半导体电子学/双极结型晶体管
1904 年，J.A. Fleming 引入了真空二极管。此后不久，1906 年，李·德福斯特在二极管中增加了第三个元素控制栅极，从而制造了第一个真空管放大器三极管。到 1930 年，在电子工业的推动下，真空管拥有了四个元素，被称为四极管，五个元素的版本被称为五极管。真空管在电子学领域变得如此流行，以至于它们在 1920 年的产量约为 100 万个，到 1937 年上升到 1 亿个。
1947 年 12 月 23 日，沃尔特·H·布拉顿和约翰·巴丁在贝尔电话实验室演示了双极结型晶体管。它比真空管具有明显的优势，没有加热元件，工作时功耗更低，体积小，重量轻，不需要预热。
与真空管不同，它使用寿命更长，可以采用坚固的结构。因此，晶体管取代了真空管，成为主流。
晶体管的结构是将一个反向掺杂的半导体材料放置在两个同向掺杂的半导体之间。或者将 n 型材料放置在两个 p 型材料之间，形成 pnp 型晶体管，或者将 p 型材料放置在两个 n 型半导体之间，形成 npn 型晶体管。
上图显示了 PNP 型晶体管的示意图。可以看出，N 型硅（绿色层）夹在两个 P 型材料（红色层）之间。左侧部分用 P+ 表示，意味着它是高度掺杂的 P 型材料。这个高度掺杂的部分称为**发射极**，它是为晶体管工作提供多数载流子的半导体部分。最右侧是中等掺杂的 P 型材料，称为**集电极**。这部分收集由发射极发射并成功穿过集电极的多数载流子。中间区域用 n- 表示，因为它掺杂了 N 型杂质。减号“-”表示它的掺杂量远低于发射极和集电极。中间区域称为**基极**，它充当一个门，调节从发射极到集电极的电荷流动。
基极的掺杂量只有集电极的十分之一。在实际晶体管中，基极的宽度非常薄。晶体管的总宽度是基极宽度的 150 倍。
类似地，通过将一个轻微掺杂的 P 区夹在高度掺杂和中等掺杂的 N 区之间，我们可以得到一个 NPN 型晶体管，如下所示。
为了了解晶体管是如何工作的，我们将研究 PNP 型晶体管的工作原理。NPN 型晶体管的工作原理与 PNP 型晶体管相同，只是电压和电流方向相反。
以下是 PNP 型晶体管的示意图。可以看出，它的发射极比基极更正，基极比集电极更正。当发射极-基极正向偏置，集电极-基极反向偏置时，晶体管被称为处于**放大区**。在放大区，晶体管充当放大器等。因此，让我们对此进行研究。
参见下图，了解 PNP 型晶体管的放大区偏置。
现在，假设我们移除基极和集电极之间的电压，因此电路如下所示。
让我们分析它。
顾名思义，在共基极或接地基极配置中，基极连接对输入信号和输出信号都是共用的。输入信号应用于晶体管的基极和发射极端子之间，而相应的输出信号从基极和集电极端子之间取出，如图所示。基极端子接地，或者可以连接到某个固定的参考电压点。
流入发射极的输入电流非常大，因为它分别是基极电流和集电极电流的总和，因此集电极电流输出小于发射极电流输入，导致这种类型电路的电流增益为“1”（单位）或更小，换句话说，共基极配置会“衰减”输入信号。
它具有以下特性
- 低输入阻抗
- 高输出阻抗
- 高电压增益
- 单位（或更小）电流增益
晶体管被广泛用作放大器件，可以提供电压增益、电流增益和功率增益。基本放大作用可以通过考虑图 6.1 的电路来理解。该电路被称为共基极电路，因为基极端子对输入电路和输出电路都是共用的。输入电压应用于发射极和基极之间，而输出电压在负载电阻 RL 上形成。输入电压 Ii Vi 的微小变化会导致发射极电流 AlE 的变化，其中 re 是电路的输入阻抗。发射极电流的变化会在负载电阻上产生输出电压的变化，即电压增益 Av 是负载上的电压与输入电压之比，由下式给出：由于 RL 可以做得远大于 re，因此可以实现高电压增益。
除了用作开关来通过控制晶体管的基极信号来“打开”或“关闭”负载电流外，NPN 型晶体管还可以用来产生一个电路，该电路将放大任何应用于其基极端子的微小交流信号。如果首先在晶体管的基极端子上施加一个合适的直流“偏置”电压，从而使其始终在其线性放大区内工作，那么就会产生一个称为共发射极放大器的反相放大器电路。这种共发射极放大器配置之一称为甲类放大器。甲类放大器的工作方式是，晶体管的基极端子被偏置，使晶体管始终在其截止点和饱和点之间的一半工作，从而使晶体管放大器能够准确地再现叠加在直流偏置电压上的交流输入信号的正半周和负半周。如果没有这种“偏置电压”，只有输入波形的正半周会被放大。这种类型的放大器有很多应用，但通常用在音频电路中，例如前置放大级和功率放大级。关于以下所示的共发射极配置，一组曲线，通常称为输出特性曲线，将输出集电极电流 (Ic) 与集电极电压 (Vce) 联系起来，当将不同的基极电流 (Ib) 值应用于相同 β 值的晶体管时。也可以在输出特性曲线上绘制一条直流“负载线”，以显示当应用不同的基极电流值时所有可能的运行点。需要正确设置 Vce 的初始值，以允许输出电压在放大交流输入信号时上下变化，这被称为设置工作点或静止点
使用万用表，我们将红黑表笔分别连接到晶体管的引脚上。首先找到基极。将表笔移动到晶体管的任意引脚，其中一个表笔保持在该引脚上，另一个表笔分别连接到其他两个引脚，即可找到基极。集电极 (C) 我们将红色表笔用于查找集电极。当我们将表笔连接到晶体管的引脚时，我们发现万用表指针偏转到刻度的一半。通过改变表笔位置，我们发现万用表指针偏转超过刻度的一半。
在使用上述技术制造晶体管后，引脚通常用金、铝或镍制成，并将其封装在容器中。那些具有重型结构的晶体管是高功率器件，而那些具有小型罐体（顶帽）或塑料外壳的晶体管是低到中等功率器件。注意实际半导体器件的尺寸非常小。它包含金键合线、铜框架和环氧树脂封装。4 个 (四) 个独立的 pnp 硅晶体管可以封装在 14 引脚的封装中。