原子粒 (電子零件)

**原子粒**，又叫**電晶體**，係半導體零件，用來放大或者轉換電子訊號。原子粒係半導體一塊，有最少三隻腳，即係電極，駁去出面電路。電壓或電流，會加諸響原子粒嘅一對極，咁就可以轉另一對極嘅電流流向。因爲咁，原子粒嘅對極，通常分輸入同輸出。加諸輸入一方嘅能量，可以遠遠少過輸出嘅。就係咁，用原子粒，可以以細控制大，咁就可以將細訊號放大。原子粒可以單丁咁出，但多數都埋響集成電路入便。

原子粒係現代砌電子儀器嘅元素，喺現代電子系統入便，無所不在。譬如原子粒收音機。

物理學家 朱利葉斯·埃德加·莉連費爾德 喺 1925 年提出咗場效應晶體管（FET）嘅概念， 但係當時根本冇可能整到一部行得嘅裝置。第一部行得嘅裝置係點接觸型晶體管，由約翰·巴甸、沃爾特·布喇頓同埋威廉·肖克利呢班貝爾實驗室嘅物理學家喺1947年發明，佢哋因為呢項成就分享咗1956年嘅諾貝爾物理學獎。最廣泛使用嘅晶體管類型，金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），就係喺1955年至1960年之間喺貝爾實驗室發明嘅。晶體管徹底噉改革咗電子學領域，並且為更細更平嘅收音機、計算器、電腦同埋其他電子設備鋪平咗道路。

大多數晶體管都係用非常純嘅矽製成，有啲係用鍺，但係有時都會用到其他某啲半導體材料。一個晶體管可能只有一種電荷載子，喺場效應晶體管入面，或者喺雙極性接面晶體管裝置入面可能有兩種電荷載子。同真空管比較，晶體管通常更細，而且操作所需嘅功率更少。某啲真空管喺非常高嘅工作頻率或者高工作電壓下，比起晶體管有優勢，例如行波管同埋迴旋管。好多類型嘅晶體管都係由多間製造商按照標準化嘅規格嚟生產。

## 歷史

熱電子 三極管，喺1907年發明嘅真空管，令到放大無線電技術同埋長途電話成為可能。但係，三極管係一種脆弱嘅裝置，會消耗大量功率。1909年，物理學家威廉·埃克爾斯發現咗晶體二極管振盪器。物理學家朱利葉斯·埃德加·莉連費爾德喺1925年喺加拿大申請咗場效應晶體管（FET）嘅專利，目的係做固態三極管嘅替代品佢喺1926年同1928年喺美國提交咗相同嘅專利。但係，佢冇發表過任何關於佢嘅裝置嘅研究文章，佢嘅專利亦都冇引用任何可行原型嘅具體例子。由於生產高品質半導體材料仲有幾十年時間，即使喺1920年代同1930年代已經製造出莉連費爾德嘅固態放大器構思，都唔會搵到實際用途。1934年，發明家奧斯卡·海爾喺歐洲為類似嘅裝置申請咗專利。

### 雙極性晶體管

由1947年11月17號到12月23號，約翰·巴甸同埋沃爾特·布喇頓喺新澤西州莫瑞山美國電話電報公司（AT&T）嘅貝爾實驗室進行咗實驗，觀察到當兩個金點觸點施加到鍺晶體嗰陣，會產生一個信號，輸出功率大過輸入功率。固態物理組組長 威廉·肖克利睇到呢個嘅潛力，喺之後嘅幾個月入面努力擴展半導體嘅知識。「晶體管」呢個詞係由 約翰·R·皮爾斯創造出嚟，係「跨阻」呢個詞嘅縮寫。根據莉蓮·霍德森同埋Vicki Daitch嘅講法，肖克利建議貝爾實驗室嘅第一個晶體管專利應該基於場效應，並且佢應該被提名為發明人。貝爾實驗室嘅律師發現咗早幾年已經冇人理嘅莉連費爾德嘅專利，建議唔好採納肖克利嘅建議，因為使用電場作為「柵極」嘅場效應晶體管嘅諗法並唔係新嘢。相反，巴甸、布喇頓同埋肖克利喺1947年發明嘅係第一個點接觸型晶體管。為咗表揚呢項成就，肖克利、巴甸同埋布喇頓共同獲得1956年嘅諾貝爾物理學獎，「因為佢哋對半導體嘅研究同埋佢哋發現嘅晶體管效應」。

肖克利嘅團隊最初嘗試通過調製半導體嘅電導率嚟製造場效應晶體管（FET），但係唔成功，主要係由於表面態、懸鍵、同埋鍺同銅化合物材料嘅問題。嘗試理解呢次失敗背後嘅神秘原因，反而令佢哋發明咗雙極性點接觸型同埋接面型晶體管。

喺 1948 年，物理學家 赫伯特·馬塔雷 同 海因里希·韋爾克 喺 *[[法蘭西制動器及信號公司]]*（Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse），西屋喺巴黎嘅子公司工作嗰陣，獨立發明咗點接觸型晶體管。馬塔雷之前喺二戰期間嘅德國雷達工作入面，有開發晶體整流器（用矽同鍺製成）嘅經驗。憑住呢啲知識，佢喺 1947 年開始研究「干擾」現象。到咗 1948 年 6 月，親眼目睹電流流經點觸點，佢使用韋爾克生產嘅鍺樣品，得出咗一致嘅結果，類似於巴丁同埋布喇頓早喺 1947 年 12 月完成嘅工作。意識到貝爾實驗室嘅科學家已經發明咗晶體管，公司趕快將佢嘅「晶體電阻器」（transistron）投入生產，用於法國電話網絡入面嘅放大用途，喺 1948 年 8 月 13 號提交咗佢嘅第一個晶體管專利申請。

第一個雙極性接面晶體管係由貝爾實驗室嘅威廉·肖克利發明嘅，佢喺 1948 年 6 月 26 號申請咗專利（2,569,347）。喺 1950 年 4 月 12 號，貝爾實驗室嘅化學家 戈登·蒂爾 同埋 摩根·斯帕克斯 成功生產咗一個行得嘅雙極性 NPN 接面放大鍺晶體管。貝爾喺 1951 年 7 月 4 號嘅新聞稿入面宣佈咗呢個新嘅「三明治」晶體管嘅發現。

