晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同,晶体管利用电讯号来控制自身的开合,而且开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。
2016年,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有的最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,完成了计算技术界的一大突破。
严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。
单结晶体管因为具有两个基极,故单结晶体管又称为双基极晶体管。广东数字晶体管2.单结晶体管的特性——伏安特性
单结晶体管的伏安特性,是指在单结晶体管的e、b1极之间加一个正电压Ue,在b2、b1极之间加一个正电压Ubb,其发射极电流Ie与发射极电压Ue的关系曲线。
由单结晶体管的伏安特性曲线可见:
(1)当发射极所加的电压Ue<Up(峰点电压,约6~8V)时,单结晶体管的Ie电流为很小的反向漏电电流,即曲线的AP段。此时,单结晶体管是处于截止状态的,其e、b1极之间的等效阻值非常大,e、b1极之间相当于一个断开的开关。
(2)当发射极所加的电压Ue越过Up峰点电压后,单结晶体管开始导通,随着导通电流Ie的增加,其e极对地的电压Ue是不断下降的,即曲线的PV段。在曲线的PV段,其动态的电阻值是负值的,这一区间又叫负阻区。负阻区是一个过渡区,时间很短,随着Ie电流的增加,电压Ue将很快达到谷点电压Uv。
(3)当Ie增加到谷点电压所对应的电流,即谷点电流Iv之后,Ue将随Ie的增加而增加,即曲线的VB段,其动态电阻是正值的,这一区间又称为饱和区。单结晶体管工作在饱和区时,其e、b1极之间的等效阻值非常小,e、b1极之间相当于一个闭合的开关。
综上所述,单结晶体管的e、b1极之间,相当于一个受发射极电压Ue控制的开关,故可以用来作振荡元件。
广东数字晶体管三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管!
平面晶体管的基区一般都是采用杂质扩散技术来制作的,故其中杂质浓度的分布不均匀(表面高,内部低),将产生漂移电场,对注入到基区的少数载流子有加速运动的良好作用。所以平面晶体管通常也是所谓漂移晶体管。这种晶体管的性能**优于均匀基区晶体管。
传统的平面型晶体管技术,业界也存在两种不同的流派,一种是被称为传统的体硅技术(Bulk SI),另外一种则是相对较新的绝缘层覆硅(SOI)技术。平面Bulk CMOS和FD-SOI曾在22nm节点处交锋了。其中,Bulk CMOS是最***的,也是成本比较低的一种选择,因此它多年来一直是芯片行业的支柱。但随着技术的推进,Bulk CMOS晶体管容易出现一种被称为随机掺杂波动的现象。Bulk CMOS晶体管也会因此可能会表现出与其标称特性不同的性能,并且还可能在阈值电压方面产生随机差异。解决这个问题的一种方法是转向完全耗尽的晶体管类型,如FD-SOI或FinFET。
晶体管内部载流子的运动=0时,晶体管内部载流子运动示意图如下图所示。
1.发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流
因为发射结加正向电压,发射区杂质浓度高,所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时,空穴也从基区向发射区扩散,由于基区杂质浓度低,空穴形成的电流非常小,忽略不计。可见,扩散运动形成了发射极电流。
2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流由于基区很薄,杂质浓度很低,集电结又加反向电压,所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合,其余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。又由于电压的作用,电子与空穴的复合运动将源源不断进行,形成基极电流。
3.集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流由于集电结加反向电压且其结面积较大,基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区,形成漂移电流。可见,在集电极电源的作用下,漂移运动形成集电极电流 世界上***个晶体管是如何工作的!
场效应晶体管(FET)的截面图,其中(a)栅极为0V,(b)栅极为-0.5V,(c)栅极为-1.0V,相对于源极电压。由于栅极上没有电压,电流可以从漏极流向源极。栅极上的负电压很小,电流减小。栅极上的负电压很大,电流停止,晶体管关闭(称为夹断,因为沟道被夹紧闭合)。
如果相对于源极电压(Vgs)的小负电压施加到栅极端子,如图2(b)所示,沟道内的带负电的电子将从栅极和沟道(channel)的一个区域排斥,被称为耗尽区中的自由电子耗尽。耗尽其自由电子的一些沟道(channel)的效果是仅沟道(channel)的底部具有自由电子来传输电流,因此流过沟道(channel)的比较大电流减小。如果如图2(c)所示将更大的负电压施加到栅极端子(Vgs),则电子甚至更远离栅极被排斥,并且耗尽区域一直延伸穿过沟道。当耗尽区一直延伸穿过沟道时,没有自由电子携带电流;此时可以说FET被夹断,发生这种情况的栅极电压称为夹断电压(pinch-off voltage (VP))。当栅极电压(Vgs)设置为或低于夹断电压时,则FET处于“关断”状态。
第三类是可以用来制作成晶体三极管的半导体。三极管晶体管联系方式
三极管工作必要条件是(a)在B极和E极之间施加正向电压(此电压的大小不能超过1V.广东数字晶体管
对于微处理器或“片上系统” (SoC) ,在2017年,单个晶体管的价格以低于每年32% 的速度递减。图3中,32% 适用于2017年生产的所有半导体元件的总数。然而,每个晶体管的成本是由不同种类的半导体元件组成——内存、逻辑、模拟等。从图3可以看出,半导体行业生产的分立存储器件,尤其是NAND FLASH 中的晶体管要远远多于其他类型的半导体器件。当存储器件学习曲线(主要由NAND FLASH 和DRAM 组成)与非存储器件学习曲线分开后,很明显,存储器件的单个晶体管成本和晶体管累积量的增长将远远超过非存储器件。广东数字晶体管
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