一、 定義：

嚴格意義上講，晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極管。

晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）。

晶體管有三個極；雙極性晶體管的三個極，分別由N型跟P型組成發(fā)射極（Emitter）、基極(Base) 和集電極（Collector）;場效應晶體管的三個極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。

晶體管因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、CE組態(tài)）、基極接地（又稱共基放大、CB組態(tài)）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨耦器）。

二、 歷史：

1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。

通信系統(tǒng)已開始應用半導體材料。20世紀上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機，就采用礦石這種半導體材料進行檢波。半導體的電學特性也在電話系統(tǒng)中得到了應用。

晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經(jīng)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。

由于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就設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，有一根與礦石（半導體）表面相接觸的金屬絲（像頭發(fā)一樣細且能形成檢波接點），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。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實驗室在有關硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績，這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎。

為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰(zhàn)結束后，貝爾實驗室加緊了對固體電子器件的基礎研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導體材料，探討用半導體材料制作放大器件的可能性。

1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個實驗室工作，長期從事半導體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗。他們經(jīng)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(chǎn)生的原因。布拉頓發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產(chǎn)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(xiàn)這種放大效應。他們在發(fā)射極和基極之間輸入一個弱信號，在集電極和基極之間的輸出端，就放大為一個強信號了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)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(shù)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。

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(zhuǎn)移電流來工作的，于是取名為trans-resister(轉(zhuǎn)換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

由于點接觸型晶體管制造工藝復雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障，它還存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄等缺點。為了克服這些缺點，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。半導體研究小組又提出了這種半導體器件的工作原理。

1950年，第一只“PN結型晶體管”問世了，它的性能與肖克萊原來設想的完全一致。今天的晶體管，大部分仍是這種PN結型晶體管。(所謂PN結就是P型和N型的結合處，P型多空穴，N型多電子。)

1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

1947年12月16日：威廉·邵克雷（William Shockley）、約翰·巴頓（John Bardeen）、

沃特·布拉頓（Walter Brattain）成功地在貝爾實驗室制造出第一個晶體管。

1950年：威廉·邵克雷開發(fā)出雙極晶體管（Bipolar Junction

Transistor），這是現(xiàn)在通行的標準的晶體管。

1953年：第一個采用晶體管的商業(yè)化設備投入市場，即助聽器。

1954年10月18日：第一臺晶體管收音機Regency TR1投入市場，僅包含4只鍺晶體管。

1961年4月25日：第一個集成電路專利被授予羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）。最初的晶體管對收音機和電話而言已經(jīng)足夠，但是新的電子設備要求規(guī)格更小的晶體管，即集成電路。

1965年：摩爾定律誕生。當時，戈登·摩爾（Gordon Moore）預測，未來一個芯片上的晶體管數(shù)量大約每18個月翻一倍(至今依然基本適用)，摩爾定律在Electronics Magazine雜志一篇文章中公布。

1968年7月：羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾從仙童（Fairchild）半導體公司辭職，創(chuàng)立了一個新的企業(yè)，即英特爾公司，英文名Intel為“集成電子設備（integrated electronics）”的縮寫。

1969年：英特爾成功開發(fā)出第一個PMOS硅柵晶體管技術。這些晶體管繼續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)，但是引入了新的多晶硅柵電極。

1971年：英特爾發(fā)布了其第一個微處理器4004。4004規(guī)格為1/8英寸 x 1/16英寸，包含僅2000多個晶體管，采用英特爾10微米PMOS技術生產(chǎn)。

1972年，英特爾發(fā)布了第一個8位處理器8008。

1978年，英特爾發(fā)布了第一款16位處理器8086。含有2.9萬個晶體管。

1978年：英特爾標志性地把英特爾8088微處理器銷售給IBM新的個人電腦事業(yè)部，武裝了IBM新產(chǎn)品IBM PC的中樞大腦。16位8088處理器為8086的改進版，含有2.9萬個晶體管，運行頻率為5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推動英特爾進入了財富(Forture) 500強企業(yè)排名，《財富(Forture)》雜志將英特爾公司評為“70年代商業(yè)奇跡之一（Business Triumphs of the Seventies）”。