第一個高頻晶體管係 Philco 喺 1953 年開發嘅表面勢壘鍺晶體管，能夠喺高達  嘅頻率下運行。 佢哋嘅製造方法係用硫酸銦(III)射流從兩側蝕刻 n 型鍺基極入面嘅凹陷，直到佢得返幾萬分之一英寸厚。銦電鍍到凹陷入面，形成集極同埋射極。

AT&T 喺 1953 年嘅 4A 長途縱橫制交換系統入面首次將晶體管用於電訊設備，用於從翻譯卡上面編碼嘅路由資訊度選擇中繼線電路。 佢嘅前身，西電 3A 型 光電晶體管，會從穿孔金屬卡上面讀取機械編碼。

第一部原型袖珍晶體管收音機係由 INTERMETALL 展示嘅，INTERMETALL 係 赫伯特·馬塔雷 喺 1952 年創立嘅公司，喺 1953 年 8 月 29 號至 9 月 6 號嘅 ''杜塞爾多夫國際廣播展'' 上面。 第一部量產型袖珍晶體管收音機係 Regency TR-1，喺 1954 年 10 月發佈。 TR-1 係由工業開發工程協會嘅 Regency 部門 I.D.E.A. 同埋 德州儀器（喺德克薩斯州達拉斯）之間嘅合資企業生產嘅，喺印第安納州印第安納波利斯製造。佢係一部接近袖珍尺寸嘅收音機，有四個晶體管同埋一個鍺二極管。工業設計外判畀芝加哥嘅 Painter, Teague and Petertil 公司。佢最初以六種顏色之一發佈：黑色、象牙色、橘紅色、雲灰色、紅木色同埋橄欖綠。之後好快就推出咗其他顏色。

第一部量產嘅全晶體管汽車收音機係由克萊斯勒同埋 Philco 公司開發嘅，喺 1955 年 4 月 28 號嘅《華爾街日報》版本上面宣佈。克萊斯勒推出咗 Mopar 914HR 型號，作為 1955 年秋季開始嘅選配，適用於佢哋 1956 年新款克萊斯勒同埋帝國汽車系列，呢個系列喺 1955 年 10 月 21 號到達經銷商展廳。

索尼 TR-63 喺 1957 年發佈，係第一部量產嘅晶體管收音機，引領咗晶體管收音機嘅廣泛採用。 到咗 1960 年代中期，全球售出咗七百萬部 TR-63。 索尼喺晶體管收音機方面嘅成功，令到晶體管喺 1950 年代後期取代咗真空管，成為主流嘅電子技術。

第一個行得嘅矽晶體管係喺 1954 年 1 月 26 號喺貝爾實驗室開發出嚟嘅，由 莫里斯·塔南鮑姆 開發。第一個量產商用矽晶體管係由 德州儀器 喺 1954 年 5 月宣佈嘅。呢個係 戈登·蒂爾 嘅工作成果，佢係一位培養高純度晶體嘅專家，之前喺貝爾實驗室工作過。

### 場效應晶體管

場效應晶體管（FET）嘅基本原理係由物理學家 朱利葉斯·埃德加·莉連費爾德 喺 1926 年首次提出，當時佢為一種類似於 MESFET 嘅裝置申請咗專利，並喺 1928 年為絕緣柵場效應晶體管申請咗專利。 工程師 奧斯卡·海爾 喺 1930 年代，同埋 威廉·肖克利 喺 1940 年代，之後都喺理論上提出咗 FET 嘅概念。

喺 1945 年，JFET 由 海因里希·韋爾克 獲得專利。 喺肖克利喺 1952 年對 JFET 進行理論處理之後，喬治·C·戴西 同埋 伊恩·M·羅斯 喺 1953 年製造咗一個可行嘅實用 JFET。

喺 1948 年，巴丁同埋布喇頓喺貝爾實驗室為 MOSFET 嘅鼻祖申請咗專利，一種帶有反型層嘅絕緣柵 FET (IGFET)。巴丁嘅專利，同埋反型層嘅概念，構成咗今日 CMOS 同埋 DRAM 技術嘅基礎。

喺半導體產業嘅早期，公司專注於接面型晶體管，一種相對笨重嘅裝置，難以量產，限制咗佢只能用於幾種專門嘅應用。場效應晶體管（FET）被認為係潛在嘅替代品，但係研究人員無法令佢哋正常工作，主要係由於表面態勢壘阻止咗外部電場滲透到材料入面。

### MOSFET (MOS 晶體管)

喺 1955 年，卡爾·弗羅施 同埋 林肯·德里克 意外噉喺矽晶圓上面生長咗一層二氧化矽，佢哋觀察到表面鈍化效應。 到咗 1957 年，弗羅施同德里克，使用掩蔽同埋預沉積，能夠製造二氧化矽場效應晶體管；第一批平面晶體管，其中汲極同埋源極喺同一個表面相鄰。 佢哋表明，二氧化矽絕緣、保護矽晶圓，並阻止摻雜劑擴散到晶圓入面。 喺呢個之後，J.R. Ligenza 同 W.G. Spitzer 研究咗熱生長氧化物嘅機制，製造咗高品質嘅 Si/SiO<sub>2</sub> 堆疊，並喺 1960 年發表咗佢哋嘅研究結果。

喺呢項研究之後，穆罕默德·阿塔拉 同埋 姜大元 喺 1959 年提出咗矽 MOS 晶體管 ，並喺 1960 年同佢哋嘅貝爾實驗室團隊成功噉演示咗一個行得嘅 MOS 裝置。 佢哋嘅團隊包括 E. E. LaBate 同 E. I. Povilonis，佢哋製造咗呢個裝置； M. O. Thurston、L. A. D’Asaro 同埋 J. R. Ligenza，佢哋開發咗擴散工藝；仲有 H. K. Gummel 同 R. Lindner，佢哋描述咗呢個裝置嘅特性。 MOSFET 具有高可擴展性， 功耗低好多，而且密度高過雙極性接面晶體管， MOSFET 令到構建高密度集成電路成為可能， 允許喺單個 IC 入面集成超過 10,000 個晶體管。

