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令人驚訝的是，首個可運行晶體管于 1947 年 12 月 23 日面世，距今已有 70 年！1 晶體管或許是人們發明的最具革命性的元器件之一。它的出現為集成電路、微處理器以及計算機內存的產生奠定了基礎。

在本文中，我們將討論以下內容；

• 何為晶體管？

• 晶體管如何工作？

• 為您的應用選擇晶體管

• 晶體管電路示例

• 晶體管發明歷史

• 供進一步研究的參考鏈接

何為晶體管？

晶體管又稱雙極結型晶體管 (BJT)，是由電流驅動的半導體器件，用于控制電流的流動，其中，基極引線中的較小電流控制集電極和發射極之間較大的電流。它們能用于放大弱信號，用作振蕩器或開關。

晶體管通常由硅晶體制成，采用 N 和 P 型半導體層相互夾合形式。見下圖 1。

圖 1：圖 1a 展示了 2N3904 TO-92 剖視圖，展示了連接到硅基的 E - 發射極、B - 基極和 C – 集電極引線。圖 1b 摘自 1958 年 5 月的 Radio-Electronics 雜志2，圖中顯示了 N 和 P 型層片及其排列情況（當時使用的是鍺材料）。

晶體管密閉并封裝在塑料或金屬圓柱形外殼中，帶有三根引線（圖 2）。

圖 2：各種流行封裝類型及尺寸對比。

晶體管如何工作？

我們將以 NPN 晶體管為例，來說明晶體管的工作原理。要了解這類元件如何作為開關運作，方法很簡單，即想像水流流經閥門控制的水管即可。水壓代表“電壓”，流經水管的水流代表“電流”（圖 3）。大水管代表集電/發射結，中間由閥門隔開，圖中閥門以灰色橢圓形表示，像一塊活動的擋板，由代表基極的小水管中的水流進行致動。閥門保持從集電極到發射極的水壓。當水流流經較小的水管（基極）時，將打開集電/發射結之間的閥門，讓水流經過發射極流向地面（地面表示所有水或電壓/電流的回路）。

圖 3：該圖以圖形化的方式說明了晶體管的工作原理。當水流流經小水管（基極）時，將打開集電/發射結之間的閥門，讓水流經過發射極流向地面。

為您的應用選擇晶體管

如果只是想要打開電路或是開啟負載，您應當考慮以下幾點。確定您是想要通過正電流還是負電流（即分別為 NPN 或 PNP 類型）來偏置或激勵晶體管開關。NPN 晶體管由在基極偏置的正電流驅動（或打開），以控制從集電極到發射極的電流。PNP 型晶體管由在基極偏置的負電流驅動，以控制從發射極到集電極的電流。（注意，PNP 極性與 NPN 相反。）更多詳細信息，請參見下圖 4。

圖 4：各晶體管類型的原理圖符號。

確定偏置電壓后，所需的下一個變量是負載工作所需的電壓和電流量。這些變量將成為晶體管的最小額定電壓和電流。下表 1 和 2 提供了一些常見晶體管及其主要規格，包括其電壓和電流限制。

晶體管，NPN 和 PNP，引線式和表面貼裝式

晶體管電路示例

下圖 5 顯示的電路示例，通過激勵基極打開集射結，或者通過滑動開關向基極施加 5 伏電壓從而偏置晶體管以將其打開。該示例將點亮作為負載使用的 LED。偏置基極時，需正確使用電阻器以防止過電流。我在試驗板中使用引線零件測試我的示例電路。多數工程師在要上市的新產品設計中使用晶體管時，會使用表面貼裝元器件（比 TO-92 封裝尺寸小許多）。此處鏈接將展示 3904 晶體管的各種封裝尺寸。

由于 2N3904 是 NPN 晶體管，所以基極需要正偏置（適當的電壓電平和電阻）才能打開集射結，以獲得合適的電流。此外，負載電阻器 (R1) 的使用也很重要，如此 LED 和晶體管中就不會有過多的電流經過。關于此晶體管的更多信息，請參見 2N3904 規格書。

圖 5：使用 EG1218 滑動開關點亮 LED 的 2N3904 電路示例，包括 C（集電極）、E（發射極）和 B（基極）引腳（圖形用 Scheme-it 繪制）。

圖 6 是使用 PNP 晶體管的夜燈電路示例。

圖 6：使用 PDV-P5003 光電管點亮 LED 的 2N3906 夜燈電路示例（圖形用 Scheme-it 繪制）

晶體管發明簡史

晶體管的出現是從何開始的？這說來話長，我將從電話的發明說起。到底是誰真正發明了第一個能使用的電氣原型，許多人會有不同的見解；不過，毫無爭議的是，Alexander Graham Bell 在 1876 年 3 月 7 日取得了第一個專利3，并隨后成立了美國電話電報公司 (aka AT&T)。1894 年1 前后，Bell 的專利到期。雖然 AT&T 從一開始直到 20 世紀初都主宰著電話市場，但 AT&T 的客戶不斷被新成立的其它公司搶走。因此，AT&T 意識到繼續掌控并擴大電話市場的必要性。1909 年，AT&T 總裁 Theodore Vail1 想要讓電話傳輸橫跨大陸（紐約到加州）。但要做到這點，他們需要高質量的放大器或中繼器來增強長距離傳輸的信號。早在 1906 年，Lee De Forest 借鑒了 John A. Fleming 的成果（Fleming 根據 Thomas Edison 的成果發明了一個叫作“振蕩管”的真空管器件，用于檢測無線電波），并在此基礎上進行改進，從而產生了三極管——一種可用作放大器的低效 3 端子真空管。1912 年，Western Electric Company（AT&T 的制造商）的 Harold Arnold 邀請 Forest 展示他的發明。雖然 Forest 的三極管可在低壓下工作，但為了制作能有效長距離傳輸聲音的中繼器，Arnold 需要三極管能在更高電壓下工作。Arnold 認為他能制造出更好的三極管，因此雇用了科學家來研究該器件的工作原理以及改進方法。1913 年 10 月，他成功了。不久之后，電話線開始大面積安裝。AT&T 多年來一直雇用頂級科學家進行各種研究，在這方面的投資使之意識到，深入的研究能讓他們具備競爭優勢，因此在 1925 年，成立了“貝爾電話實驗室”。

