電晶體

<image>

電晶體（transistor），早期音譯為穿細絲體，是一種類似於閥門的固體半導體器件，可以用於放大、開關、穩壓、信號調製和許多其他功能。在1947年，由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利所發明。當時巴丁、布拉頓主要發明半導體三極體；肖克利則是發明PN二極體，他們因為半導體及電晶體效應的研究獲得1956年諾貝爾物理獎。

電晶體由半導體材料組成，至少有三個對外端點稱之為極。以雙極性接面電晶體為例，有基極(B)、集極(C)、射極(E)，其中基極(B)是控制極，另外兩個端點之間的伏安特性關係是受到控制極的非線性電阻關係。電晶體受控極輸入的電流或電壓，改變輸出端的阻抗，從而控制通過輸出端的電流，因此電晶體可以作為電流開關，而因為電晶體輸出信號的功率可以大於輸入信號的功率，因此電晶體可以作為電子放大器。

## 歷史

<image>

- 1925年，加拿大物理學家尤利烏斯·愛德利林費爾德申請場效應電晶體（FET）的專利
- 1926年，尤利烏斯·愛德利林費爾德也在美國申請專利，但是他沒有發表過相關的文章，而且當時還沒有製作高品質半導體的相關技術。
- 1934年，德國發明家奧斯卡海爾申請類似裝置的專利。
- 1947年12月，美國貝爾實驗室的威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓組成的研究小組，研製出一種點接觸型的鍺電晶體。

## 運用及分類

<image>

電晶體主要分為兩大類：雙極性電晶體（BJT）和場效應電晶體（FET）

電晶體一般都有三個極，其中一極兼任輸入及輸出端子，(B)基極不能做輸出，(C)集極不能做輸入之外，其餘兩個極組成輸入及輸出對。

電晶體之所以有如此多用途在於其訊號放大能力，當微細訊號加於其中的一對極時便能控制在另一對極較大的訊號，這特性叫增益。

當電晶體於線性工作時，輸出的訊號與輸入的訊息成比例，這時電晶體就成了一放大器。這是在模擬電路中的常用方式，例如電子放大器、音訊放大器、射頻放大器、穩壓電路。

當電晶體的輸出不是完全關閉就是完全導通時，這時電晶體便是被用作開關使用。這種方式主要用於數字電路，例如數字電路包括邏輯門、隨機存取記憶體（RAM）和微處理器。另外在開關電源中，電晶體也是以這種方式工作。

而以何種形式工作，主要取決於電晶體的特性及外部電路的設計。

雙極性電晶體的三個極，射極（Emitter）、基極（Base）和集極（Collector）; 射極到基極的微小電流，會使得射極到集極之間的阻抗改變，從而改變流經的電流。

場效應電晶體的三個極，源極（Source）、閘（柵）極（Gate）和汲極（Drain）。

在閘極與源極之間施加電壓能夠改變源極與汲極之間的阻抗，從而控制源極和汲極之間的電流。

電晶體因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是射極接地（又稱共射放大、CE組態）、基極接地（又稱共基放大、CB組態）和集極接地（又稱共集放大、CC組態、射極隨隅器）。

電晶體在應用上有許多要注意的最大額定值，例如最大電壓、最大電流、最大功率。若在超額的狀態下使用，會破壞電晶體內部的結構。每種型號的電晶體還有像是直流放大率hFE、NF噪訊比等特性，可以藉由電晶體規格表得知。

## 重要性

<image>

電晶體被認為是現代歷史中最偉大的發明之一，可能是二十世紀最重要的發明，它讓收音機、計算器、電腦，以及相關電子產品變得更小、更便宜。

在重要性方面可以與印刷術、汽車和電話等發明相提並論。電晶體是所有現代電器的關鍵主動（active）元件。電晶體在當今社會如此重要，主要是因為電晶體可以使用高度自動化的過程進行大規模生產的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。1947年貝爾實驗室發明電晶體已被列在IEEE里程碑列表中。

雖然數以百萬計的單體電晶體還在使用，絕大多數的電晶體是和二極體、電阻器、電容器一起被裝配在微晶片（晶片）上製造完整的電路。可能是模擬的、數字的，或是混合的晶片上。設計和開發複雜晶片的成本是相當高的，但是若分攤到百萬個生產單位上，對每個晶片價格的影響就不大。一個邏輯門包含20個電晶體，而2012年一個高級的微處理器使用的電晶體數量達14億個。

電晶體的成本、靈活性和可靠性使得其成為非機械任務的通用器件，例如數字計算。電晶體電路在控制電器和機械的應用上，也正在取代電機設備，因為它通常是更便宜而有效，使用電子控制時，可以使用標準積體電路並編寫電腦程式來完成一個和機械控制同樣的任務。

因為電晶體和後來的電子計算機的低成本，開始了數位化訊息的浪潮。由於電腦提供快速的查找、分類和處理數字資訊的能力，在資訊數位化方面投入了越來越多的精力。今天的許多媒體是通過電子形式發布的，最終通過電腦轉化和呈現為模擬形式。受到數位化革命影響的領域包括電視、廣播和報紙。