巴丁同埋布喇頓 1948 年嘅反型層概念構成咗今日 CMOS 技術嘅基礎。 CMOS（互補式 MOS）係由 蔡長塘 同埋 弗蘭克·萬拉斯 喺 1963 年喺 快捷半導體 發明嘅。 浮柵 MOSFET 嘅首次報告係由 姜大元 同埋 蕭孟澤 喺 1967 年發表嘅。

喺 1967 年，貝爾實驗室嘅研究人員 羅伯特·克爾溫、唐納德·克萊因 同埋 約翰·薩拉斯 開發咗自對準柵極（矽柵極）MOS 晶體管，快捷半導體嘅研究人員 費德里科·法金 同埋 湯姆·克萊因 用佢嚟開發咗第一個 矽柵極 MOS 集成電路。

雙柵極 MOSFET 喺 1984 年首次由 電子技術綜合研究所 嘅研究人員 關川俊博 同埋 林 豊 發佈。 鰭式場效應晶體管（FinFET），一種 3D 非平面 多柵極 MOSFET 類型，起源於 日立中央研究所 嘅 Digh Hisamoto 同埋佢嘅團隊喺 1989 年嘅研究。

## 重要性
由於晶體管幾乎係所有現代電子產品入面嘅關鍵有源組件，好多人都認為佢哋係 20 世紀最偉大嘅發明之一。

貝爾實驗室發明嘅第一個晶體管喺 2009 年被命名為 IEEE 里程碑。 其他里程碑包括 1948 年發明嘅接面型晶體管同埋 1959 年發明嘅 MOSFET。

MOSFET 係迄今為止使用最廣泛嘅晶體管，應用範圍包括電腦同電子產品 到 通訊科技，例如智能手機。 佢一直被認為係最重要嘅晶體管， 可能係電子學入面最重要嘅發明， 同埋係令到現代電子產品成為可能嘅裝置。 自 20 世紀後期以來，佢一直係現代數碼電子學嘅基礎，為數碼時代鋪平咗道路。 美國專利商標局 稱佢為「一項開創性嘅發明，改變咗世界各地嘅生活同文化」。 佢能夠通過高度自動化嘅工藝 (半導體器件製造)，用相對基本嘅材料大量生產，令到每個晶體管嘅成本都低到驚人。 MOSFET 係歷史上生產數量最多嘅人造物品，到 2018 年已經生產咗超過 13 萬億個。

雖然有幾間公司每年都生產超過十億個獨立封裝嘅（稱為「分立」）MOS 晶體管， 但係絕大多數都係喺 集成電路（又叫做「IC」、「微晶片」或者簡稱「晶片」）入面生產嘅，連同二極管、電阻器、電容器 同埋其他電子元件，嚟生產完整嘅電子電路。一個邏輯門最多包含約 20 個晶體管，而截至 2023 年，一個先進嘅微處理器可能包含多達 1340 億個晶體管（而對於特殊晶片，截至 2020 年為 2.6 萬億個晶體管）。 晶體管通常喺微處理器入面組織成邏輯門，嚟執行計算。

晶體管嘅低成本、靈活性同埋可靠性令佢普及咗。晶體管化嘅機電電路已經取代咗機電裝置，嚟控制電器同埋機械。使用標準嘅微控制器同埋編寫電腦程式嚟執行控制功能，通常比設計等效嘅機械系統更簡單更平。

## 簡化操作

晶體管可以使用施加喺佢一對端子之間嘅細信號，嚟控制喺另一對端子上嘅大好多嘅信號，呢種特性叫做增益。佢可以產生更強嘅輸出信號，電壓或者電流，同較弱嘅輸入信號成正比，充當放大器。佢亦都可以用作電子控制嘅開關，其中電流嘅大小由其他電路元件決定。

晶體管有兩種類型，佢哋嘅使用方式有啲唔同：

一個「雙極性接面晶體管 (BJT)」有標籤為「**基極**」、「**集極**」同埋「**射極**」嘅端子。喺基極端子處嘅細電流，喺基極同射極之間流動，可以控制或者切換集極同射極之間嘅大好多嘅電流。

一個「場效應晶體管 (FET)」有標籤為「**柵極**」、「**源極**」同埋「**汲極**」嘅端子。柵極處嘅電壓可以控制源極同汲極之間嘅電流。

呢個章節頂部嘅圖像代表咗電路入面嘅典型雙極性晶體管。電荷喺射極同集極端子之間流動，取決於基極入面嘅電流。由於基極同射極連接嘅行為就好似半導體二極管噉，因此佢哋之間會產生電壓降。呢個電壓降嘅大小，由晶體管嘅材料決定，被稱為 *V*BE。 （基極射極電壓）

### 晶體管作為開關

晶體管通常喺數碼電路入面用作電子開關，可以處於「開」或者「關」狀態，適用於開關模式電源等高功率應用，亦都適用於邏輯門等低功率應用。呢個應用嘅重要參數包括切換嘅電流、處理嘅電壓同埋切換速度，以上升時間同下降時間為特徵。

喺開關電路入面，目標係盡可能模擬理想開關，理想開關喺關閉時具有開路嘅特性，喺開啟時具有短路嘅特性，並且喺兩種狀態之間即時過渡。參數嘅選擇要令到「關閉」輸出限制喺洩漏電流，洩漏電流細到唔足以影響連接嘅電路，晶體管喺「開啟」狀態嘅電阻細到唔足以影響電路，並且兩種狀態之間嘅過渡要夠快，唔會產生有害嘅影響。

喺共射極晶體管電路入面，例如圖中所示嘅燈掣電路，隨著基極電壓升高，射極同集極電流呈指數級上升。由於集極到射極嘅電阻降低，集極電壓會下降。如果集極同射極之間嘅電壓差為零（或者接近零），咁集極電流只會受到負載電阻（燈泡）同埋電源電壓嘅限制。呢個叫做「飽和」，因為電流從集極自由噉流向射極。當飽和嗰陣，開關被稱為「開啟」。

將雙極性晶體管用於開關應用需要偏置晶體管，令到佢喺關閉狀態嘅截止區同埋「開啟」狀態嘅飽和區之間運行。呢個需要足夠嘅基極驅動電流。由於晶體管提供電流增益，佢有助於通過小好多嘅基極端子電流嚟切換集極入面相對較大嘅電流。呢啲電流嘅比率取決於晶體管嘅類型，即使對於特定類型，都會根據集極電流而變化。喺如圖所示嘅燈掣電路示例入面，電阻嘅選擇係為咗提供足夠嘅基極電流，以確保晶體管飽和。 基極電阻值係根據電源電壓、晶體管 C-E 接面壓降、集極電流同埋放大倍數 β 計算出嚟嘅。