1982年：286微處理器(全稱80286，意為“第二代8086”)推出，提出了指令集概念，即現(xiàn)在的x86指令集，可運行為英特爾前一代產(chǎn)品所編寫的所有軟件。286處理器使用了13400個晶體管，運行頻率為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

1985年：英特爾386微處理器問世，含有27.5萬個晶體管，是最初4004晶體管數(shù)量的100多倍。386是32位芯片，具備多任務處理能力，即它可在同一時間運行多個程序。

1993年：英特爾·奔騰·處理器問世，含有3百萬個晶體管，采用英特爾0.8微米制程技術生產(chǎn)。

1999年2月：英特爾發(fā)布了奔騰·III處理器。奔騰III是1x1正方形硅，含有950萬個晶體管，采用英特爾0.25微米制程技術生產(chǎn)。

2002年1月：英特爾奔騰4處理器推出，高性能桌面臺式電腦由此可實現(xiàn)每秒鐘22億個周期運算。它采用英特爾0.13微米制程技術生產(chǎn)，含有5500萬個晶體管。

2002年8月13日：英特爾透露了90納米制程技術的若干技術突破，包括高性能、低功耗晶體管，應變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應變硅。

2003年3月12日：針對筆記本的英特爾·迅馳·移動技術平臺誕生，包括了英特爾最新的移動處理器“英特爾奔騰M處理器”。該處理器基于全新的移動優(yōu)化微體系架構，采用英特爾0.13微米制程技術生產(chǎn)，包含7700萬個晶體管。

2005年5月26日：英特爾第一個主流雙核處理器“英特爾奔騰D處理器”誕生，含有2.3億個晶體管，采用英特爾領先的90納米制程技術生產(chǎn)。

2006年7月18日：英特爾安騰2雙核處理器發(fā)布，采用世界最復雜的產(chǎn)品設計，含有2.7億個晶體管。該處理器采用英特爾90納米制程技術生產(chǎn)。

2006年7月27日：英特爾·酷睿2雙核處理器誕生。該處理器含有2.9億多個晶體管，采用英特爾65納米制程技術在世界最先進的幾個實驗室生產(chǎn)。

2006年9月26日：英特爾宣布，超過15種45納米制程產(chǎn)品正在開發(fā)，面向臺式機、筆記本和企業(yè)級計算市場，研發(fā)代碼Penryn，是從英特爾酷睿微體系架構派生而出。

2007年1月8日：為擴大四核PC向主流買家的銷售，英特爾發(fā)布了針對桌面電腦的65納米制程英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款四核服務器處理器。英特爾酷睿2四核處理器含有5.8億多個晶體管。

2007年1月29日：英特爾公布采用突破性的晶體管材料即高-k柵介質(zhì)和金屬柵極。英特爾將采用這些材料在公司下一代處理器——英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強系列多核處理器的數(shù)以億計的45納米晶體管或微小開關中用來構建絕緣“墻”和開關“門”，研發(fā)代碼Penryn。2010年11月，NVIDIA發(fā)布全新的GF110核心，含30億個晶體管，采用先進的40納米工藝制造。

2011年05月05 日：英特爾成功開發(fā)世界首個3D晶體管，稱為tri-Gate。除了英特爾將3D晶體管應用于22納米工藝之后，三星，GlobalFoundries，臺積電和臺聯(lián)電都計劃將類似于Intel的3D晶體管技術應用到14納米節(jié)點上。

