什么是晶体管?它是如何工作的?

您的大脑包含约1000亿个称为神经元的细胞，这些微小的开关可让您思考和记住事物。 计算机还包含数十亿个微型“脑细胞”。 它们被称为晶体管，由硅制成，硅是沙子中常见的化学元素。 自从半个多世纪前John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley发明晶体管以来，晶体管就彻底改变了电子技术。 但是它们是什么？它们如何工作？

场效应晶体管FET是一种三端有源器件，它使用电场来控制电流，并且具有高输入阻抗，这在许多电路中都很有用。场效应晶体管FET是在电子工业的许多领域中使用的关键电子组件。从射频技术到功率控制和电子开关再到一般放大等领域，FET用在许多由分立电子元件构成的电路中。但是场效应晶体管FET的主要用途是在集成电路内部。在此应用中，FET电路的功耗比使用双极晶体管技术的IC低得多。这使得超大规模集成电路能够操作。如果使用双极技术，则功耗将大几个数量级，并且产生的功率太大而无法从集成电路中耗散掉。

除了用于集成电路之外，分立版本的场效应晶体管还可用作含铅电子组件和表面贴装器件。一系列场效应晶体管-2N7000 N沟道MOSFET-尽管它们有许多表面贴装器件，但它们都是带引线的电子组件。

场效应晶体管FET历史

在将第一批FET引入电子元件市场之前，这一概念已经存在了很多年。在实现这种类型的设备并使之工作方面存在许多困难。

1926年Lilienfield的一篇论文概述了场效应晶体管的一些早期概念，而Heil于1935年的另一篇论文概述了一些早期的概念。

下一个基金会是在1940年代贝尔实验室成立的，在那里半导体研究小组得以成立。该小组研究了与半导体和半导体技术有关的许多领域，其中一个领域是可以调节半导体通道中流过的电流的设备，从而在电场附近施加电场。

在这些早期实验中，研究人员无法使这个想法付诸实践，无法将他们的想法转变为另一个想法，并最终发明了另一种形式的半导体电子元件：双极晶体管。

在此之后，大部分半导体研究都集中在改进双极晶体管上，并且一段时间以来，对于场效应晶体管的想法还没有得到充分研究。现在，FET已被广泛使用，在许多集成电路中提供了主要的有源元件。没有这些电子组件，电子技术将与现在的技术大不相同。

场效应晶体管基础知识

场效应晶体管的概念基于以下概念：附近物体上的电荷可以吸引半导体通道内的电荷。它实际上是利用电场效应来运作的，因此得名。

FET由一个半导体通道组成，该半导体通道的两端都有电极，称为漏极和源极。

称为栅极的控制电极非常靠近通道放置，因此其电荷能够影响通道。

这样，FET的栅极控制从源极流到漏极的载流子（电子或空穴）的流动。它通过控制导电通道的大小和形状来实现。

发生电流流动的半导体沟道可以是P型或N型。这产生了两种类型或类别的FET，称为P沟道和N沟道FET。

除此之外，还有另外两个类别。增大栅极上的电压会耗尽或增加通道中可用载流子的数量。结果，存在增强型FET和耗尽型FET。

由于只有电场才控制通道中流动的电流，因此该设备被认为是电压驱动的，并且具有很高的输入阻抗，通常为许多兆欧。与电流操作且具有低得多的输入阻抗的双极晶体管相比，这可能是一个明显的优势。

场效应管电路

从具有分立电子元件的电路中使用的场效应晶体管到集成电路中所使用的晶体管，场效应晶体管被广泛用于所有形式的电路中。

关于场效应晶体管电路设计的注意事项：

尽管三种基本配置是公共源极，公共漏极（源极跟随器）和公共栅极，但场效应晶体管可以用于多种类型的电路。电路设计本身非常简单，可以很容易地进行。

由于场效应晶体管是电压驱动的器件，而不是像双极晶体管那样的电流器件，因此这意味着电路的某些方面非常不同：尤其是偏置装置。但是，采用FET的电子电路设计相对容易-与使用双极型晶体管的电路略有不同。

