【PCB工艺】晶体管的发展历史

晶体管被认为是20世纪最伟大的发明之一，因为没有晶体管就不会有现代电脑、手机或平板​​，你也无法阅读到这里的内容，因为不存在网络。 ——本文纯粹出于对过往奋斗在这个领域中科学家的缅怀。科学家有太多宝贵的思想和经验值得我们认真总结和提炼，我想最好的纪念是传承，最好的告慰是奋进，同样在我们的工作和生活之中，要秉承先辈的科研精神 —— “做科学，不是简单地承担一项或几项课题就完事了，要从科研中找到你的责任，找到你的担当，这是科研者应该具备的品格。”

半导体的理论研究和技术应用的进展为新型电子器件的诞生奠定了理论和技术条件。这一切起源于1945年，贝尔实验室成立了以 肖克利(William Shockley) 和 摩根(Stanley Morgan) 领导的固体物理研究小组，其中肖克利还成立以 沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)、皮尔逊(Gerald Pearson)、吉布尼(Robert Gibney) 和 约翰·巴丁(John Bardeen) 为核心成员的固体物理半导体研究分组。根据分工，皮尔逊研究硅晶体和锗晶体的特性，布拉顿研究半导体的表面现象，肖克利和巴丁负责实验的理论解释。根据肖克利的安排，巴丁着手研究“场效应”检验。 实验中，当用锗晶体代替硅晶体时，出现了肖克利预测的场效应现象。1947年11月21日，在测量晶体上电位分布时巴丁向布拉顿偶然建议，用一根金属的尖端刺到硅片上，通过改变周围电解质的电压来改变点触下方的硅晶体的电阻，由此控制流入到接触点上的电流。此后，他们用锗晶体代替硅晶体，用各种方法不断缩小两个接触点之间的距离，终于在12月16日出现了功放系数高达450%的奇迹，一种新型的电子器件诞生了。1948年6月30日，这种新型电子器件被正式命名为晶体管(transistor)。

晶体管的发明推动了半导体工业、计算机、信息技术的发展，使得电子器件更小、更快、更节能，被认为是现代科技最重要的发明之一。

然而，肖克利因在关键实验中没有在场而错失点接触晶体管的发明。紧接着，在1949年，肖克利提出PN结和面结型晶体管理论，并在实验室研制出结型晶体管。结型晶体管因优势明显，很快取代了点接触晶体管，获得了广泛应用。此后，相继出现PNP合金管、合金扩散管和台面晶体管等。1952年，肖克利发明结型场效应晶体管及其基本理论。1953年，肖克利研制出硅结型场效应晶体管。1956年，因肖克利对三种晶体管及其制作工艺都做出了重大贡献，与巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理学奖。

1956 年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山（Mountain View）贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克利（William Shockley，1910—1989）、美国伊利诺伊州乌尔班那伊利诺伊大学的巴丁（John Bardeen，1908—1991）和美国纽约州缪勒海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉坦（Walter Brattain，1902—1987），以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。

1945 年夏，一项以半导体材料为主要内容的固体物理学研究任务在贝尔实验室确定了下来。1946 年 1 月，正式成立固体物理研究组，其宗旨就是要对固体物理学进行深入探讨，从而指导半导体器件的研制。正如巴丁在诺贝尔奖演说词中说的：“这项研究计划的总目标是想在原子理论的基础上（而不是凭经验），对半导体现象获得尽可能完整的理解。”

贝尔实验室创建于 1925 年，它隶属于美国电话电报公司（AT&T）及其子公司西方电器公司，后来几经并转，发展成为“全美最大的制造发明工厂”。1987 年职工人数21 000 人，其中专家 3 400 人，研究经费 20 亿美元，是世界最大的由企业经办的科学实验室之一，历年来发明了有声电影（1926 年）、电动计算机（1937 年）、晶体管（1947 年）、激光器（1960 年），发现电子衍射（1927 年）和宇宙微波背景辐射（1965 年）等，先后有多位科学家获诺贝尔物理学奖。

贝尔实验室视基础研究为战略需要，而基础研究面向实际应用，和开展新技术紧密结合，使支持它的企业以技术领先在世界上处于不败之地。正是这一方针，导致晶体管不是在别的地方，而是在这个一贯重视半导体研究的贝尔实验室问世。由于晶体管比电子管有体积小、耗电省、寿命长、易固化等优点，它的诞生使电子学发生了根本性的变革，晶体管的发现拨快了自动化和信息化的步伐，从今往后，对人类社会的经济和文化产生了深刻的影响。