三、 優(yōu)越性：

同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：

構件沒有消耗

無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名。

消耗電能極少

僅為電子管的十分之一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的。

不需預熱

一開機就工作。例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的。

結實可靠

比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。

四、 分類：

1、材料

按晶體管使用的半導體材料可分為硅材料晶體管和鍺材料晶體管。按晶體管的極性可分為鍺NPN型晶體管、鍺PNP晶體管、硅NPN型晶體管和硅PNP型晶體管。

2、工藝

晶體管按其結構及制造工藝可分為擴散型晶體管、合金型晶體管和平面型晶體管。

3、電流容量

晶體管按電流容量可分為小功率晶體管、中功率晶體管和大功率晶體管。

4、工作頻率

晶體管按工作頻率可分為低頻晶體管、高頻晶體管和超高頻晶體管等。

5、封裝結構

晶體管按封裝結構可分為金屬封裝（簡稱金封）晶體管、塑料封裝（簡稱塑封）晶體管、玻璃殼封裝（簡稱玻封）晶體管、表面封裝（片狀）晶體管和陶瓷封裝晶體管等。其封裝外形多種多樣。

6、按功能和用途

晶體管按功能和用途可分為低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、低頻放大晶體管、開關晶體管、達林頓晶體管、高反壓晶體管、帶阻晶體管、帶阻尼晶體管、微波晶體管、光敏晶體管和磁敏晶體管等多種類型。

五、 主要參數(shù)：

晶體管的主要參數(shù)有電流放大系數(shù)、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。

放大系數(shù)

直流電流放大系數(shù)也稱靜態(tài)電流放大系數(shù)或直流放大倍數(shù)，是指在靜態(tài)無變化信號輸入時，晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值，一般用hFE或β表示。

交流放大倍數(shù)

交流放大倍數(shù)，也即交流電流放大系數(shù)、動態(tài)電流放大系數(shù)，是指在交流狀態(tài)下，晶體管集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。

hFE或β既有區(qū)別又關系密切，兩個參數(shù)值在低頻時較接近，在高頻時有一些差異。

耗散功率

耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率。

耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關系。晶體管在使用時，其實際功耗不允許超過PCM值，否則會造成晶體管因過載而損壞。

通常將耗散功率PCM小于1W的晶體管稱為小功率晶體管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶體管被稱為中功率晶體管，將PCM等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。

特征頻率fT　晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時，其電流放大系數(shù)β值將隨著頻率的升高而下降。特征頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。

通常將特征頻率fT小于或等于3MHZ的晶體管稱為低頻管，將fT大于或等于30MHZ的晶體管稱為高頻管，將fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶體管稱為中頻管。

最高振蕩頻率fM

最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時所對應的頻率。

通常，高頻晶體管的最高振蕩頻率低于共基極截止頻率fα，而特征頻率fT則高于共基極截止頻率fα、低于共集電極截止頻率fβ。

集電極最大電流

集電極最大電流（ICM）是指晶體管集電極所允許通過的最大電流。當晶體管的集電極電流IC超過ICM時，晶體管的β值等參數(shù)將發(fā)生明顯變化，影響其正常工作，甚至還會損壞。

最大反向電壓

最大反向電壓是指晶體管在工作時所允許施加的最高工作電壓。它包括集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓、集電極—基極反向擊穿電壓和發(fā)射極—基極反向擊穿電壓。

集電極——集電極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管基極開路時，其集電極與發(fā)射極之間的最大允許反向電壓，一般用VCEO或BVCEO表示。

基極—— 基極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管發(fā)射極開路時，其集電極與基極之間的最大允許反向電壓，用VCBO或BVCBO表示。

發(fā)射極——發(fā)射極反向擊穿電壓

該電壓是指當晶體管的集電極開路時，其發(fā)射極與基極與之間的最大允許反向電壓，用VEBO或BVEBO表示。

集電極——基極之間的反向電流ICBO

ICBO也稱集電結反向漏電電流，是指當晶體管的發(fā)射極開路時，集電極與基極之間的反向電流。ICBO對溫度較敏感，該值越小，說明晶體管的溫度特性越好。

集電極——發(fā)射極之間的反向擊穿電流ICEO　ICEO是指當晶體管的基極開路時，其集電極與發(fā)射極之間的反向漏電電流，也稱穿透電流。此電流值越小，說明晶體管的性能越好。

