晶体管

晶体管是由半导体制成的有源电子器件，用于放大信号或切换电流。施加在一个端子上的电压或电流，可以控制另外两个端子之间流过的电流。晶体管既可以是独立封装的元件，也可以是集成电路内部的微小器件。晶体管能够实现可控导电，这是电子信号处理和计算机运行的基础。晶体管主要分为双极结型晶体管和场效应晶体管两大类。(toshiba.semicon-storage.com)

物理原理

半导体的导电能力取决于载流子的浓度和运动。载流子包括电子和电子空穴；电子空穴表示本应被电子占据的电子态中缺少了电子。通过半导体掺杂，精确控制引入的杂质，可以改变载流子浓度：n 型材料的多数载流子是电子，而 p 型材料的多数载流子是空穴。这两类区域的交界处形成p–n 结，其特性取决于所施加的电压。晶体管利用这类结、电场，或两者共同作用来调节导电状态。(toshiba.semicon-storage.com)

晶体管并不产生放大器输出的能量，而是通过输入信号控制外部电源提供的能量。采用适当的电路连接方式，就能使较小的输入变化引起较大的输出变化。用作开关时，电路则采用分别近似对应低导通和高导通状态的工作条件。这些功能既取决于器件本身，也取决于其所在的电路，而不只是取决于半导体材料。(toshiba-semicon-storage.com)

主要类型

双极结型晶体管（BJT）包含发射区、基区和集电区，按 NPN 或 PNP 结构排列。在正常的正向有源工作状态下，发射结正向偏置，集电结反向偏置。从发射区注入的载流子穿过薄薄的基区，其中大部分被集电区收集。电子和空穴都参与这一过程，因此这种器件被称为“双极”晶体管。(toshiba.semicon-storage.com)

在许多电路计算中，集电极电流可近似表示为 $I_C=\beta I_B$，其中 $I_B$ 为基极电流，$\beta$ 为电流增益。电流增益会随工作条件而变化，不同器件之间也存在差异。BJT 用作开关时，通常在截止状态和饱和状态之间切换，而不是始终处于用于放大的正向有源区。(toshiba-semicon-storage.com)

场效应晶体管（FET）利用电场控制源极与漏极之间的导电沟道，其控制端称为栅极。结型场效应晶体管通过反向偏置的结调节沟道。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极则与半导体电绝缘。MOSFET 还具有体端；在分立器件中，体端可能在内部与源极相连。(toshiba-semicon-storage.com)

MOSFET 具有很高的输入阻抗：其栅极在稳态下所需的电流很小，但开关切换时需要对电容充放电。当栅极电压越过特定的阈值时，增强型 MOSFET 的沟道会进入强导通状态。绝缘栅双极晶体管（IGBT）将绝缘栅控制与少数载流子注入结合起来，因此在导通性能与开关性能之间的权衡不同于功率 MOSFET。(toshiba-semicon-storage.com)

放大与数字电路

电子放大器通过偏置设定晶体管的工作点，小信号随后使电流在该工作点附近变化。增益、失真、带宽和噪声取决于器件特性与电路结构。晶体管可以放大连续变化的信号，而不只是充当二进制开关。(toshiba-semicon-storage.com)

数字电路将晶体管组合成逻辑门，用不同的电压范围表示逻辑状态。互补金属氧化物半导体（CMOS）电路将 n 沟道和 p 沟道 MOSFET 配对使用。理想情况下，在稳定的逻辑状态下，电源轨之间不存在直接导通的路径，不过实际电路仍有漏电流。开关切换时，电路中的电容充放电会消耗能量。由逻辑门构成的网络为微处理器提供运算、控制和存储功能。(intel.com)

历史发展

1947 年 12 月，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在贝尔实验室研制出了第一个能够工作的点接触晶体管，两人当时在威廉·肖克利领导的研究小组中工作。这种晶体管采用了位于锗材料上、彼此间距很小的接触点。随后出现的结型器件采用了不同的结构，并在实用半导体电子技术中发挥了重要作用。肖克利、巴丁和布拉顿因半导体研究及晶体管效应的发现，共同获得了 1956 年诺贝尔物理学奖。(nokia.com)

从逐个连接独立器件，转向在一块芯片上制造多个相互连接的晶体管，大幅提高了电路密度。此后，MOS 技术和互补电路成为数字集成电路的核心。这一发展使处理器能够日益复杂，而不必将每个晶体管都作为独立封装的元件进行组装。(timeline.intel.com)

制造与尺寸缩小

集成晶体管是在半导体晶圆上通过反复进行图形化和材料加工步骤制造的。光刻将图形转移到感光涂层中；沉积、刻蚀和掺杂则形成绝缘区、导电区和半导体区。金属互连将制成的器件连接成电路。因此，封装芯片内部包含的是一同制造出来的图形化结构，而不是逐个安装在电路板上的微型元件。(community.intel.com)

微型化使一定面积内能够容纳更多器件，这一趋势与摩尔定律相关。尺寸减小也会增加沟道控制的难度。在鳍式场效应晶体管（FinFET）中，沟道位于狭窄的半导体鳍片内，栅极从多个表面控制沟道。与传统平面结构相比，这种三维几何结构能够改善静电控制，并可减少关断状态下的漏电流。(intel.com)

性能与应用

晶体管的重要参数包括最大电压和电流、增益或跨导、导通电阻或导通压降、开关速度，以及允许的功率耗散。这些额定值取决于规定的工作条件和热条件。功率器件还具有安全工作区，用于界定电压、电流和工作持续时间的允许组合。(toshiba-semicon-storage.com)

晶体管的应用不仅限于计算，还包括信号放大、电源、变换器和电动机驱动。功率 MOSFET 非常适合快速开关，而 IGBT 则广泛用于高电压、大电流的电能变换。两者不同的载流子机制使导通损耗与开关损耗之间存在不同的权衡，因此，同一种晶体管结构并非对所有应用都是最优选择。(toshiba.semicon-storage.com)