晶体管由半导体材料组成，至少有三个对外端点称之为极。晶体管受控极输入的电流或电压，改变输出端的阻抗，从而控制通过输出端的电流，因此晶体管可以作为电流开关，而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率，因此晶体管可以作为电子放大器。

晶体管有不同的类型，如双极结型、场效应型、光敏型和磁敏型，分别受电流、电压、光强和磁场的控制。它在电子电路中有多种应用，如放大器、开关、振荡器和稳压器等。晶体管是现代电子的基本构建块之一。

晶体管的由来

1946 年在贝尔实验室成立了固体物理研究组，最初的成员共有七位专家。组长肖克利是半导体物理学理论家，副组长是摩根（S.Morgan）。另外还有半导体专家皮尔逊（G.L.Pearson）和实验物理学家布拉坦。巴丁也是这个小组的成员，他是一位出色的固体物理学家。此外，物理化学家吉布尼（R.B.Gibney）、电子线路专家**摩尔（H.R.Moore）也是小组成员。这个小组还跟冶金学家，电子技术专家，材料科学专家保持密切联系。就在这个时候，贝尔实验室的奥尔（R.S.Ohl）**等人已经掌握了有效的提纯工艺，能够用掺杂的方法控制半导体的导电类型，为制备高质量的半导体材料准备了条件。小组内成员齐心协力，互补长短，学术上开展民主、有新想法、新问题，就及时讨论。他们目标明确，集体攻关，很快就取得了出人意料的成果。

首先，由理论家肖克利根据莫特-肖特基的整流理论和当时的实践经验，提出了一个预言。 他认为，假如半导体片的厚度与表面空间电荷层相近，即有可能用垂直于表面的电场来调节表面层的电阻率，从而使平行于表面的电流受到控制。这样，就有可能产生放大效应。这个大胆的设想实际上就是后来 “场效应管”的先导， 然而无论在理论上和实验上，“场效应管”当时都还未成熟。莫特-肖特基的整流理论在解释掺杂半导体的性质时遇到难以解释的矛盾。20 世纪 30 年代后期，上面提到的奥尔在研究半导体材料时，把掺五价元素杂质的硅叫 N 型硅（因电子过剩，载流子呈负性），掺三价元素杂质的硅叫 P 型硅（因电子欠缺，载流子呈正性）。如果根据莫特-肖特基的整流理论，则 N 型硅和 P 型硅相接触时，将会产生可观的接触电势差，但是实际上却没有观测到这样的接触电势差，更无法由此做成整流器。

经过认真研究，巴丁提出了表面态理论。他认为，半导体的表面上有可能吸附一些正离子或负离子，从而使半导体表面形成表面能级，就像半导体内的杂质会使半导体内部形成杂质能级一样。巴丁的表面态理论使人们对表面和界面的认识提高了一大步，指引了前进的方向。肖克利和巴丁测量了一系列杂质浓度不同的 P 型和 N 型硅的表面接触电势。他们发现，经过不同表面处理或在不同的气氛中，接触电势也不相同。接着，布拉坦在实验中注意到，光照射到硅的表面会引起接触电势的变化。这就产生了光生电动势。

为了研究光生电动势的变化，小组成员做了大量实验，其中包括测量锗和硅的接触电势与温度的关系。为了避免水汽凝结在半导体表面，他们把样品和参考电极浸在液体中，所用的液体实际上是电解质，例如普通的水，电解质可以起导电作用。他们发现，液滴浸润会使光生电动势大大增加。而且，如果改变样品与电极之间电压的大小和极性时，光生电动势也随之改变。经过讨论，他们很快就明白了，这正是肖克利指出的场效应。电解液改变了半导体表面的电荷分布和电势分布，从而影响到半导体表面的导电性。这一发现促使固体物理小组增强了利用场效应达到放大作用的信心。又是富有创见的巴丁第一个提出新的方案。他根据场效应原理设计了半导体放大器件的几何装置图，与布拉坦商议后，立即到实验室做实验。他们用一层薄石蜡封住金属针尖，再把针尖插入 P 型硅片经过处理已经变成 N 型的表面内，如图 1 所示。在针尖周围放一滴水作电解液，使水接触到硅表面。针与水互相绝缘。果然，实验结果与预计相符：加在水和硅片之间的电压会改变从硅片流向针尖的电流。就在这天，他们获得了半导体器件的功率放大效应。他们改用 N 型锗来做实验，放大效果更好。眼看半导体放大器件成功了，然而，事情并没有那么简单，这种装置并没有实用价值。首先一个问题是，水易于蒸发，难以维持稳定的表面态，即使改用不易挥发的硼酸二醇，也还存在响应频率过低的问题。这个装置只能在 8 Hz 以下的频率工作。电解液的动作太缓慢了，必须想办法改进。