## 和真空管的比較

在電晶體發展之前，真空管是電子設備中主要的功率元件。

### 優點

電晶體因為有以下的優點，因此可以在大多數應用中代替真空管：

- 沒有因加熱陰極而產生的能量耗損，應用真空管時產生的橙光是因為加熱造成，有點類似傳統的燈泡。
- 體積小、重量低，因此有助於電子設備的小型化。
- 工作電壓低，只要用電池就可以供應。
- 在供電後即可使用，不需加熱陰極需要的預熱期。
- 可透過半導體技術大量的生產。
- 放大倍數大。

### 限制

相較於真空管，電晶體也有以下的限制：

- 矽電晶體會老化及失效。
- 高功率、高頻率的應用中（例如電視廣播），因真空管中的真空有助提昇電子移動率，效果會比電晶體要好。
- 固體電子元件在應用時比較容易出現靜電放電現象。

## 類型

<image>

PNP

<image>

P-溝道

<image>

NPN

<image>

N-溝道

JFET

<image>

<image>

<image>

<image>

P-溝道

<image>

<image>

<image>

<image>

N-溝道

JFET

MOSFET enh

MOSFET dep

電晶體可以依以下的方式分類：

- 半導體材料（最早使用的分類）：類金屬鍺（1947）及矽（1954）— 非晶、多晶及單晶矽形式、化合物半導體有砷化鎵（1966）及碳化矽（1997）、矽鍺合金（1989），2004年開始研究的碳的同素異形體石墨烯等。
- 結構：BJT、JFET、IGFET (MOSFET)、IGBT等。
- 電極性（正電及負電，類似化學極性）：n–p–n及p–n–p（BJT），N通道及P通道（FET）
- 最大功率額定：可分為低功率、中功率及高功率。
- 最大工作頻率：低頻、中頻、高頻、無線電頻率（RF）、微波頻率：電晶體的最大等效頻率是用$f_\mathrm{T}$表示，是過渡頻率的縮寫，過渡頻率是增益為1時的頻率。
- 應用：開關、泛用、音訊、高壓等。
- 封裝：插入式封裝技術金屬封裝或塑膠封裝、表面黏著技術、球柵陣列封裝、功率晶體等。
- 增益係數：hfe、βF或gm（跨導）等。

現在也已發明許多新類型的電晶體。已有在低溫下操作的單電子電晶體（single electron transistor SET），以及單原子電晶體（single atom transistor SAT），其中，原子是個別地植入。

### 雙極性電晶體（BJT）

雙極性電晶體同時利用半導體中的多數載子及少數載子導通，因此得名。雙極性電晶體是第一個量產的電晶體，是由二種不同接面的二極體組成，其結構可分為二層N型半導體中間夾一層P型半導體的NPN電晶體，以及二層P型半導體中間夾一層N型半導體的PNP電晶體。因此會有二個PN結，分別是基極-射極接面及基極-集極接面，中間隔著一層的半導體，即為基極。

雙極性電晶體和場效應電晶體不同，雙極性電晶體是低輸入阻抗的元件。當基集極電壓（Vbe）提高時，集極射極電流（Ice）會依肖克基模型及艾伯斯-莫爾模型，以指數形式增加。因此雙極性電晶體的跨導比FET要高。

雙極性電晶體也可以設計為受到光照射時導通，因為基極吸收光子會產生光電流，其效應類似基極電流，集極電流一般是光電流的β倍，這類的電晶體一般會在封裝上有一透明窗，稱為光電晶體。

### 場效電晶體（FET）

<image>

場效電晶體利用電子（N通道FET）或是電洞（P通道FET）導通電流。場效應電晶體都有閘極（gate）、汲極（drain）、源極（source）三個極，若不是結型場效應電晶體，還會有一極，稱為體（body）。大部份的場效應電晶體中，體（body）會和源極相連。

在場效應電晶體中，源汲極電流會流過連接源極和汲極之間的通道，導通程度會依閘極和源極之間的電壓產生的電場而定，因此可以利用閘源極電壓控制源汲極電流，做為一個簡單的開關。當閘源極電壓Vgs變大時，若Vgs小於臨界電壓VT時，源汲極電流Ids會指數方式增加，若Vgs大於臨界電壓VT時，源汲極電流和閘源極電壓會有以下的平方關係$I_{ds} \propto (V_{gs}-V_T)^2$，其中VT是臨界電壓。不過在一些現代的元件中，觀察不到上述的平方特性，像是65奈米及以下通道長度的元件。

場效應電晶體可以分為兩種：分別是結型場效應管（JFET）及絕緣閘極場效電晶體（IGFET），後者最常見的是金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），其名稱上反映了其原始以金屬（閘極）、氧化物（絕緣層）及半導體組成的架構。結型場效應電晶體在源汲極之間形成了PN二極體。因此N通道的JFET類似真空管的三極體，兩者也都是運作在空乏區，都有高輸入阻抗，也都用輸入電壓來控制電流。