### 晶體管作為放大器

共射極放大器嘅設計目的係，電壓（*V*in）嘅微小變化會改變通過晶體管基極嘅細電流，佢嘅電流放大結合電路嘅特性意味住 *V*in 嘅細擺幅會產生 *V*out 嘅大變化。

單晶體管放大器有各種配置，一啲提供電流增益，一啲提供電壓增益，一啲兩者都提供。

從手機到電視，大量產品都包含用於聲音重現、無線電傳輸同埋信號處理嘅放大器。第一批分立晶體管音頻放大器僅提供幾百毫瓦嘅功率，但係隨著更好嘅晶體管嘅出現同埋放大器架構嘅發展，功率同音頻保真度逐漸提高。

現代高達幾百瓦嘅晶體管音頻放大器好常見，而且相對平價。

## 同真空管嘅比較
喺晶體管開發出嚟之前，真空（電子）管（喺英國又叫做「熱電子管」或者簡稱「電子管」）係電子設備入面嘅主要有源組件。

### 優點
令到晶體管能夠喺大多數應用入面取代真空管嘅主要優點係

冇陰極加熱器（會產生真空管特有嘅橙色光芒），降低咗功耗，消除咗真空管加熱器預熱時嘅延遲，並且唔受陰極中毒同埋耗盡嘅影響。

尺寸同重量非常細，縮細咗設備尺寸。

可以將大量極細嘅晶體管製造為單個集成電路。

低工作電壓，同僅幾節電池嘅電池兼容。

通常可以實現具有更高能量效率嘅電路。尤其係喺低功率應用（例如，電壓放大）入面，能量消耗可以比真空管細好多。

可以使用互補裝置，提供包括互補對稱電路在內嘅設計靈活性，真空管係做唔到嘅。

對機械衝擊同振動非常唔敏感，提供咗物理堅固性，並且實際上消除咗衝擊引起嘅雜散信號（例如，音頻應用入面嘅麥克風效應）。

唔容易受到玻璃外殼破損、洩漏、釋氣同埋其他物理損壞嘅影響。

### 限制
晶體管可能具有以下限制：

佢哋缺乏真空管提供嘅更高電子遷移率，呢個對於高功率、高頻率運行係理想嘅例如一啲無線電視發射器入面使用嘅，仲有行波管，喺一啲衛星入面用作放大器

晶體管同埋其他固態裝置容易受到非常短暫嘅電氣同熱事件嘅損壞，包括處理過程中嘅靜電放電。真空管喺電氣方面堅固好多。

佢哋對輻射同宇宙射線敏感（特殊嘅抗輻射晶片用於太空船裝置）。

喺音頻應用入面，晶體管缺乏較低嘅諧波失真所謂嘅 膽味  係真空管嘅特性，並且受到一啲人嘅偏愛。

## 類型
### 分類

|- style="text-align:center;"
|||PNP||||P 溝道
|- style="text-align:center;"
|||NPN||||N 溝道
|- style="text-align:center;"
|BJT||||JFET||

|- style="text-align:center;"
|||||||P 溝道
|- style="text-align:center;"
|||||||N 溝道
|- style="text-align:center;"
|colspan="2"|MOSFET 增強型||MOSFET 耗盡型||

晶體管嘅分類依據：

結構：MOSFET (IGFET)、BJT、JFET、絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT)、其他類型。。

半導體材料 (摻雜劑)：
** 類金屬； 鍺（1947 年首次使用）同矽（1954 年首次使用）—以非晶、多晶同單晶形式。
** 化合物 砷化鎵（1966 年）同 碳化矽（1997 年）。
** 合金 矽鍺（1989 年）
** 碳嘅同素異形體 石墨烯（自 2004 年以來研究緊），等等（睇半導體材料）。

電極性（正極同負極）：NPN、PNP (BJT)、N 溝道、P 溝道 (FET)。

最大額定功率：低、中、高。

最高工作頻率：低、中、高、無線電 (RF) 頻率、微波頻率（共射極或者共源極電路入面晶體管嘅最大有效頻率用術語  表示，過渡頻率嘅縮寫—晶體管產生單位電壓增益嘅頻率）

應用：開關、通用、音頻、高壓、超 β、匹配對。

物理封裝：通孔金屬、通孔塑膠、表面貼裝、球柵陣列、功率模組（睇封裝）。

放大倍數 、 (晶體管 β 值) 或者  (跨導).

工作溫度：極端溫度晶體管同傳統溫度晶體管 ()。 極端溫度晶體管包括高溫晶體管（高於 ）同低溫晶體管（低於 ）。 喺熱穩定性高達  嘅高溫晶體管可以通過混合互穿半結晶共軛聚合物同埋高玻璃化轉變溫度絕緣聚合物嘅通用策略嚟開發。

因此，特定嘅晶體管可以描述為「矽、表面貼裝、BJT、NPN、低功率、高頻開關」。

### 助記符
方便嘅助記符嚟記住晶體管嘅類型（用電路符號表示）牽涉到箭頭嘅方向。對於BJT，喺「**n–p–n**」晶體管符號上面，箭頭將會「**N**ot **P**oint i**N**」。喺「**p–n–p**」晶體管符號上面，箭頭「**P**oints i**N** **P**roudly」。但係，呢個唔適用於基於 MOSFET 嘅晶體管符號，因為箭頭通常係反轉嘅（即係 n–p–n 嘅箭頭指向內部）。

### 場效應晶體管 (FET)

「場效應晶體管」，有時叫做「單極晶體管」，使用電子（喺「n 溝道 FET」入面）或者電洞（喺「p 溝道 FET」入面）進行傳導。 FET 嘅四個端子分別叫做「源極」、「柵極」、「汲極」同埋「本體」（「襯底」）。喺大多數 FET 上面，本體喺封裝內部連接到源極，以下描述會假設係噉樣。

