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晶体管是一种固体半导体器件(包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等,有时特指双极型器件),具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关不同,晶体管利用电信号来控制自身的开合,所以开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。
1947年,美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。2016年,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,完成了计算技术界的一大突破。
晶体管由什么组成?
晶体管是由三层半导体组成,它们具有保持电流的能力。诸如硅和锗之类的导电材料具有在导体和被塑料线包围的绝缘体之间传输电流的能力。半导体材料通过某种化学程序(称为半导体掺杂)进行处理。
如果硅中掺有砷,磷和锑,它将获得一些额外的电荷载流子即电子,称为 N型或负半导体;而如果硅中掺有其他杂质(如硼),镓,铝,它将获得较少的电荷载流子即空穴,被称为 P型或正半导体。
(视频来源:TEDEd,翻译:@Turbo小小周)
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型组成的发射极、基极和集电极;场效应晶体管的三个极,分别是源极、栅极和漏极。
晶体管因为有三种极性,所以也有三种使用方式,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)。
在双极性晶体管中,射极到基极的很小电流,会使得发射极到集电极之间,产生大电流;在场效应晶体管中,在栅极施加小电压,来控制源极和泄极之间的电流。
晶体管的工作原理讲解视频
在模拟电路中,晶体管用于放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路;在计算机电源中,主要用于开关电源。晶体管也应用于数字电路,主要功能是当成电子开关。数字电路包括逻辑门、随机存取内存(RAM)和微处理器。
晶体管在使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。在超额的状态下使用,晶体管内部的结构会被破坏。每种型号的晶体管还有特有的特性,像是直流放大率hfe、NF噪讯比等,可以借由晶体管规格表或是Data Sheet得知。
晶体管在电路中最常用的是信号放大这一方面,其次是阻抗匹配、信号转换等,晶体管在电路中是个很重要的元件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。
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