图 1：在针尖周围放一滴水（作电解液），使水接触到硅表面

在进一步的实验中，他们注意到电解液下面的锗表面有一层氧化膜，氧化膜是绝缘的，于是就直接在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，氧化膜在金点与锗片之间起绝缘作用。在金点中央留一小孔以便让针尖与锗片接触。然而当他们在两极之间加上电压时，意外的事出现了。针尖与金点之间发生了放电现象，继而锗片流向针尖的电流大增。原来，氧化膜不甚牢靠，绝缘层很容易就被破坏了。显然这一方案是行不通的。但是，他们一点儿也没有泄气。他们决定在锗表面上做两个充分靠近的点接触，他们想方设法把两根极细的金丝以最近的距离接触锗片，金丝的直径约 5 密耳（1密耳 = 10 −3 英寸），两根丝的间距要小于 2 密耳，这在工艺上简直是无法实现的难题。然而，实验技术非常高明的布拉坦竟想出了一条妙计。他让助手剪了一块三角形的塑料片，在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，金箔两端连接引线，以便接通电源进行检查。然后小心地用薄刀片从三角形塑料片的顶端把金箔割开。由于顶端非常尖细，可以做到两侧的间距非常小。再用弹簧加压的方法把塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上，如图 2 所示。布拉坦在笔记上这样写道：“我发现，假如我轻轻地摇动它，使它处于最佳的接触位置，就可以得到半导体与金箔两端的两个点接触。一个当成发射极，另一个当成集电极。这样，我就得到了一个放大倍数达 100 量级的放大器。而且音频还是清晰的。”

图 2：用弹簧加压的方法把塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上

图 3：三角形塑料片用弹簧压接在锗片表面上

接着，他们又做了振荡实验，证明半导体器件也可以用作振荡器。

第一个晶体管是点接触型的，使用起来还不够方便。肖克利于 1948 年 1 月，又构思了一种新型的晶体管。其结构有点像三明治，N 型半导体夹在两层 P 型半导体之间，这就是结型晶体管。他写了一篇关于这一设计的论文，可是《物理评论》杂志拒绝发表，认为论文中所用的量子力学不够精确。肖克利不服，于 1948 年 6 月，为结型晶体管的设计申请了专利，又在 1949 年写了一篇题为《半导体中的 P-N 结和 P-N 结型晶体管的理论》，后来发表在贝尔实验室内部的杂志上。接着，又在 1950 年出版的著作《半导体中的电子和空穴》中详尽地讨论了结型晶体管的原理，1952年编辑了《近乎完美晶体的缺陷》。书集包括肖克利关于漂移和扩散的批判性思想以及控制固态晶体中电子流动的微分方程。 还描述了肖克利的二极管方程。这项开创性的工作成为其他科学家的参考书，他们致力于开发和改进晶体管以及基于半导体的其他器件的新变体。他的工作早就受到同行的广泛注意。然而，由于半导体材料的单晶化长期没有解决，拖延了对他的理论进行验证。直到蒂尔（G.K.Teal）和利特尔（J.B.Little）研究成功生长大单晶锗的工艺后，肖克利才在 1950 年 4 月制成第一个结型晶体管。结型晶体管的实际应用比点接触型晶体管广泛得多，从此，开始了电子技术的新纪元。

在结型晶体管的基础上发展起来的电子技术日新月异，从小规模集成电路，到中规模集成电路，大规模集成电路，再到超大规模集成电路，一代一代，层出不穷，透过技术的发展深刻的改善了人类社会的生活方式。以肖克利、巴丁、布拉坦为代表的贝尔实验室固体小组为人类社会作出了不朽的贡献。

结构及原理

晶体管一般都有三个极，其中一极兼任输入及输出端子，(B)基极不能做输出，©集电极不能做输入之外，其余两个极组成输入及输出对。

晶体管之所以有如此多用途在于其信号放大能力，当微细信号加于其中的一对极时便能控制在另一对极较大的信号，这特性叫增益。当晶体管于线性工作时，输出的信号与输入的讯息成比例，这时晶体管就成了一放大器。这是在模拟电路中的常用方式，例如电子放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路； 当晶体管的输出不是完全关闭就是完全导通时，这时晶体管便是被用作开关使用。这种方式主要用于数字电路，例如数字电路包括逻辑门、随机存取内存（RAM）和微处理器。另外在开关电源中，晶体管也是以这种方式工作。