喺 FET 入面，汲極到源極電流通過連接「源極」區域到「汲極」區域嘅導電溝道流動。電導率通過電場嚟改變，電場係當喺柵極同源極端子之間施加電壓嗰陣產生嘅，因此汲極同源極之間流動嘅電流係由施加喺柵極同源極之間嘅電壓控制嘅。隨著柵極 - 源極電壓 () 增加，汲極 - 源極電流 () 喺低於閾值嘅  下呈指數級增加，然後以大約二次方嘅速率增加：(，其中  係汲極電流開始嘅閾值電壓） 喺高於閾值嘅「空間電荷限制」區域入面。喺現代裝置入面觀察唔到二次方行為，例如，喺 65 納米 技術節點上面。

對於窄帶寬下嘅低雜訊，FET 嘅較高輸入電阻係有利嘅。

FET 分為兩個系列：「接面 FET」（JFET）同埋「絕緣柵 FET」（IGFET）。IGFET 更常被稱為「金屬氧化物半導體 FET」（MOSFET），反映咗佢嘅原始構造，由金屬層（柵極）、氧化物（絕緣層）同埋半導體組成。同 IGFET 唔同，JFET 柵極同位於源極同汲極之間嘅溝道形成咗一個 p–n 二極管。喺功能上，呢個令到 n 溝道 JFET 成為真空管 三極管 嘅固態等效物，真空管 柵極 同 陰極 之間類似噉樣形成二極管。此外，兩種裝置都喺「耗盡模式」下運行，佢哋都具有高輸入阻抗，並且佢哋都喺輸入電壓嘅控制下傳導電流。

金屬 - 半導體 FET（MESFET）係 JFET，其中反向偏置 p–n 接面被金屬半導體接面取代。呢啲，同埋 HEMT（高電子遷移率晶體管，或者 HFET），佢哋使用具有非常高載流子遷移率嘅二維電子氣體進行電荷傳輸，尤其適用於喺非常高嘅頻率下使用（幾個 GHz）。

FET 進一步分為「耗盡模式」同「增強模式」類型，取決於溝道係喺零柵極到源極電壓下開啟定係關閉。對於增強模式，溝道喺零偏置下係關閉嘅，柵極電勢可以「增強」傳導。對於耗盡模式，溝道喺零偏置下係開啟嘅，柵極電勢（相反極性嘅）可以「耗盡」溝道，從而降低傳導。對於任何一種模式，更正嘅柵極電壓對應於 n 溝道裝置嘅更高電流，同埋 p 溝道裝置嘅更低電流。幾乎所有 JFET 都係耗盡模式，因為如果佢哋係增強模式裝置，二極管接面會正向偏置並傳導，而大多數 IGFET 都係增強模式類型。

#### 金屬氧化物半導體 FET (MOSFET)

金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管（MOSFET，MOS-FET，或者 MOS FET），又叫做金屬 - 氧化物 - 矽晶體管（MOS 晶體管，或者 MOS）， 係一種場效應晶體管類型，佢係通過半導體（通常係矽）嘅受控氧化製造出嚟嘅。佢有一個絕緣嘅金屬柵極，佢嘅電壓決定咗裝置嘅電導率。呢種通過施加電壓嘅量嚟改變電導率嘅能力可以用於放大或者切換電子信號。 MOSFET 係迄今為止最常見嘅晶體管，亦都係大多數現代電子產品嘅基本構建模塊。 MOSFET 佔咗世界上所有晶體管嘅 99.9%。

### 雙極性接面晶體管 (BJT)

雙極性晶體管之所以噉樣命名，係因為佢哋通過使用多數同少數載流子嚟傳導。雙極性接面晶體管，第一種量產嘅晶體管類型，係兩個接面二極管嘅組合，由夾喺兩個 n 型半導體之間嘅薄層 p 型半導體（n–p–n 晶體管）或者夾喺兩個 p 型半導體之間嘅薄層 n 型半導體（p–n–p 晶體管）形成。呢種構造產生咗兩個 p–n 接面：基極 - 射極接面同埋基極 - 集極接面，佢哋之間隔住薄薄嘅半導體區域，叫做基極區域。（兩個接面二極管連接埋一齊，但冇共享中間嘅半導體區域，唔會形成晶體管。）

BJT 有三個端子，對應於半導體嘅三層—「射極」、「基極」同埋「集極」。佢哋喺放大器入面好有用，因為射極同集極嘅電流可以通過相對較細嘅基極電流嚟控制。 喺有源區域運行嘅 n–p–n 晶體管入面，射極 - 基極接面係正向偏置嘅（電子 同 電洞 喺接面處複合），基極 - 集極接面係反向偏置嘅（電子同電洞喺接面處形成並移開接面），電子會注入到基極區域。由於基極好窄，因此大多數呢啲電子會擴散到反向偏置嘅基極 - 集極接面，並被掃入到集極；可能百分之一嘅電子會喺基極入面複合，呢個係基極電流嘅主要機制。此外，由於基極係輕摻雜嘅（同射極同集極區域相比），複合率較低，允許更多嘅載流子擴散通過基極區域。通過控制可以離開基極嘅電子數量，可以控制進入集極嘅電子數量。 集極電流約為 β（共射極電流增益）乘以基極電流。對於小信號晶體管，佢通常大於 100，但喺為大功率應用設計嘅晶體管入面可能會更細。

同場效應晶體管（見下文）唔同，BJT 係一種低輸入阻抗裝置。此外，隨著基極 - 射極電壓 (*V*BE) 嘅增加，基極 - 射極電流，從而集極 - 射極電流 (*I*CE) 會根據 肖克利二極管模型 同埋 埃伯斯-莫爾模型 呈指數級增加。由於呢種指數關係，BJT 具有比 FET 更高嘅跨導。

雙極性晶體管可以通過暴露喺光線下來導電，因為光子喺基極區域嘅吸收會產生光電流，光電流嘅作用就好似基極電流噉；集極電流約為 β 乘以光電流。為咗呢個目的而設計嘅裝置喺封裝入面有一個透明窗口，叫做光電晶體管。

