《電子技術(shù)應(yīng)用》
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晶體管的分類及重要性

2016-08-15
關(guān)鍵詞: ADI TI FPGA DSP

電力晶體管

  電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管,是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT),所以有時(shí)也稱為Power BJT;其特性有:耐壓高,電流大,開關(guān)特性好,但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)功率大;GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。

光晶體管

  光晶體管(phototransistor)由雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件。光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收,產(chǎn)生光生載流子,通過內(nèi)部電放大機(jī)構(gòu),產(chǎn)生光電流增益。光晶體管三端工作,故容易實(shí)現(xiàn)電控或電同步。光晶體管所用材料通常是砷化鎵(CaAs),主要分為雙極型光晶體管、場(chǎng)效應(yīng)光晶體管及其相關(guān)器件。雙極型光晶體管通常增益很高,但速度不太快,對(duì)于GaAs-GaAlAs,放大系數(shù)可大于1000,響應(yīng)時(shí)間大于納秒,常用于光探測(cè)器,也可用于光放大。場(chǎng)效應(yīng)光晶體管響應(yīng)速度快(約為50皮秒),但缺點(diǎn)是光敏面積小,增益小(放大系數(shù)可大于10),常用作極高速光探測(cè)器。與此相關(guān)還有許多其他平面型光電器件,其特點(diǎn)均是速度快(響應(yīng)時(shí)間幾十皮秒)、適于集成。這類器件可望在光電集成中得到應(yīng)用。  

雙極晶體管

  雙極晶體管(bipolar transistor)指在音頻電路中使用得非常普遍的一種晶體管。雙極則源于電流系在兩種半導(dǎo)體材料中流過的關(guān)系。雙極晶體管根據(jù)工作電壓的極性而可分為NPN型或PNP型。 

雙極結(jié)型晶體管

  雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)又稱為半導(dǎo)體三極管,它是通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件,有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu);外部引出三個(gè)極:集電極,發(fā)射極和基極,集電極從集電區(qū)引出,發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出,基極從基區(qū)引出(基區(qū)在中間);BJT有放大作用,重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的,為了保證這一傳輸過程,一方面要滿足內(nèi)部條件,即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度,同時(shí)基區(qū)厚度要很小,另一方面要滿足外部條件,即發(fā)射結(jié)要正向偏置(加正向電壓)、集電結(jié)要反偏置;BJT種類很多,按照頻率分,有高頻管,低頻管,按照功率分,有小、中、大功率管,按照半導(dǎo)體材料分,有硅管和鍺管等;其構(gòu)成的放大電路形式有:共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。 

場(chǎng)效應(yīng)晶體管

  場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effect transistor)利用場(chǎng)效應(yīng)原理工作的晶體管。英文簡(jiǎn)稱FET。場(chǎng)效應(yīng)就是改變外加垂直于半導(dǎo)體表面上電場(chǎng)的方向或大小,以控制半導(dǎo)體導(dǎo)電層(溝道)中多數(shù)載流子的密度或類型。它是由電壓調(diào)制溝道中的電流,其工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子輸運(yùn)。這類只有一種極性載流子參加導(dǎo)電的晶體管又稱單極型晶體管。與雙極型晶體管相比,場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗高、噪聲小、極限頻率高、功耗小,制造工藝簡(jiǎn)單、溫度特性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種放大電路、數(shù)字電路和微波電路等。以硅材料為基礎(chǔ)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和以砷化鎵材料為基礎(chǔ)的肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管(MESFET)是兩種最重要的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,分別為MOS大規(guī)模集成電路和MES超高速集成電路的基礎(chǔ)器件。  

靜電感應(yīng)晶體管

  靜電感應(yīng)晶體管SIT(Static Induction Transistor)誕生于1970年,實(shí)際上是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件,其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng),甚至超過電力MOSFET,而功率容量也比電力MOSFET大,因而適用于高頻大功率場(chǎng)合,目前已在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。

  但是SIT在柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的,柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷,這被稱為正常導(dǎo)通型器件,使用不太方便。此外,SIT通態(tài)電阻較大,使得通態(tài)損耗也大,因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。  