六、 管腳判別及放大倍數(shù)估算：

1、判別基極和管子的類型

選用歐姆檔的R*100（或R*1K）檔，先用紅表筆接一個管腳，黑表筆接另一個管腳，可測出兩個電阻值，然后再用紅表筆接另一個管腳，重復上述步驟，又測得一組電阻值，這樣測3次，其中有一組兩個阻值都很小的，對應測得這組值的紅表筆接的為基極，且管子是PNP型的；反之，若用黑表筆接一個管腳，重復上述做法，若測得兩個阻值都小，對應黑表筆為基極，且管子是NPN型的。

2、判別集電極

因為三極管發(fā)射極和集電極正確連接時β大（表針擺動幅度大），反接時β就小得多。因此，先假設一個集電極，用歐姆檔連接，（對NPN型管，發(fā)射極接黑表筆，集電極接紅表筆）。測量時，用手捏住基極和假設的集電極，兩極不能接觸，若指針擺動幅度大，而把兩極對調(diào)后指針擺動小，則說明假設是正確的，從而確定集電極和發(fā)射極。

3、電流放大系數(shù)β的估算

選用歐姆檔的R*100（或R*1K）檔，對NPN型管，紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接集電極，測量時，只要比較用手捏住基極和集電極（兩極不能接觸），和把手放開兩種情況小指針擺動的大小，擺動越大，β值越高。

七、 代換原則：

晶體管的置換原則可概括為三條：即類型相同、特性相近、外形相似。

一、類型相同

1．材料相同。即鍺管置換鍺管，硅管置換硅管。

2．極性相同。即npn型管置換npn型管，pnp型管置換pnp型管。

二、特性相近

用于置換的晶體管應與原晶體管的特性相近，它們的主要參數(shù)值及特性曲線應相差不多。晶體管的主要參數(shù)近20個，要求所有這些參數(shù)都相近，不但困難，而且沒有必要。一般來說，只要下述主要參數(shù)相近，即可滿足置換要求。

1．集電板最大直流耗散功率(pcm)

一般要求用pcm與原管相等或較大的晶體管進行置換。但經(jīng)過計算或測試，如果原晶體管在整機電路中實際直流耗散功率遠小于其pcm，則可以用pcm較小的晶體管置換。

2．集電極最大允許直流電流(icm)

一般要求用icm與原管相等或較大的晶體管進行置換。

3．擊穿電壓

用于置換的晶體管，必須能夠在整機中安全地承受最高工作電壓；

來源：輸配電設備網(wǎng)

4．頻率特性

晶體管頻率特性參數(shù)，常用的有以下2個：

(1)特征頻率ft：它是指在測試頻率足夠高時，使晶體管共發(fā)射極電流放大系數(shù)時的頻率。

(2)截止頻率fb：

在置換晶體管時，主要考慮ft與fb。通常要求用于置換的晶體管，其ft與fb，應不小于原晶體管對應的ft與fb。

5．其他參數(shù)

除以上主要參數(shù)外，對于一些特殊的晶體管，在置換時還應考慮以下參數(shù)：

(1)對于低噪聲晶體管，在置換時應當用噪聲系數(shù)較小或相等的晶體管。

(2)對于具有自動增益控制性能的晶體管，在置換時應當用自動增益控制特性相同的晶體管。

(3)對于開關管，在置換時還要考慮其開關參數(shù)。

三、外形相似

小功率晶體管一般外形均相似，只要各個電極引出線標志明確，且引出線排列順序與待換管一致，即可進行更換。大功率晶體管的外形差異較大，置換時應選擇外形相似、安裝尺寸相同的晶體管，以便安裝和保持正常的散熱條件。