### MOSFET 同 BJT 嘅使用
MOSFET 係迄今為止使用最廣泛嘅晶體管，適用於數碼電路同模擬電路， 佔咗世界上所有晶體管嘅 99.9%。 雙極性接面晶體管 (BJT) 之前喺 1950 年代至 1960 年代係最常用嘅晶體管。即使喺 MOSFET 喺 1970 年代廣泛普及之後，BJT 仍然係好多模擬電路（例如放大器）嘅首選晶體管，因為佢哋具有更高嘅線性度，直到 MOSFET 裝置（例如 功率 MOSFET、LDMOS 同 RF CMOS）喺 1980 年代取代咗佢哋喺大多數電力電子應用入面嘅地位。喺集成電路入面，MOSFET 嘅理想特性令佢哋喺 1970 年代幾乎佔據咗數碼電路嘅所有市場份額。分立 MOSFET（通常係功率 MOSFET）可以用喺晶體管應用入面，包括模擬電路、穩壓器、放大器、功率發射器同埋電機驅動器。

### 其他晶體管類型

場效應晶體管 (FET)：
** 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)，其中柵極由一層淺絕緣層絕緣
*** p 型 MOS (PMOS)
*** n 型 MOS (NMOS)
*** 互補式 MOS (CMOS)
**** 射頻 CMOS，用於 射頻 放大、接收
*** 多柵極場效應晶體管 (MuGFET)
**** 鰭式場效應晶體管 (FinFET)，源極/汲極區域喺矽表面上面形成鰭片
****GAAFET，類似於 FinFET，但係使用納米線代替鰭片，納米線垂直堆疊，並喺四個側面被柵極包圍
**** MBCFET，GAAFET 嘅變體，使用水平納米片代替納米線，由三星製造。 又叫做 RibbonFET（由英特爾製造）同埋水平納米片晶體管。
*** 薄膜晶體管 (TFT)，用於LCD 同 OLED 顯示器，類型包括非晶矽、LTPS、LTPO 同 IGZO 晶體管
*** 浮柵 MOSFET (FGMOS)，用於 非揮發性儲存
*** 功率 MOSFET，用於功率電子學
**** 橫向擴散 MOS (LDMOS)
** 碳納米管場效應晶體管 (CNFET, CNTFET)，其中溝道材料被碳納米管取代
** 鐵電場效應晶體管 (Fe FET)，使用鐵電材料
** 接面柵場效應晶體管 (JFET)，其中柵極由反向偏置嘅 p–n 接面絕緣
** 金屬半導體場效應晶體管 (MESFET)，類似於 JFET，具有肖特基接面代替 p–n 接面
*** 高電子遷移率晶體管 (HEMT)：GaN（氮化鎵）、SiC（碳化矽）、Ga2O3（氧化鎵）、GaAs（砷化鎵）晶體管、MOSFET 等。
** 負電容 FET (NC-FET)
** 倒 T 型場效應晶體管 (ITFET)
** 快速反向外延二極管場效應晶體管 (FREDFET)
** 有機場效應晶體管 (OFET)，其中半導體係有機化合物
** 彈道晶體管 (消除歧義)
** 離子敏感場效應晶體管 (ISFET)，用於量度溶液入面嘅離子濃度，
*** 電解質-氧化物-半導體場效應晶體管 (EOSFET)、神經晶片，
*** 脫氧核糖核酸場效應晶體管 (DNAFET)。
*** 基於場效應晶體管嘅生物感測器 (生物 FET)

雙極性接面晶體管 (BJT)：
** 異質接面雙極性晶體管，高達幾百 GHz，喺現代超快同射頻電路入面好常見
** 肖特基晶體管
** 雪崩晶體管
**  達林頓晶體管 係兩個 BJT 連接埋一齊，提供高電流增益，等於兩個晶體管嘅電流增益嘅乘積
** 絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT) 使用中等功率 IGFET，類似噉連接到功率 BJT，以提供高輸入阻抗。功率二極管通常根據特定用途連接喺某啲端子之間。 IGBT 特別適用於重型工業應用。 ASEA Brown Boveri (ABB) *5SNA2400E170100* ， 適用於三相電源，喺一個尺寸為 38 x 140 x 190 mm，重量為 1.5 kg 嘅外殼入面裝有三個 n–p–n IGBT。 每個 IGBT 嘅額定電壓為 1,700 伏特，可以處理 2,400 安培
** 光電晶體管。
** 射極開關雙極性晶體管 (ESBT) 係高壓雙極性晶體管同低壓功率 MOSFET 喺 共源共柵 拓撲結構中嘅單片配置。 佢係由意法半導體喺 2000 年代推出嘅， 並喺 2012 年左右被棄用。
** 多射極晶體管，用於 晶體管-晶體管邏輯 同埋集成電流鏡
** 多基極晶體管，用於放大嘈雜環境入面嘅極低電平信號，例如 唱盤 或者 無線電前端 嘅拾音器。 實際上，佢係大量晶體管並聯，喺輸出端，信號係建設性噉相加嘅，但係隨機雜訊只係 隨機 噉相加。

隧道場效應晶體管，佢通過調製通過勢壘嘅量子穿隧效應嚟切換。

擴散晶體管，通過將摻雜劑擴散到半導體襯底入面形成；可以係 BJT 同 FET。

單接面晶體管，可以用作簡單嘅脈衝產生器。 佢包含 p 型或者 n 型半導體嘅主體，喺每一端都有歐姆接觸（端子「基極 1」同「基極 2」）。 喺主體長度方向嘅某個點形成具有相反半導體類型嘅接面，用於第三個端子（「射極」）。

單電子晶體管 (SET)，由兩個隧穿接面之間嘅柵極島組成。 隧穿電流由通過電容器施加到柵極嘅電壓控制。

納米流體晶體管，控制離子通過亞微觀嘅注滿水嘅通道嘅運動。

多柵極器件：
** 四極管晶體管
** 五極管晶體管
** 三柵極晶體管（英特爾嘅原型）
** 雙柵極場效應晶體管 具有單個溝道，帶有共源共柵嘅兩個柵極，呢種配置針對「高頻放大器」、「混頻器」同埋「振盪器」進行咗優化。

無接面納米線晶體管 (JNT)，使用簡單嘅矽納米線，矽納米線被電絕緣嘅「結婚戒指」包圍，結婚戒指嘅作用係控制電子通過電線嘅流動。

納米級真空溝道晶體管，據報導喺 2012 年，美國太空總署同埋南韓國家納米製造中心製造咗一個原型真空溝道晶體管，尺寸僅為 150 納米，可以使用標準矽半導體工藝廉價製造，即使喺惡劣環境下都可以高速運行，並且功耗可能同標準晶體管一樣多。