而以何种形式工作，主要取决于晶体管的特性及外部电路的设计。双极性晶体管的三个极，发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）; 射极到基极的微小电流，会使得发射极到集电极之间的阻抗改变，从而改变流经的电流；场效应晶体管的三个极，源极（Source）、闸（栅）极（Gate）和漏极（Drain）。 在栅极与源极之间施加电压能够改变源极与漏极之间的阻抗，从而控制源极和漏极之间的电流。

晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随隅器）。晶体管在应用上有许多要注意的最大额定值，例如最大电压、最大电流、最大功率。若在超额的状态下使用，会破坏晶体管内部的结构。每种型号的晶体管还有像是直流放大率hFE、NF噪讯比等特性，可以借由晶体管规格表得知。

技术指标：晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。

电流放大系数：电流放大系数是指晶体管的输出电流与输入电流之比，反映了晶体管的放大能力。电流放大系数分为共射直流放大系数（β）和共基直流放大系数（α），它们之间的关系是：β=α/(1-α)。

耗散功率：耗散功率是指晶体管在工作时所消耗的功率，它决定了晶体管的温升和稳定性。耗散功率与集电极电流和集电极电压的乘积成正比，即P=IcVce。耗散功率不能超过晶体管的最大允许值，否则会导致晶体管损坏。

频率特性：频率特性是指晶体管对不同频率信号的放大能力，它受到晶体管内部结电容和寄生电感的影响。频率特性可以用特征频率（fT）来表示，它是指使共射交流电流放大系数降低到1的信号频率。特征频率越高，表明晶体管对高频信号的放大能力越强。

集电极最大电流：集电极最大电流是指使晶体管的直流放大系数明显下降的集电极电流值，它反映了晶体管的饱和程度。集电极最大电流与晶体管的结构和材料有关，一般在规格书中给出。

最大反向电压：最大反向电压是指使晶体管发生击穿现象的极间反向电压值，它反映了晶体管的耐压能力。最大反向电压与晶体管的结构和材料有关，一般在规格书中给出。

反向电流：反向电流是指在极间加反向电压时通过晶体管的微小电流，它反映了晶体管的漏电现象。反向电流与温度有关，温度越高，反向电流越大。反向电流越小，表明晶体管的性能越稳定。

晶体管的特性

晶体管是一种半导体器件，可以用于放大或开关电信号和功率。晶体管的特性是指它在不同的工作状态下的电压、电流和功率之间的关系。晶体管的特性可以用图形或数学公式来表示，常见的有以下几种：

输入特性

指在固定的输出电压下，输入电压与输入电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，输入特性是基极-发射极电压V BE 与基极电流I B 之间的关系。输入特性反映了晶体管输入端的阻抗，也影响了晶体管的放大能力。

输出特性

指在固定的输入电流下，输出电压与输出电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，输出特性是集电极-发射极电压V CE 与集电极电流 I C 之间的关系。输出特性反映了晶体管输出端的阻抗，也影响了晶体管的功率放大能力。

NPN型晶体管的伏安特性曲线

传输特性

指在固定的输出电压下，输入电流与输出电流之间的关系。例如，在共射极连接方式下，传输特性是基极电流 I B 与集电极电流 I C 之间的关系。传输特性反映了晶体管的电流放大能力，也称为电流放大系数或β值。

MOS管开关特性

频率特性

指在不同的信号频率下，晶体管放大倍数或增益随频率变化的关系。频率特性反映了晶体管对高频信号的响应能力，也影响了晶体管在通信、数字和模拟电路中的应用范围。

晶体管频率特性曲线

晶体管的分类

晶体管又称为晶体三极管，最常见的两种晶体管为场效应晶体管（FET）和双极性晶体管（BJT），常见的分类方法为：按材料分类（最早使用的分类）、按工作原理分类、按结构形式分类、按功率等级分类、按频率特性分类等。

严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。

晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。

晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极(Base) 和集电极（Collector），分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随耦器）。

晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其 他现代电子电路的基本构建块。由于其响应速度快，准确性高，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

按半导体材料分类

材料：按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。

硅（Si）晶体管
硅是最常用的半导体材料，用于制造各种类型的晶体管，如双极型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）等。硅晶体管具有成本低、工艺成熟、可靠性高等优点，广泛应用于数字电路、模拟电路、功率电路等领域。

碳（C）晶体管
碳是一种具有多种同素异形体的元素，其中石墨烯和碳纳米管是两种具有潜在应用价值的二维和一维碳材料。基于石墨烯和碳纳米管的晶体管已经被实验制造出来，表现出高迁移率、高开关比、高频率等特性，有望用于超大规模集成电路、柔性电子器件、生物传感器等领域。