使用FET，可以设计电路，例如电压放大器，缓冲器或电流跟随器，振荡器，滤波器等等，并且这些电路与双极晶体管甚至热电子阀/真空管的电路非常相似。有趣的是，阀/管也是电压操作的设备，因此，即使在偏置装置方面，它们的电路也非常相似。

场效应晶体管类型

有很多方法可以定义可用的不同类型的FET。不同的类型意味着在电子电路设计期间，可以为电路选择合适的电子组件。通过选择正确的器件，可以为给定的电路获得最佳性能。

FET可以通过多种方式进行分类，但是下面的树形图可以涵盖FET的一些主要类型。

市场上有许多不同类型的FET，其名称各不相同。以下是一些主要类别的延迟。

结FET/JFET：结FET或JFET使用反向偏置的二极管结来提供栅极连接。该结构由可以是N型或P型的半导体通道组成。然后，以使二极管上的电压影响FET沟道的方式将半导体二极管制造到沟道上。

在工作中，这是反向偏置的，这意味着它与通道有效隔离-只有二极管反向电流可以在两者之间流动。JFET是最基本的FET类型，也是最早开发的类型。但是，它仍然在许多电子领域提供出色的服务。

绝缘栅极FET/金属氧化物硅FET MOSFET：MOSFET在栅极和沟道之间使用绝缘层。通常，其由半导体的氧化物层形成。

IGFET名称是指具有绝缘栅的任何类型的FET。IGFET最常见的形式是硅MOSFET-金属氧化物硅FET。在此，栅极由一层金属层制成，该金属层位于氧化硅上，而氧化硅又位于硅沟道上。MOSFET广泛用于电子学的许多领域，尤其是在集成电路中。

IGFET/MOSFET的关键因素是这些FET能够提供的极高的栅极高阻抗。就是说，将有一个相关的电容，随着频率的升高，这将减小输入阻抗。

双栅极MOSFET：这是MOSFET的一种特殊形式，沿通道具有两个串联的栅极。与单栅极设备相比，这可以实现一些显着的性能改进，尤其是在射频方面。

MOSFET的第二个栅极在输入和输出之间提供了额外的隔离，此外，它还可用于混合/乘法等应用。

MESFET：金属硅FET通常使用砷化镓制造，通常被称为GaAs FET。GaAsFET通常用于可提供高增益，低噪声性能的RF应用。GaAsFET技术的缺点之一是栅极结构非常小，这使其对静电，ESD的损坏非常敏感。处理这些设备时必须格外小心。

HEMT/PHEMT：高电子迁移率晶体管和伪高电子迁移率晶体管是基本FET概念的发展，但经过开发可实现非常高的频率操作。尽管价格昂贵，但它们可以实现很高的频率和高水平的性能。

FinFET：FinFET技术现在正在集成电路中使用，以通过允许更小的特征尺寸来实现更高级别的集成。由于需要更高的密度级别，并且越来越难以实现越来越小的特征尺寸，因此FinFET技术得到了越来越广泛的应用。

VMOS：垂直MOS的VMOS标准。这是一种使用垂直电流来改善开关和载流性能的FET。VMOS FET广泛用于电源应用。

尽管在文献中还可以看到其他类型的场效应晶体管，但这些类型通常是特定技术的商品名，它们是上面列出的某些FET类型的变体。

场效应管规格

除了为任何给定的电路选择特定类型的场效应晶体管外，还必须了解不同的规格。通过这种方式，可以确保FET将按照要求的性能参数运行。

FET规范包括从允许的最大电压和电流到电容电平和跨导的所有内容。这些都在确定任何特定FET是否适合给定电路或应用中发挥着作用。

场效应晶体管技术可用于许多不适合使用双极型晶体管的领域：这些半导体器件中的每一个都有其自身的优缺点，并且可以在许多电路中发挥巨大作用。场效应晶体管具有很高的输入阻抗，是一种电压驱动的器件，这使其可以在许多领域中使用。