有機電化學晶體管。

太陽能晶體管（嚟自太陽能電池晶體管），一種雙端子無柵極自供電光電晶體管。

鍺錫晶體管

木晶體管

紙晶體管

碳摻雜矽鍺 (Si–Ge:C) 晶體管

鑽石晶體管

氮化鋁晶體管

超晶格城堡式場效應晶體管

## 裝置識別
三個主要嘅識別標準用於指定晶體管裝置。 喺每一個標準入面，字母數字前綴都提供咗關於裝置類型嘅線索。

### 聯合電子設備工程委員會 (JEDEC)
JEDEC 零件編號方案喺 1960 年代喺美國發展起嚟。 JEDEC *EIA-370* 晶體管裝置編號通常以 *2N* 開頭，表示三端子裝置。 雙柵極場效應晶體管係四端子裝置，以 3N 開頭。 前綴之後係一個兩位、三位或者四位嘅數字，對裝置特性冇意義，雖然早期嘅低編號裝置傾向於係鍺裝置。 例如，2N3055 係一個矽 n–p–n 功率晶體管，2N1301 係一個 p–n–p 鍺開關晶體管。 字母後綴，例如「A」，有時會用於表示較新嘅變體，但好少用於增益分組。

### 日本工業標準 (JIS)
喺日本，JIS 半導體命名 (|JIS-C-7012) 將晶體管裝置標記為以 *2S* 開頭， 例如 2SD965，但係有時「2S」前綴唔會標記喺封裝上面—2SD965 可能只會標記為 *D965*，而 2SC1815 可能會被供應商簡單噉列為 *C1815*。呢個系列有時會有後綴，例如 *R*、*O*、*BL*，分別代表 *red*、*orange*、*blue* 等等，嚟表示變體，例如更嚴格嘅 *h*FE（增益）分組。

### 歐洲電子元件製造商協會 (EECA)
歐洲電子元件製造商協會 (EECA) 使用嘅編號方案係從 Pro Electron 繼承嘅，Pro Electron 喺 1983 年同 EECA 合併。 呢個方案以兩個字母開頭：第一個字母表示半導體類型（A 代表鍺，B 代表矽，C 代表 GaAs 等材料）； 第二個字母表示預期用途（A 代表二極管，C 代表通用晶體管等等）。 之後係一個三位數字序列號（或者一個字母同兩個數字，用於工業類型）。 對於早期嘅裝置，呢個表示外殼類型。 可以使用後綴，字母（例如「C」通常表示高 *h*FE，例如：BC549C）或者其他代碼可以跟喺後面，以顯示增益（例如 BC327-25）或者電壓額定值（例如 BUK854-800A）。 更常見嘅前綴係：

### 專有
裝置嘅製造商可能有佢哋自己嘅專有編號系統，例如 CK722。由於裝置係第二來源嘅，製造商嘅前綴（好似 MPF102 入面嘅「MPF」噉，最初表示 摩托羅拉 FET）而家已經係唔可靠嘅製造商指標。一啲專有命名方案採用咗其他命名方案嘅部分，例如，PN2222A 係塑膠外殼入面嘅 (可能係 快捷半導體) 2N2222A（但係 PN108 係 BC108 嘅塑膠版本，唔係 2N108，而 PN100 就同其他 xx100 裝置冇關）。

軍用零件編號有時會分配到佢哋嘅代碼，例如 英國軍用 CV 命名系統。

購買大量相似零件嘅製造商可能會提供畀佢哋「內部編號」，標識特定嘅採購規格，唔一定係具有標準化註冊編號嘅裝置。 例如，HP 零件 1854,0053 係一個（JEDEC）2N2218 晶體管，佢亦都分配咗 CV 編號：CV7763

### 命名問題
由於有咁多獨立嘅命名方案，仲有印喺裝置上面嘅零件編號嘅縮寫，有時會出現歧義。 例如，兩個唔同嘅裝置可能會標記為「J176」（一個係 J176 低功率 JFET，另一個係更高功率嘅 MOSFET 2SJ176）。

隨著較舊嘅「通孔」晶體管被賦予表面貼裝封裝嘅對應物，佢哋傾向於被分配到好多唔同嘅零件編號，因為製造商有佢哋嘅系統嚟應對 引腳排列 佈置嘅多樣性，仲有單個封裝入面雙重或者匹配嘅 n–p–n + p–n–p 裝置嘅選項。 因此，即使原始裝置（例如 2N3904）可能已經由標準機構分配咗編號，並且多年嚟都畀工程師熟悉，但係新版本喺命名方面遠未標準化。

## 構造

### 半導體材料

第一批 BJT 係用鍺 (Ge) 製成嘅。 矽 (Si) 類型目前佔主導地位，但係某啲先進嘅微波同高性能版本而家採用「化合物半導體」材料 砷化鎵 (GaAs) 同埋「半導體合金」 矽鍺 (SiGe)。 單元素半導體材料（Ge 同 Si）被描述為「元素」。

相鄰表格入面畀出咗用於製造晶體管嘅最常見半導體材料嘅粗略參數。呢啲參數會隨住溫度、電場、雜質水平、應變同埋其他各種因素嘅增加而變化。

「接面正向電壓」係施加到 BJT 射極 - 基極接面嘅電壓，令基極傳導指定嘅電流。電流會隨著接面正向電壓嘅增加呈指數級增加。 表格入面畀出嘅值係 1 mA 電流嘅典型值（相同嘅值適用於半導體二極管）。 接面正向電壓越低越好，因為噉樣表示「驅動」晶體管所需嘅功率越少。 給定電流嘅接面正向電壓會隨住溫度嘅升高而降低。 對於典型嘅矽接面，變化係 −2.1 mV/°C。 喺一啲電路入面，必須使用特殊嘅補償元件（熱敏電阻）嚟補償呢啲變化。

MOSFET 溝道入面嘅移動載流子密度係形成溝道嘅電場嘅函數，仲係各種其他現象嘅函數，例如溝道入面嘅雜質水平。 一啲雜質，叫做摻雜劑，係喺製造 MOSFET 嗰陣有意引入嘅，嚟控制 MOSFET 嘅電氣行為。