三五族半导体晶体管
三五族半导体是指由元素周期表第三族和第五族元素组成的化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碲化镉（CdTe）等。三五族半导体晶体管具有高电子迁移率、高频率、高温度稳定性等特性，适合用于微波、光电等领域。

有机半导体晶体管
有机半导体是指由碳和氢组成的有机分子或聚合物构成的半导体材料，如聚苯乙烯（P3HT）、富勒烯（C60）等。有机半导体晶体管具有低成本、易加工、可柔性等优点，可用于制造有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池、有机传感器等器件。

按工作原理分类

双极性晶体管（BJT）
双极性晶体管同时利用半导体中的多数载流子及少数载流子导通，因此得名。双极性晶体管是第一个量产的晶体管，是由二种不同接面的二极管组成，其结构可分为二层N型半导体中间夹一层P型半导体的NPN晶体管，以及二层P型半导体中间夹一层N型半导体的PNP晶体管。因此会有二个PN结，分别是基极-发射结及基极-集电结，中间隔着一层的半导体，即为基极。双极性晶体管和场效应晶体管不同，双极性晶体管是低输入阻抗的器件。当基集电极电压（Vbe）提高时，集电极发射极电流（Ice）会依肖克基模型及艾伯斯-莫尔模型，以指数形式增加。因此双极性晶体管的跨导比FET要高。双极性晶体管也可以设计为受到光照射时导通，因为基极吸收光子会产生光电流，其效应类似基极电流，集电极电流一般是光电流的β倍，这类的晶体管一般会在封装上有一透明窗，称为光晶体管。

场效应晶体管（FET）
场效应晶体管利用电子（N沟道FET）或是空穴（P沟道FET）导通电流。场效应晶体管都有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个极，若不是结型场效应晶体管，还会有一极，称为体（body）。大部分的场效应晶体管中，体（body）会和源极相连。在场效应晶体管中，源漏极电流会流过连接源极和漏极之间的沟道，导通程度会依栅极和源极之间的电压产生的电场而定，因此可以利用闸源极电压控制源漏极电流，做为一个简单的开关。当闸源极电压Vgs变大时，若Vgs小于临界电压 VT 时，源漏极电流 I ᵈˢ 会指数方式增加，若Vgs大于临界电压VT 时，源漏极电流和闸源极电压会有以下的平方关系 I ᵈˢ 正比于 (Vgs - VT ) ²，其中 VT 是临界电压。不过在一些现代的器件中，观察不到上述的平方特性，像是65纳米及以下沟道长度的器件。场效应晶体管可以分为两种：分别是结型场效应管（JFET）及绝缘栅极场效应管（IGFET），后者最常见的是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），其名称上反映了其原始以金属（栅极）、氧化物（绝缘层）及半导体组成的架构。结型场效应晶体管在源漏极之间形成了PN二极管。因此N沟道的JFET类似真空管的三极管，两者也都是运作在耗尽区，都有高输入阻抗，也都用输入电压来控制电流。

隧道晶体管（TFT）
隧道晶体管是一种利用量子隧穿效应来控制电流的器件，它有两种类型：共栅隧道晶体管（CGT）和共源隧道晶体管（CST）。隧道晶体管的三个极分别是发射极（E）、栅极（G）和集电极（C）。发射极到栅极之间存在一个势垒，当栅极施加一个负电压时，发射极的电子可以通过量子隧穿效应跨越势垒，从而形成集电极电流。隧道晶体管具有开关速度快、功耗低、灵敏度高等优点。

有机晶体管（OFET）
有机晶体管是一种利用有机半导体材料来构成导电通道的器件，它有两种类型：有机场效应晶体管（OFET）和有机双极性晶体管（OBT）。有机晶体管的三个极分别是源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。在栅极与源漏之间施加电压能够改变有机半导体层中的载流子浓度，从而控制源漏之间的电流。有机晶体管具有低成本、易加工、可柔性等优点。

按结构形式分类

工艺：晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。

点接触式晶体管
点接触式晶体管是最早的一种双极性晶体管，它由两个金属点接触在一块N型或P型半导体上构成。点接触式晶体管具有结构简单、制作方便的优点，但也存在稳定性差、噪声大、频率特性差等缺点，已经基本淘汰。

BJT及JFET符号

面接触式晶体管
面接触式晶体管是一种改进的双极性晶体管，它由两个金属片与一块N型或P型半导体紧密贴合构成。面接触式晶体管比点接触式晶体管具有更好的稳定性和频率特性，但仍存在漏电流大、寿命短等问题，已经很少使用。

