集成电路中不可缺少的部件-晶体管

近十年来，随着电子技术的飞速发展，在许多高科技工业产品中，电子元件的使用量大幅增加。在许多新开发的电子元件中，晶体管起着最关键的作用。许多电子元件是无源元件，如电阻器、电容器和电感。它们之所以被称为无源元件，是因为它们对电子信号不产生作用，即不放大或改变电子信号。能对电子信号施加变化的元件称为有源元件。芯片是利用集成电子电路(主要是半导体晶体管)来调制或开关电子信号以达到预期的功能。它们是许多高科技产品的关键部件。

什么是晶体管?

晶体管是控制和调节电信号流动的半导体器件。通过改变电流的传导量或绝缘量，它可以改变电流的电压或流量。它既可以作为开关，也可以作为放大器。晶体管发明于1947年，是当今大多数电子设备的关键部件。从那时起，晶体管取得了许多发展，其中一个主要的发展是双极结晶体管(BJT)。

晶体管的部件:

晶体管由三层半导体材料(端子)组成，它们连接到外部电路并携带电流。施加在晶体管的两个端子上的电压或电流控制通过其中一个端子和第三个端子的电流。

BJT晶体管有以下三个端子:

• Base:用于使能电流传输
• 集电极:晶体管的正极
• 发射极:晶体管的负极

晶体管类型:

1. 双极结晶体管(BJT):在BJT中，流入晶体管的电流控制器件。BJT的三个端子是基极、发射极和集电极。基极和发射极之间很小的电流可以控制集电极和发射极之间较大的电流。bjt包括P-N-P晶体管和N-P-N晶体管。
2. 场效应晶体管(FET):在场效应管中，进入晶体管的电压控制器件。对于FET，三个端子是栅极、源极和漏极。栅极端的电压可以控制源极和漏极之间的电流，场效应管是单极晶体管，可以是n沟道场效应管或p沟道场效应管。FET的主要应用是低噪声放大器、缓冲放大器和模拟开关。
3. 其他类型:FET晶体管有很多种类型，包括mosfet、jfet、itfet、fredfet、ofe等。

BJT晶体管的主要功能:

在BJT晶体管中有两个pn结。在BJT的正常工作中，基极-发射极结正向偏置，基极-集电极结反向偏置，当电流流过基极-发射极结时，电流将流入集电极电路。由于BJT晶体管可以作为P-N或N-P，它也被称为NPN晶体管。

NPN晶体管是如何工作的?

NPN器件的发射极是由n型材料制成的，因此大多数载流子是电子。当基极-发射极结正向偏置时，电子将从n型区移动到p型区，使少数载流子空。空穴向n型区域移动。当它们相遇时，它们就会结合，从而使电流通过连接处。当结反向偏置时，空穴和电子离开结，现在在两个区域之间形成耗尽区，没有电流流过它。

当电流在基极和发射极之间流动时，电子将离开发射极流入基极。通常，电子到达耗尽区时会结合。但该区域的低掺杂水平和薄基底意味着大多数电子可以通过该区域而不与空穴重新结合，并且电子向收集器漂移。通过流过有效的反偏结，电流流过集电极电路。

晶体管的特性是什么?

• 输入特性:在保持输出电压恒定的情况下，输入电流随输入电压的变化而变化。
• 输出特性:在保持输入电流不变的情况下，输出电流与输出电压的关系发生变化。
• 电流传递特性:在保持电压恒定的情况下，输出电流随输入电流的变化而变化。

晶体管的优点是什么?

• 成本更低，体积更小。
• 较低的机械灵敏度。
• 工作电压低。
• 寿命长。
• 不耗电。
• 快速切换。
• 更有效的电路可以被开发出来。
• 用于开发单个集成电路。

晶体管的局限性是什么?

• 晶体管缺乏更高的电子迁移率。
• 当发生电和热事件时，晶体管很容易损坏。
• 晶体管受到电场和辐射的影响。

晶体管的技术发展:

随着晶体管小型化新设备的不断推出，人们对晶体管小型化的要求越来越高，对元件特性的要求也越来越高。随着高科技产品的快速发展，从电脑到智能手机，公众对芯片的计算速度的要求越来越高。这加速了对高性能晶体管的需求。在这种纳米晶体管加工中，应力技术(应变)的引入导致了材料特性的变化，增加了这些器件的功能密度。

随着超大规模集成电路(VLSI)技术的发展，未来晶体管的发展将以人工智能(AI)为重点。人工智能的发展依赖于机器的自我深度学习技术、大数据分析和处理能力。庞大的数据库使机器能够实现智能响应。

人工智能的发展需要处理海量数据和高速计算能力。由于这些要求，超级计算机的硬件在人工智能中起着不可或缺的作用。开发具有超高速计算能力的计算机将是未来发展的重点。

物联网(IoT)也是IC技术的另一个高度重视的应用。物联网可以通过互联网连接无数的电子产品，进行远程控制和数据收集。这些技术发展的巨大可能性只有通过半导体电子元件的不断发展才能实现。因此，未来晶体管仍有无限的发展潜力。