距离传输声音的中继器,Arnold 需要三极管能在更高电压下工作。Arnold 认为他能制造出更好的三极管,因此雇用了科学家来研究该器件的工作原理以及改进方法。1913 年 10 月,他成功了。不久之后,电话线开始大面积安装。AT&T 多年来一直雇用顶级科学家进行各种研究,在这方面的投资使之意识到,深入的研究能让他们具备竞争优势,因此在 1925 年,成立了“贝尔电话实验室”。

要让电话线保持正常运作,需要成千上万的真空管和继电器。然而,真空管功耗高、体积大,而且经常烧坏。Bell 实验室的研究主任 Mervin Kelly 从二战时晶体整流器(用于启用雷达)的技术发展中获得启发,他感到要创造一种元器件来替代昂贵且不可靠的真空管,答案可能就在半导体(一种固态器件)身上。Kelly 找到实验室中优秀的物理学家之一 William Shockley,向他阐述了自己对于通过线路传输声音的元器件的改进见解。Kelly 表示,如果有一天有噪声的机械继电器和功耗大的真空管被固态电子器件替代,将是一件非常令人高兴的事。这个想法一直萦绕在 Shockley 心中,并且成为了他的主要目标。Kelly 让 Shockley 负责找到实现这个想法的方法。

虽然他是个杰出的理论家,但却并不擅长将他的想法变成现实。Shockley 多次尝试想要证实他的理论,也就是通过场效应电子转移理论,激励半导体上方的板片,从而将半导体的两侧连接起来。他没有成功。失望之余,他找到 Bell 实验室的另外两位物理学家 John Bardeen(精通半导体电子理论)和 Walter Brattain(擅长实验室设备的原型设计和使用)寻求帮助。之后他们加入了他的团队。Shockley 同意这两人组成团队自行开展研究。多年来他们进行了多次尝试,想要实现场效应理论,但均以失败告终。他们仔细检查了计算结果,发现这些结果理论上应该是可行的。后来,Bardeen 和 Brattain 打破定式思维,用硅和锗薄片进行实验,尝试让场效应起作用。1947 年的秋天,当 Brattain 遇到了半导体表面凝结水的困难时,实验出现了转机。他没有让水干燥,反而在硅的顶部滴水并激励上方的板片,终于观察到了放大效应。水滴帮助解决了表面势垒的问题从而有助于形成电子流,但作用太小,不能清晰将声音信号成功放大为传输声音所需的程度。

1947 年 12 月(世人称为奇迹月),他们想到取消场效应间隙、去掉水,并制造金触点接触半导体的方法。他们改用在当时更容易处理的锗,并在锗上使用天然形成的薄氧化膜将其绝缘。然而,随后进行的多次试验均未成功。到了 12 月中旬,出于偶然,Walter Brattain 无意间冲洗掉了氧涂层,使得金触点直接接触到锗!成功了!!!他观察到了良好的放大效应,晶体管起作用了。电子并未按 Shockley 的场效应理论假设的那样被拉到半导体表面,Brattain/Bardeen 反而发现,通过使用金触点接触半导体,他们将空穴注入半导体,实现电流流动。大约在 1947 年的 12 月中旬,他们在 Shockley 不知情的情况下开始制作可运作的原型。Brattain 找到一块三角形塑料片,将金箔围到塑料片的斜边上,并在其三角顶点上开了一条刀片细的缝。这是非常原始的原型设计。他们用回形针制成弹簧将三角形塑料片压入薄铜板上方的薄锗半导体上,三角形塑料片两端各有一根引线。如果愿意,锗片下的铜板可作为第三根引线(图 7)使用。最后制成了称作点接触晶体管的原型。

Brattain 和 Bardeen 给 Shockley 打电话,告诉他这个好消息。我的研究表明 Shockley 当时心情复杂,一方面对于试验的成功他感到高兴,但又失望不是自己直接创造了它。1947 年 12 月 23 日,距其突破发现一周后,他们向 Shockley 的上司进行了展示(公开宣布是在 1948 年 6 月 30 日)。后来拍了照片以纪念这具有历史意义的时刻(图 8)。Shockley 清楚点接触晶体管易碎,不易走向工业生产,所以他(独自)竭尽全力对其进行改进。Shockley 拼命工作,尝试以自己的方式解决此问题……他通过将半导体材料分层放置,使晶体管集成度更高,并在过程中记录想法。他进行了大量更多的研究,最终完成这一理论,并申请了结式晶体管专利(1948 年 6 月 25 日申请)。功能性 NPN 结式晶体管于 1950 年 4 月 20 日面世(借助于 Gordon Teal 和 Morgan Sparks 的成果)。有关这段历史的详情远远超出您的想象4。

1956 年 12 月 10 日,因发明了晶体管,William Shockley、John Bardeen 和 Walter Brattain 共同获得诺贝尔奖。

什么是晶体管?又是如何工作的?

图 7:点接触晶体管(经 Nokia Corporation 许可后再次使用)

什么是晶体管?又是如何工作的?

图 8:John Bardeen(左)、William Shockley(中)、Walter Brattain(右)。(经 Nokia Corporation 许可后再次使用)

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