單電子晶體管

  用一個(gè)或者少量電子就能記錄信號(hào)的晶體管。隨著半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)和工藝的發(fā)展,大規(guī)模集成電路的集成度越來越高。以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM) 為例,它的集成度差不多以每?jī)赡暝黾铀谋兜乃俣劝l(fā)展,預(yù)計(jì)單電子晶體管將是最終的目標(biāo)。目前一般的存儲(chǔ)器每個(gè)存儲(chǔ)元包含了20萬(wàn)個(gè)電子,而單電子晶體管每個(gè)存儲(chǔ)元只包含了一個(gè)或少量電子,因此它將大大降低功耗,提高集成電路的集成度。1989年斯各特(J.H. F.Scott-Thomas)等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象。在調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)界面形成的二維電子氣上面,制作一個(gè)面積很小的金屬電極,使得在二維電子氣中形成一個(gè)量子點(diǎn),它只能容納少量的電子,也就是它的電容很小,小于一個(gè)?F (10~15法拉)。當(dāng)外加電壓時(shí),如果電壓變化引起量子點(diǎn)中電荷變化量不到一個(gè)電子的電荷,則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個(gè)電子電荷的變化時(shí),才有電流通過。因此電流-電壓關(guān)系不是通常的直線關(guān)系,而是臺(tái)階形的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了用人工控制一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng),為制造單電子晶體管提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為了提高單電子晶體管的工作溫度,必須使量子點(diǎn)的尺寸小于10納米,目前世界各實(shí)驗(yàn)室都在想各種辦法解決這個(gè)問題。有些實(shí)驗(yàn)室宣稱已制出室溫下工作的單電子晶體管,觀察到由電子輸運(yùn)形成的臺(tái)階型電流——電壓曲線,但離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。  

絕緣柵雙極晶體管

  絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT)綜合了電力晶體管(Giant Transistor—GTR)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點(diǎn),具有良好的特性,應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛;IGBT也是三端器件:柵極,集電極和發(fā)射極。 

晶體管的重要性

  晶體管被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一,在重要性方面可以與印刷術(shù),汽車和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實(shí)際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵主動(dòng)(active)元件。晶體管在當(dāng)今社會(huì)的重要性主要是因?yàn)榫w管可以使用高度自動(dòng)化的過程進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的能力,因而可以不可思議地達(dá)到極低的單位成本。

  雖然數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的單體晶體管還在使用,絕大多數(shù)的晶體管是和二極管,電阻器,電容器一起被裝配在微芯片(芯片)上以制造完整的電路。模擬的或數(shù)字的或者這兩者被集成在同一顆芯片上。設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)復(fù)雜芯片的生產(chǎn)成本是相當(dāng)高的,但是當(dāng)分?jǐn)偟酵ǔ0偃f(wàn)個(gè)生產(chǎn)單位上,每個(gè)芯片的價(jià)格就是最小的。一個(gè)邏輯門包含20個(gè)晶體管,而2005年一個(gè)高級(jí)的微處理器使用的晶體管數(shù)量達(dá)2.89億個(gè)。

  晶體管的成本,靈活性和可靠性使得其成為非機(jī)械任務(wù)的通用器件,例如數(shù)字計(jì)算。在控制電器和機(jī)械方面,晶體管電路也正在取代電機(jī)設(shè)備,因?yàn)樗ǔJ歉阋耍行У貎H僅使用標(biāo)準(zhǔn)集成電路并編寫計(jì)算機(jī)程序來完成同樣的機(jī)械任務(wù),使用電子控制,而不是設(shè)計(jì)一個(gè)等效的機(jī)械控制。

  因?yàn)榫w管的低成本和后來的電子計(jì)算機(jī),數(shù)字化信息的浪潮來到了。由于計(jì)算機(jī)提供快速的查找、分類和處理數(shù)字信息的能力,在信息數(shù)字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(fā)布的,最終通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化和呈現(xiàn)為模擬形式。受到數(shù)字化革命影響的領(lǐng)域包括電視,廣播和報(bào)紙。


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