异质结晶体管
异质结晶体管是一种利用不同半导体材料之间的异质结来实现电流控制的器件，它可以分为双极性异质结晶体管（HBT）和场效应异质结晶体管（HFET）。异质结晶体管具有高速、高频、低噪声、低功耗等优点，广泛应用于微波、光电、太赫兹等领域。

复合结构晶体管
复合结构晶体管是一种将双极性晶体管和场效应晶体管相结合的器件，它可以分为双极型场效应晶体管（BiFET）和双极型互补金属氧化物半导体场效应晶体管（BiCMOS）。复合结构晶体管兼具双极性晶体管和场效应晶体管的优势，能够实现高速、高集成度、低功耗等性能，适合用于模拟和数字混合信号处理。

按功率等级分类

电流容量：晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。

小功率晶体管
小功率晶体管是指集电极最大耗散功率在1W以下的晶体管，它们通常用于低频、中频、高频的信号放大、振荡、调制等电路中。小功率晶体管的特点是结构简单、价格低廉、工作稳定，但不能承受较大的电流和电压。小功率晶体管的常见封装形式有TO-92、TO-18、SOT-23等。

中功率晶体管
中功率晶体管是指集电极最大耗散功率在1W~10W之间的晶体管，它们通常用于中频、高频的信号放大、开关、稳压等电路中。中功率晶体管的特点是结构较复杂、价格适中、工作可靠，能承受较大的电流和电压。中功率晶体管的常见封装形式有TO-126、TO-220、TO-3P等。

大功率晶体管
大功率晶体管是指集电极最大耗散功率在10W以上的晶体管，它们通常用于高频、超高频的信号放大、开关、调制等电路中。大功率晶体管的特点是结构复杂、价格昂贵、工作效率高，能承受很大的电流和电压。大功率晶体管的常见封装形式有TO-3、TO-247、TO-264等。

按频率特性分类

工作频率：晶体管按工作频率可分为低频晶体管、中频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。

低频晶体管
低频晶体管是指工作频率在几十千赫兹以下的晶体管，它们通常用于音频信号的放大、调制、检波等电路中。低频晶体管的特点是结构简单、成本低、噪声小、线性度好，但不能适应高速信号的处理。低频晶体管的常见类型有普通双极性晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。

中频晶体管
中频晶体管是指工作频率在几十千赫兹到几百兆赫兹之间的晶体管，它们通常用于中频信号的放大、振荡、混频、变频等电路中。中频晶体管的特点是结构较复杂、成本适中、速度较快、频率特性较好，但噪声较大，线性度较差。中频晶体管的常见类型有高速双极性晶体管（HBT）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等。

高频晶体管
高频晶体管是指工作频率在几百兆赫兹到几千兆赫兹之间的晶体管，它们通常用于高频信号的放大、振荡、调制、检波等电路中。高频晶体管的特点是结构复杂、成本高、速度快、噪声小、功率大，但线性度极差，需要特殊的设计和匹配。高频晶体管的常见类型有砷化镓双极性晶体管（GaAs HBT）、砷[shēn]化镓场效应晶体管（GaAs FET）、碳化硅双极性晶体管（SiC BJT）、碳化硅场效应晶体管（SiC FET）等。

按应用分类

封装结构：晶体管按封装结构可分为金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、表面封装（片状）晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。

按功能和用途：晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。

信号放大晶体管
信号放大晶体管是指用于放大微弱的电信号的晶体管，它们通常工作在线性区，以保持信号的波形不变。信号放大晶体管的特点是输入阻抗高、输出阻抗低、增益高、失真小、频带宽等。信号放大晶体管的常见类型有双极性晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。

开关晶体管
开关晶体管是指用于控制电路的开关状态的晶体管，它们通常工作在饱和区或截止区，以实现电流的通断。开关晶体管的特点是开关速度快、功耗低、驱动电压小、寿命长等。开关晶体管的常见类型有绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、功率MOSFET等。

功率放大晶体管
功率放大晶体管是指用于放大较大的电功率的晶体管，它们通常工作在非线性区，以提高效率。功率放大晶体管的特点是输入阻抗低、输出阻抗高、增益低、失真大、散热量大等。功率放大晶体管的常见类型有硅掺杂碳化硅双极性晶体管（SiC BJT）、碳化硅场效应晶体管（SiC FET）、砷化镓双极性晶体管（GaAs HBT）、砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）等。