FET数据手册包含许多不同的参数和规格，这些参数和规格定义了特定FET类型的性能。

在开发新电路或更换现有FET时，重要的是要了解数据表中出现的不同参数和规格，以便可以选择和使用正确的器件。

所有规格和参数在不同的应用中都很重要。同样取决于器件，FET数据表可能会引用与器件所针对的特定参数相关的不同参数。

FET数据表的主要规格和参数

数据表中使用的一些主要FET规格定义如下。其中一些参数对于不同类型的FET（例如JFET）特别重要，而其他一些参数可能更适用于MOSFET等。

栅极源电压V GS： FET参数V GS是栅极和源极端子之间可以承受的最大电压的额定值。在数据手册中包括此参数的目的是为了防止损坏栅极氧化物。实际的栅极氧化耐受电压通常远高于此值，但由于制造过程中存在的公差而会发生变化。建议保持在此额定值范围内，以保持设备的可靠性。通常，许多设计规则表明该设备只能运行至该额定功率的60％或70％。

漏极-源极电压V DSS：这是在不引起雪崩击穿的情况下可以施加的最大漏极-源极电压的额定值。该参数通常针对栅极与源极短路以及温度为25°C的情况给出。根据温度，雪崩击穿电压实际上可能小于V DSS额定值。

设计电路时，始终最好在要承受的最大电压和V DSS规范之间留出较大的余量。通常，它们可以在50％V DSS左右运行以确保可靠性。

栅极反向漏电流Igss：

阈值电压V GS（TH）： 阈值电压V GS（TH）是可以在源极和漏极之间形成导电通道的最小栅极电压。通常针对给定的源极漏极电流引用该值。

零栅极电压I dss时的漏极电流：此FET参数是在设备完全开启时设备可以承受的最大连续电流。通常，它是针对特定温度（通常为25°C）指定的。

该FET规范基于结至外壳的热阻额定值RθJC（结/沟道温度）和外壳温度。

该FET参数对于功率MOSFET尤其重要，当确定最大电流参数时，不考虑开关损耗。在实践中也将壳体保持在25℃是不可行的。结果，实际开关电流应限制为小于I dss的一半在硬开关应用中TC = 25°C额定值时。通常使用三分之一到四分之一的值。

栅源截止电压VGS（off）： 栅源截止电压实际上是一个关断指标。它定义了给定残余电流的阈值电压，因此该设备基本上处于关闭状态，但处于开启状态。阈值电压具有负温度系数，即，它随温度升高而降低。该温度系数还会影响开启和关闭延迟时间，从而影响某些电路。

正向跨导G fs：

输入电容C iss： FET的输入电容参数是在栅极和源极端子之间测量的电容，漏极与AC信号的源极短路。换句话说，这实际上是栅极和沟道之间的电容。C iss由与栅极至源极电容C gs并联的栅极至漏极电容C gd组成。可以表示为：

漏极-源极导通电阻，R ds（on）：在FET硬导通的情况下，这是在漏极和源极之间的沟道上展现的电阻（以欧姆为单位）。在从逻辑切换到电源切换的应用以及RF切换（包括混频器的应用）中，这一点尤其重要。FET通常能够提供良好的开关性能，并且具有相对较低的R ds（on）值。

功耗，P tot：该FET规范详细说明了器件可以消耗的最大连续功率。功耗通常在空气中独立放置，或将底座保持在给定温度（通常为25°C）下指定。实际条件，无论是放在散热器中还是在自由空气中，都将取决于设备类型和制造商。显然，功率FET在保持在散热器上的情况下更可能详述，而自由空气条件适用于信号FET。

