晶体管(transistor)是一种由半导体材料制成的电子器件,一般具有3个以上电极,可用来放大或开关电信号,是现代电子设备的基本组成单元。它通过在一个电极上施加电压或电流,控制另外两个电极之间流过的电流,由于受控的输出功率可以高于控制端的输入功率,因此能够实现信号放大。1947 年 12 月,美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿研制出首个点接触式晶体管,此后晶体管逐步取代体积大、耗电多的电子管,推动了集成电路与信息产业的发展[1]。
定义
晶体管泛指以半导体材料制成的单个电子元件,通常指具有3个电极、能起放大、振荡或开关作用的半导体器件,也称半导体三极管或晶体三极管[2]。英文名 transistor 由“跨阻”一词演变而来,原意指向输出端电压变化与输入端电流变化之比,反映了输入端对输出端的控制能力[3]。
按结构与导电机理,晶体管主要分为双极型晶体管与场效应晶体管两类[4]。双极型晶体管工作时电子和空穴都参与导电,属于电流控制器件;场效应晶体管只由一种载流子导电,是电压控制器件[5]。此外还有光晶体管、磁敏晶体管等特殊用途的器件[4]。
原理
双极型晶体管由两个 PN 结构成,分别称为发射结和集电结,两者之间是一层很薄的半导体材料,即基区。与发射结、集电结相连的电极分别是发射极和集电极,基区上的电极称为基极[4]。应用时发射结正向偏置,集电结反向偏置,发射区注入基区的载流子大部分扩散到集电结被电场收集,形成集电极电流,只有极少部分在基区复合形成基极电流[6]。
在共发射极电路中,微小的基极电流变化可以控制较大的集电极电流变化,集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数,这就是双极型晶体管的电流放大效应[4]。设发射极电流为 $I_E$、集电极电流为 $I_C$、基极电流为 $I_B$,三者满足 $I_E = I_C + I_B$,共发射极电流增益可写作 $\beta = I_C / I_B$[7]。
场效应晶体管的工作方式不同,它依靠栅极电压在沟道中产生电场,吸引或排斥载流子,从而改变源极与漏极之间沟道的导电能力[8]。栅极与沟道之间有绝缘层,栅极基本不取电流,因此输入阻抗很高,可达 $10^9$ 至 $10^{14}$ 欧姆[9]。
发展历程
在晶体管出现之前,电信号的放大主要依靠电子管(真空三极管)。这种器件体积大、寿命短、耗能高且易损坏,限制了应用范围,人们一直希望用固态器件将其替换[3]。1945 年秋,贝尔实验室成立以肖克利为首的半导体研究小组,成员包括巴丁和布拉顿[10]。
1947 年 12 月,巴丁和布拉顿把两个间距很小的金电极压在锗半导体表面,制成了点接触式晶体管,首次试验时能把音频信号放大[10]。这种器件存在噪声大、适用范围窄等缺点[11]。
此后肖克利提出以“整流结”代替金属—半导体接点的设想,1950 年第一只 PN 结型晶体管问世,其性能与肖克利原先的设想一致[12]。1956 年,肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管共同获得诺贝尔物理学奖[1]。此前的 1951 年,硅材料制成的晶体管也已出现[13]。
20 世纪 60 年代,平面工艺被用于晶体管制造,它利用光刻技术和二氧化硅膜的掩蔽作用进行选择扩散,使 PN 结不再暴露在外,提高了器件的可靠性与参数一致性[14]。1965 年,时任仙童半导体公司工程师的戈登·摩尔提出,芯片上集成的元件数量大约每年增加一倍,这一观察后来被称为摩尔定律[15]。1975 年,摩尔将翻倍周期修正为每两年一次[16]。随着器件尺寸逼近物理极限,平面结构逐渐被三维结构取代,英特尔公司在 22 纳米节点率先实现了鳍式场效应晶体管的产业化[16]。
应用
晶体管最基本的用途是信号放大与开关。双极型晶体管线性度较好,常用于音频放大器、射频前端等小信号放大场合;场效应晶体管的输入阻抗高、开关速度快,适合高频开关电源、电机驱动等场景[17]。
在数字电路中,由 n 沟道与 p 沟道场效应晶体管配对的互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑,只在开关翻转时消耗明显电流,静态功耗低,自 20 世纪 80 年代以来成为数字集成电路设计的主流[18]。功率晶体管则广泛用于变频器、逆变器、斩波器等电力电子装置的主回路,用作可控开关[6]。微波、毫米波频段的通信与雷达设备则使用砷化镓、氮化镓等化合物半导体制成的场效应器件[8]。
局限
晶体管并非没有代价。双极型晶体管需要持续的基极电流才能维持导通,静态损耗较大,且电流增益随温度变化明显[17]。功率双极型晶体管的过载能力较差,耐压不易提高,未采用复合结构时放大倍数只有 10 倍上下[6]。
场效应晶体管虽然输入阻抗高、功耗低,但随着耐压升高其导通电阻迅速增大,高压下难以胜任大功率应用。此外,当栅极长度缩小到与源漏耗尽区相当时,栅极会部分失去对沟道的静电控制,导致关断状态下漏电流增大,即短沟道效应[18]。
工艺层面同样存在制约。有研究指出,芯片工厂的研究与维护成本高昂,而制程不断接近半导体的物理极限,继续缩小器件尺寸愈发困难[15]。以摩尔定律为代表的集成度增长节奏在 2013 年前后已出现放缓[15]。
参见
参考资料
- 微电子技术的先导——纪念晶体管诞生七十周年 [引用日期2026-10-14]
- 相关工具书解释 [引用日期2026-10-14]
- 信息时代的“建材”——晶体管，已经走过了70年 [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-半导体器件 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-14]
- 场效应管与晶体管的区别 [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-双极型功率晶体管 [引用日期2026-10-14]
- Junction Transistor - Chapters and Articles [引用日期2026-10-14]
- Field effect transistors | IEEE Technology Navigator [引用日期2026-10-14]
- 场效应管 VS 三极管 [引用日期2026-10-14]
- 晶体管诞生的星星之火可以燎原 [引用日期2026-10-14]
- 晶體管誕生60周年 科技改變生活 [引用日期2026-10-14]
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- Moore's Law [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-平面晶体管 [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-摩尔定律 [引用日期2026-10-14]
- 摩尔去世，影响世界的“摩尔定律”怎样了 [引用日期2026-10-14]
- 三极管和MOS管，二者的主要区别 [引用日期2026-10-14]
- Field-effect Transistor (fet) | IEEE Technology Navigator [引用日期2026-10-14]