电力晶体管
电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

光晶体管
光晶体管（phototransistor）由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收，产生光生载流子，通过内部电放大机构，产生光电流增益。光晶体管三端工作，故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓（GaAs），主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。双极型光晶体管通常增益很高，但速度不太快，对于GaAs-GaAlAs，放大系数可大于1000，响应时间大于纳秒，常用于光探测器，也可用于光放大。场效应光晶体管响应速度快（约为50皮秒），但缺点是光敏面积小，增益小（放大系数可大于10），常用作极高速光探测器。与此相关还有许多其他平面型光电器件，其特点均是速度快（响应时间几十皮秒）、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。

双极晶体管
双极晶体管（bipolar transistor）指在音频电路中使用得非常普遍的一种晶体管。双极则源于电流系在两种半导体材料中流过的关系。双极晶体管根据工作电压的极性而可分为NPN型或PNP型。

双极结型
“双极”的含义是指其工作时电子和空穴这两种载流子都同时参与运动。双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又称为半导体三极管，它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN两种组合结构；外部引出三个极：集电极，发射极和基极，集电极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引出（基区在中间）；BJT有放大作用，重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小，另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置（加正向电压）、集电结要反偏置；BJT种类很多，按照频率分，有高频管，低频管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半导体材料分，有硅管和锗管等；其构成的放大电路形式有：共发射极、共基极和共集电极放大电路。

双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）


场效应晶体管
“场效应”的含义是这种晶体管的工作原理是基于半导体的电场效应的。
场效应晶体管（field effect transistor）利用场效应原理工作的晶体管，英文简称FET。场效应晶体管又包含两种主要类型：结型场效应管（Junction FET，缩写为JFET)和金属-氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET，缩写为MOS-FET）。与BJT不同的是，FET只由一种载流子（多数载流子）参与导电，因此也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

场效应晶体管（field effect transistor）FET
场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小，以控制半导体导电层（沟道）中多数载流子的密度或类型。它是由电压调制沟道中的电流，其工作电流是由半导体中的多数载流子输运。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极型晶体管。与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声小、极限频率高、功耗小，制造工艺简单、温度特性好等特点，广泛应用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。以硅材料为基础的金属0-氧化物-半导体场效应管（MOSFET)和以砷化镓材料为基础的肖特基势垒栅场效应管（MESFET ）是两种最重要的场效应晶体管，分别为MOS大规模集成电路和MES超高速集成电路的基础器件。


静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)


静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器 件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。
但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便。此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

单电子晶体管
用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。随着半导体刻蚀技术和工艺的发展，大规模集成电路的集成度越来越高。以动态随机存储器(DRAM)为例，它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展，预计单电子晶体管将是最终的目标。目前一般的存储器每个存储元包含了20万个电子，而单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子，因此它将大大降低功耗，提高集成电路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在实验上发现了库仑阻塞现象。在调制掺杂异质结界面形成的二维电子气上面，制作一个面积很小的金属电极，使得在二维电子气中形成一个量子点，它只能容纳少量的电子，也就是它的电容很小，小于一个？F (10~15法拉)。当外加电压时，如果电压变化引起量子点中电荷变化量不到一个电子的电荷，则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时，才有电流通过。因此电流-电压关系不是通常的直线关系，而是台阶形的。这个实验在历史上第一次实现了用人工控制一个电子的运动，为制造单电子晶体管提供了实验依据。为了提高单电子晶体管的工作温度，必须使量子点的尺寸小于10纳米，目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题。有些实验室宣称已制出室温下工作的单电子晶体管，观察到由电子输运形成的台阶型电流——电压曲线，但离实用还有相当的距离。

绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

晶体管的主要参数

主要参数
晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。

放大系数
直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。

交流放大倍数
交流放大倍数，也即交流电流放大系数、动态电流放大系数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。
hFE或β既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。

耗散功率
耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。
耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。
通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。

特征频率fT
晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时，其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。

最高频率fM
最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。

最大电流
集电极最大电流（ICM）是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流IC超过ICM时，晶体管的β值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。

最大反向电压
最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括集电极—发射极反向击穿电压、集电极—基极反向击穿电压和发射极—基极反向击穿电压。

集电极——集电极反向击穿电压
该电压是指当晶体管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压，一般用VCEO或BVCEO表示。

基极—— 基极反向击穿电压
该电压是指当晶体管发射极开路时，其集电极与基极之间的最大允许反向电压，用VCBO或BVCBO表示。

发射极——发射极反向击穿电压
该电压是指当晶体管的集电极开路时，其发射极与基极与之间的最大允许反向电压，用VEBO或BVEBO表示。

集电极——基极之间的反向电流ICBO
ICBO也称集电结反向漏电电流，是指当晶体管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。ICBO对温度较敏感，该值越小，说明晶体管的温度特性越好。