要讓電話線保持正常運作，需要成千上萬的真空管和繼電器。然而，真空管功耗高、體積大，而且經常燒壞。Bell 實驗室的研究主任 Mervin Kelly 從二戰時晶體整流器（用于啟用雷達）的技術發展中獲得啟發，他感到要創造一種元器件來替代昂貴且不可靠的真空管，答案可能就在半導體（一種固態器件）身上。Kelly 找到實驗室中優秀的物理學家之一 William Shockley，向他闡述了自己對于通過線路傳輸聲音的元器件的改進見解。Kelly 表示，如果有一天有噪聲的機械繼電器和功耗大的真空管被固態電子器件替代，將是一件非常令人高興的事。這個想法一直縈繞在 Shockley 心中，并且成為了他的主要目標。Kelly 讓 Shockley 負責找到實現這個想法的方法。

雖然他是個杰出的理論家，但卻并不擅長將他的想法變成現實。Shockley 多次嘗試想要證實他的理論，也就是通過場效應電子轉移理論，激勵半導體上方的板片，從而將半導體的兩側連接起來。他沒有成功。失望之余，他找到 Bell 實驗室的另外兩位物理學家 John Bardeen（精通半導體電子理論）和 Walter Brattain（擅長實驗室設備的原型設計和使用）尋求幫助。之后他們加入了他的團隊。Shockley 同意這兩人組成團隊自行開展研究。多年來他們進行了多次嘗試，想要實現場效應理論，但均以失敗告終。他們仔細檢查了計算結果，發現這些結果理論上應該是可行的。后來，Bardeen 和 Brattain 打破定式思維，用硅和鍺薄片進行實驗，嘗試讓場效應起作用。1947 年的秋天，當 Brattain 遇到了半導體表面凝結水的困難時，實驗出現了轉機。他沒有讓水干燥，反而在硅的頂部滴水并激勵上方的板片，終于觀察到了放大效應。水滴幫助解決了表面勢壘的問題從而有助于形成電子流，但作用太小，不能清晰將聲音信號成功放大為傳輸聲音所需的程度。

1947 年 12 月（世人稱為奇跡月），他們想到取消場效應間隙、去掉水，并制造金觸點接觸半導體的方法。他們改用在當時更容易處理的鍺，并在鍺上使用天然形成的薄氧化膜將其絕緣。然而，隨后進行的多次試驗均未成功。到了 12 月中旬，出于偶然，Walter Brattain 無意間沖洗掉了氧涂層，使得金觸點直接接觸到鍺！成功了！！！他觀察到了良好的放大效應，晶體管起作用了。電子并未按 Shockley 的場效應理論假設的那樣被拉到半導體表面，Brattain/Bardeen 反而發現，通過使用金觸點接觸半導體，他們將空穴注入半導體，實現電流流動。大約在 1947 年的 12 月中旬，他們在 Shockley 不知情的情況下開始制作可運作的原型。Brattain 找到一塊三角形塑料片，將金箔圍到塑料片的斜邊上，并在其三角頂點上開了一條刀片細的縫。這是非常原始的原型設計。他們用回形針制成彈簧將三角形塑料片壓入薄銅板上方的薄鍺半導體上，三角形塑料片兩端各有一根引線。如果愿意，鍺片下的銅板可作為第三根引線（圖 7）使用。最后制成了稱作點接觸晶體管的原型。

Brattain 和 Bardeen 給 Shockley 打電話，告訴他這個好消息。我的研究表明 Shockley 當時心情復雜，一方面對于試驗的成功他感到高興，但又失望不是自己直接創造了它。1947 年 12 月 23 日，距其突破發現一周后，他們向 Shockley 的上司進行了展示（公開宣布是在 1948 年 6 月 30 日）。后來拍了照片以紀念這具有歷史意義的時刻（圖 8）。Shockley 清楚點接觸晶體管易碎，不易走向工業生產，所以他（獨自）竭盡全力對其進行改進。Shockley 拼命工作，嘗試以自己的方式解決此問題……他通過將半導體材料分層放置，使晶體管集成度更高，并在過程中記錄想法。他進行了大量更多的研究，最終完成這一理論，并申請了結式晶體管專利（1948 年 6 月 25 日申請）。功能性 NPN 結式晶體管于 1950 年 4 月 20 日面世（借助于 Gordon Teal 和 Morgan Sparks 的成果）。有關這段歷史的詳情遠遠超出您的想象4。

1956 年 12 月 10 日，因發明了晶體管，William Shockley、John Bardeen 和 Walter Brattain 共同獲得諾貝爾獎。