FET数据表包含许多不同的参数和规格，以定义FET的性能。这些都在各种数据表中列出，这将使正确选择FET成为可能。

晶体管在计算器和计算机中如何工作？

实际上，除非您要设计用于生活的计算机芯片，否则您不需要了解任何有关电子和空穴的知识！您需要知道的是，晶体管的工作原理类似于放大器或开关，它使用较小的电流来接通较大的晶体管。但是还有另一件事需要了解：这一切如何帮助计算机存储信息并做出决策？

我们可以将几个晶体管开关放在一起，以形成称为逻辑门的东西，该逻辑门比较多个输入电流并提供不同的输出。逻辑门使计算机可以使用称为布尔代数的数学技术做出非常简单的决策。您的大脑以同样的方式做出决策。例如，使用有关天气和走廊上的东西的“输入”（您知道的东西），您可以做出这样的决定：“如果下雨了，我带了雨伞，我会去商店”。这是使用“与”运算符的布尔代数的示例（单词“ operator”只是一些数学术语，使事情看起来比实际复杂得多）。您可以与其他运营商做出类似的决定。“如果有风或正在下雪，那么我会穿上外套”是使用OR运算符的示例。或“如果下雨了，我有雨伞或我有一件外套，那没关系”。使用AND，OR和其他运算符NOR，XOR，NOT和NAND，计算机可以累加或比较二进制数。这个想法是计算机程序：使计算机执行操作的逻辑指令系列。

通常，当没有基极电流时，结型晶体管会“截止”，而当基极电流流动时，结型晶体管会变为“导通”。这意味着需要电流才能打开或关闭晶体管。但是像这样的晶体管可以与逻辑门相连，因此它们的输出连接会反馈到其输入中。然后，即使去除了基极电流，晶体管也会保持导通状态。每次有新的基极电流流过时，晶体管就会“翻转”开或关。它保持在那些稳定状态之一（开或关），直到出现另一种电流并以另一种方式翻转它。这种安排被称为触发器，它将晶体管变成一个简单的存储设备，该设备存储一个零（关闭时）或一个（打开时）。计算机内存芯片。

谁发明了晶体管？

图稿：点接触晶体管的原始设计，如John Bardeen和Walter Brattain的美国专利（2，524，035）所述，该专利于1948年6月（原始发现之后约六个月）提交，并于1950年10月3日授予。简单的PN晶体管，在N型锗（橙色）的下层上有一层薄的P型锗（黄色）。三个触点是发射极（E，红色），集电极（C，蓝色）和基极（G，绿色）。您可以在以下参考文献中列出的原始专利文件中阅读更多内容。艺术品由美国专利商标局提供。

1947年，三位杰出的美国物理学家在新泽西州的贝尔实验室发明了晶体管：约翰·巴丁（1908–1991），沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）（1902–1987）和威廉·肖克利（1910–1989）。

由肖克利（Shockley）领导的团队一直在尝试为美国电话系统开发一种新型放大器，但是他们实际发明的放大器却得到了更为广泛的应用。Bardeen和Brattain于1947年12月16日星期二制造了第一个实用晶体管（称为点接触晶体管）。尽管Shockley在该项目中发挥了很大作用，但他为被淘汰而感到愤怒和激动。此后不久，他在一次物理会议上的旅馆住宿期间，一手搞清楚了结型晶体管的原理，这是一种比点接触型晶体管更好的器件。

当Bardeen离开Bell Labs成为一名学者（他继续在伊利诺伊大学学习超导体的过程中获得了更大的成功）时，Brattain呆了一段时间，然后退休成为一名老师。肖克利成立了自己的晶体管制造公司，并帮助激发了现代现象，即“硅谷”（硅谷）（电子公司聚集在加利福尼亚州帕洛阿尔托附近的繁华地区）。他的两名员工Robert Noyce和Gordon Moore继续创立了世界上最大的微芯片制造商Intel。

几年后，Bardeen，Brattain和Shockley短暂团聚，因为他们的发现而获得了世界最高科学奖 1956年诺贝尔物理学奖。
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