集电极——发射极之间的反向击穿电流ICEO　
ICEO是指当晶体管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流，也称穿透电流。此电流值越小，说明晶体管的性能越好。

根据发展历程

1> 真空三极管
1939年2月,Bell实验室有一个伟大的发现，硅p_n结的诞生。1942年，普渡大学Lark_Horovitz领导的课题组中一个名叫Seymour Benzer的学生，发现锗单晶具有其它半导体所不具有的优异的整流性能。这两个发现满足了美国政府的要求，也为随后晶体管的发明打下了伏笔。

2> 点接触晶体管
1945年二战结束,Shockley等发明的点接触晶体管成为人类微电子革命的先声。为此,Shockley为Bell递交了第一个晶体管的专利申请。最终还是获得了第一个晶体管专利的授权。

3> 双极型与单极型晶体管
Shockley在双极型晶体管的基础上，于1952年进一步提出了单极结型晶体管的概念，即今天所说的结型晶体管。其结构与pnp或npn双极型晶体管类似，但在p_n材料的界面存在一个耗尽层，以使栅极与源漏导电沟道之间形成一个整流接触。同时两端的半导体作为栅极。通过栅极调节源漏之间电流的大小。

4> 硅晶体管
仙童半导体由一个几人的公司成长为一个拥有12000个职工的大企业。

5> 集成电路
在1954年硅晶体管发明之后，晶体管的巨大应用前景已经越来越明显。科学家的下一个目标便是如何进一步把晶体管、导线及其它器件高效地连接起来。

6> 场效应晶体管与MOS管
1961年,MOS管的诞生。1962年，在RCA器件集成研究组工作的Stanley, Heiman和Hofstein等发现，可以通过扩散与热氧化在Si基板上形成的导电带、高阻沟道区以及氧化层绝缘层来构筑晶体管，即MOS管。

7> 微处理器(CPU)
英特尔公司在创立之初，目光仍然集中在内存条上。Hoff把中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，再加上存储器；这就是世界上的第一片微处理器—4004(1971年)。4004的诞生标志着一个时代的开始，随后英特尔在微处理器的研究中一发不可收拾，独领风骚。
1989年，英特尔推出了80486处理器。1993年，英特尔研制成功新一代处理器，本来按照惯常的命名规律是80586。1995年英特尔推出Pentium_Pro。1997年英特尔发布了PentiumII处理器。1999年英特尔发布了Pentium III处理器。2000年发布了Pentium 4处理器。

8> 最小晶体管——量子点设备模板

据物理学家组织网报道，美国与澳大利亚科学家成功制造出世界上最小的晶体管——由7个原子在单晶硅表面构成的一个“量子点”，标志着我们向计算能力的新时代迈出了重要一步。量子点（quantum dot）是纳米大小的发光晶体，有时也被称为“人造原子”。虽然这个量子点非常小，长度只有十亿分之四米，但却是一台功能健全的电子设备，也是世界上第一台用原子故意造出来的电子设备。它不仅能用于调节和控制像商业晶体管这样的设备的电流，而且标志着我们向原子刻度小型化和超高速、超强大电脑新时代迈出的重要一步。

晶体管[电子元件] 的优势

同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

1. 构件没有消耗
   无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。
2. 消耗电能极少
   仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。
3. 不需预热
   一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。
4. 结实可靠
   比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。
5. 重要性
   晶体管，本名是半导体三极管，晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。
   晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等的发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动（active）元件。晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。

虽然数以百万计的单体晶体管还在使用，绝大多数的晶体管是和二极管，电阻，电容一起被装配在微芯片（芯片）上以制造完整的电路。特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中的威力日益显露出来以后，为争夺电子领域的优势地位，世界各国展开了激烈的竞争。为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助。

晶体管的应用领域

通信电子

晶体管可以用来制作无线电、雷达、卫星、电话、网络等通信设备，实现信号的发射、接收、处理和传输。

计算机和数字电路

晶体管是构成微处理器、存储器、逻辑门等数字集成电路的核心元件，实现数据的存储、运算和控制。

模拟电路

晶体管可以用来制作运算放大器、滤波器、振荡器等模拟集成电路，实现信号的放大、变换和调节。

传感器和生物电子

晶体管可以用来制作温度、压力、湿度、光强、化学物质等各种传感器，以及与人体或生物相容的电子设备，实现对环境或生理参数的检测和反馈。

功率电子

晶体管可以用来制作开关电源、逆变器、驱动器等功率电子设备，实现对大功率或高频信号的控制和转换。

交流伺服驱动器

至此，此处为肖克利、巴丁于 1956年11月 发表的论文原文：

肖克利论文链接
巴丁论文链接

以上。

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