「電子遷移率」同「電洞遷移率」列顯示電子同電洞喺半導體材料入面擴散嘅平均速度，喺材料上面施加咗每米 1 伏特嘅電場。 一般嚟講，電子遷移率越高，晶體管嘅運行速度就越快。 該表格表明，喺呢方面，Ge 比 Si 更好。 但係，同矽同砷化鎵相比，Ge 有四個主要缺點：

佢嘅最高溫度受到限制。
佢具有相對較高嘅洩漏電流。
佢無法承受高電壓。
佢唔太適合製造集成電路。

由於對於所有半導體材料嚟講，電子遷移率都高於電洞遷移率，因此，給定嘅雙極性 n–p–n 晶體管 往往比等效嘅 p–n–p 晶體管 更快。 GaAs 具有三種半導體中最高嘅電子遷移率。 正因如此，GaAs 先會喺高頻應用入面用到。 一個相對較新嘅 FET 發展， 「高電子遷移率晶體管」(HEMT)，具有鋁化鎵 (AlGaAs) - 砷化鎵 (GaAs) 嘅 異質接面（唔同半導體材料之間嘅接面），佢嘅電子遷移率係 GaAs- 金屬勢壘接面嘅兩倍。 由於佢哋嘅高速同低雜訊，HEMT 用喺喺 12 GHz 左右嘅頻率下工作嘅衛星接收器入面。 基於 氮化鎵 同埋 氮化鋁鎵 (AlGaN/GaN HEMT) 嘅 HEMT 提供更高嘅電子遷移率，並且正在為各種應用開發。

最大 接面溫度 值代表咗從各種製造商嘅數據表入面提取嘅橫截面。 唔應該超過呢個溫度，否則晶體管可能會損壞。

「鋁 - 矽接面」係指高速（鋁矽）金屬 - 半導體勢壘二極管，通常稱為 肖特基二極管。 佢包含喺表格入面，因為一啲矽功率 IGFET 具有寄生反向肖特基二極管，喺製造過程入面喺源極同汲極之間形成。 呢個二極管可能係個麻煩，但係有時佢會喺電路入面用到。

### 封裝

分立晶體管可以係單獨封裝嘅晶體管或者未封裝嘅晶體管晶片。

晶體管有好多唔同嘅半導體封裝（睇圖）。 兩個主要類別係「通孔」（或者「有引線」）同埋「表面貼裝」，又叫做「表面貼裝器件」(SMD)。「球柵陣列」(BGA) 係最新嘅表面貼裝封裝。 佢嘅底面有焊料「球」代替引線。 由於 SMD 更細，互連更短，因此具有更好嘅高頻特性，但功率額定值較低。

晶體管封裝由玻璃、金屬、陶瓷或者塑膠製成。 封裝通常決定咗功率額定值同頻率特性。 功率晶體管具有較大嘅封裝，可以夾喺散熱器上面以增強冷卻效果。 此外，大多數功率晶體管嘅集極或者汲極都物理連接到金屬外殼。 喺另一個極端，一啲表面貼裝「微波」晶體管細到好似沙粒噉。

通常，給定嘅晶體管類型有多種封裝形式。 晶體管封裝主要係標準化嘅，但係晶體管嘅功能到端子嘅分配就唔係：其他晶體管類型可以將其他功能分配畀封裝嘅端子。 即使對於相同嘅晶體管類型，端子分配都可能會有所唔同（通常由零件編號嘅後綴字母表示，例如 BC212L 同 BC212K）。

而家，大多數晶體管都採用各種 SMT 封裝。 相比之下，可用嘅通孔封裝列表相對較少。 以下係最常見嘅通孔晶體管封裝嘅簡短列表（按字母順序排列）：
ATV、E-line、MRT、HRT、SC-43、SC-72、TO-3、TO-18、TO-39、TO-92、TO-126、TO220、TO247、TO251、TO262、ZTX851。

未封裝嘅晶體管晶片（裸片）可以組裝到混合裝置入面。 1960 年代嘅 IBM SLT 模組係使用玻璃鈍化晶體管（同二極管）裸片嘅混合電路模組嘅一個例子。 用於分立晶體管作為晶片嘅其他封裝技術包括「直接晶片貼裝」(DCA) 同埋「板上晶片」(COB)。

#### 柔性晶體管
研究人員已經製造咗幾種類型嘅柔性晶體管，包括 有機場效應晶體管。 柔性晶體管喺某啲類型嘅柔性顯示器同埋其他柔性電子產品入面好有用。

## 睇埋

Alpha 截止頻率

帶隙

數碼電子學

擴散接面晶體管

摩爾定律

光學晶體管

磁電自旋軌道

納米機電繼電器

半導體器件建模

晶體管數量

晶體管模型

跨阻

超大規模集成電路

晶體管電容器

## 參考文獻

## 延伸閱讀
;書籍

 晶體管嘅發明同埋資訊時代嘅誕生

*The Power Transistor - Temperature and Heat Transfer*; 第 1 版； John McWane, Dana Roberts, Malcom Smith; McGraw-Hill; 82 頁； 1975 年； 。 (檔案)

*Transistor Circuit Analysis - Theory and Solutions to 235 Problems*; 第 2 版； Alfred Gronner; Simon and Schuster; 244 頁； 1970 年。 (檔案)

*Transistor Physics and Circuits*; R.L. Riddle 同 M.P. Ristenbatt； Prentice-Hall； 1957 年。

;期刊

;數據手冊

分立數據手冊； 1985 年； 快捷半導體（而家係安森美半導體）

小信號半導體數據手冊，1987 年； 摩托羅拉（而家係安森美半導體）

分立功率器件數據手冊； 1982 年； SGS（而家係意法半導體）

分立數據手冊； 1978 年； 國家半導體（而家係德州儀器）

## 出面網頁

BBC：構建數碼時代 晶體管嘅照片歷史

關於晶體管嘅貝爾系統紀念館

''IEEE 全球歷史網絡，晶體管同便攜式電子產品'' 。 關於晶體管同集成電路嘅歷史。

''本月物理學史：1947 年 11 月 17 號至 12 月 23 號：第一個晶體管嘅發明'' 。 嚟自 美國物理學會

晶體管 | 定義同用途 | 大英百科全書 「晶體管」喺 *[[大英百科全書]]* 入面

類:半導體
類:電子元件