半導體電子學/雙極結型電晶體
1904 年，J.A. Fleming 引入了真空二極體。此後不久，1906 年，李·德福斯特在二極體中增加了第三個元素控制柵極，從而製造了第一個真空管放大器三極體。到 1930 年，在電子工業的推動下，真空管擁有了四個元素，被稱為四極管，五個元素的版本被稱為五極管。真空管在電子學領域變得如此流行，以至於它們在 1920 年的產量約為 100 萬個，到 1937 年上升到 1 億個。
1947 年 12 月 23 日，沃爾特·H·布拉頓和約翰·巴丁在貝爾電話實驗室演示了雙極結型電晶體。它比真空管具有明顯的優勢，沒有加熱元件，工作時功耗更低，體積小，重量輕，不需要預熱。
與真空管不同，它使用壽命更長，可以採用堅固的結構。因此，電晶體取代了真空管，成為主流。
電晶體的結構是將一個反向摻雜的半導體材料放置在兩個同向摻雜的半導體之間。或者將 n 型材料放置在兩個 p 型材料之間，形成 pnp 型電晶體，或者將 p 型材料放置在兩個 n 型半導體之間，形成 npn 型電晶體。
上圖顯示了 PNP 型電晶體的示意圖。可以看出，N 型矽（綠色層）夾在兩個 P 型材料（紅色層）之間。左側部分用 P+ 表示，意味著它是高度摻雜的 P 型材料。這個高度摻雜的部分稱為**發射極**，它是為電晶體工作提供多數載流子的半導體部分。最右側是中等摻雜的 P 型材料，稱為**集電極**。這部分收集由發射極發射併成功穿過集電極的多數載流子。中間區域用 n- 表示，因為它摻雜了 N 型雜質。減號“-”表示它的摻雜量遠低於發射極和集電極。中間區域稱為**基極**，它充當一個門，調節從發射極到集電極的電荷流動。
基極的摻雜量只有集電極的十分之一。在實際電晶體中，基極的寬度非常薄。電晶體的總寬度是基極寬度的 150 倍。
類似地，透過將一個輕微摻雜的 P 區夾在高度摻雜和中等摻雜的 N 區之間，我們可以得到一個 NPN 型電晶體，如下所示。
為了瞭解電晶體是如何工作的，我們將研究 PNP 型電晶體的工作原理。NPN 型電晶體的工作原理與 PNP 型電晶體相同，只是電壓和電流方向相反。
以下是 PNP 型電晶體的示意圖。可以看出，它的發射極比基極更正，基極比集電極更正。當發射極-基極正向偏置，集電極-基極反向偏置時，電晶體被稱為處於**放大區**。在放大區，電晶體充當放大器等。因此，讓我們對此進行研究。
參見下圖，瞭解 PNP 型電晶體的放大區偏置。
現在，假設我們移除基極和集電極之間的電壓，因此電路如下所示。
讓我們分析它。
顧名思義，在共基極或接地基極配置中，基極連線對輸入訊號和輸出訊號都是共用的。輸入訊號應用於電晶體的基極和發射極端子之間，而相應的輸出訊號從基極和集電極端子之間取出，如圖所示。基極端子接地，或者可以連線到某個固定的參考電壓點。
流入發射極的輸入電流非常大，因為它分別是基極電流和集電極電流的總和，因此集電極電流輸出小於發射極電流輸入，導致這種型別電路的電流增益為“1”（單位）或更小，換句話說，共基極配置會“衰減”輸入訊號。
它具有以下特性
- 低輸入阻抗
- 高輸出阻抗
- 高電壓增益
- 單位（或更小）電流增益
電晶體被廣泛用作放大器件，可以提供電壓增益、電流增益和功率增益。基本放大作用可以透過考慮圖 6.1 的電路來理解。該電路被稱為共基極電路，因為基極端子對輸入電路和輸出電路都是共用的。輸入電壓應用於發射極和基極之間，而輸出電壓在負載電阻 RL 上形成。輸入電壓 Ii Vi 的微小變化會導致發射極電流 AlE 的變化，其中 re 是電路的輸入阻抗。發射極電流的變化會在負載電阻上產生輸出電壓的變化，即電壓增益 Av 是負載上的電壓與輸入電壓之比，由下式給出：由於 RL 可以做得遠大於 re，因此可以實現高電壓增益。
除了用作開關來透過控制電晶體的基極訊號來“開啟”或“關閉”負載電流外，NPN 型電晶體還可以用來產生一個電路，該電路將放大任何應用於其基極端子的微小交流訊號。如果首先在電晶體的基極端子上施加一個合適的直流“偏置”電壓，從而使其始終在其線性放大區內工作，那麼就會產生一個稱為共發射極放大器的反相放大器電路。這種共發射極放大器配置之一稱為甲類放大器。甲類放大器的工作方式是，電晶體的基極端子被偏置，使電晶體始終在其截止點和飽和點之間的一半工作，從而使電晶體放大器能夠準確地再現疊加在直流偏置電壓上的交流輸入訊號的正半周和負半周。如果沒有這種“偏置電壓”，只有輸入波形的正半週會被放大。這種型別的放大器有很多應用，但通常用在音訊電路中，例如前置放大級和功率放大級。關於以下所示的共發射極配置，一組曲線，通常稱為輸出特性曲線，將輸出集電極電流 (Ic) 與集電極電壓 (Vce) 聯絡起來，當將不同的基極電流 (Ib) 值應用於相同 β 值的電晶體時。也可以在輸出特性曲線上繪製一條直流“負載線”，以顯示當應用不同的基極電流值時所有可能的執行點。需要正確設定 Vce 的初始值，以允許輸出電壓在放大交流輸入訊號時上下變化，這被稱為設定工作點或靜止點
使用萬用表，我們將紅黑表筆分別連線到電晶體的引腳上。首先找到基極。將表筆移動到電晶體的任意引腳，其中一個表筆保持在該引腳上，另一個表筆分別連線到其他兩個引腳，即可找到基極。集電極 (C) 我們將紅色表筆用於查詢集電極。當我們將表筆連線到電晶體的引腳時，我們發現萬用表指標偏轉到刻度的一半。透過改變表筆位置，我們發現萬用表指標偏轉超過刻度的一半。
在使用上述技術製造電晶體後，引腳通常用金、鋁或鎳製成，並將其封裝在容器中。那些具有重型結構的電晶體是高功率器件，而那些具有小型罐體（頂帽）或塑膠外殼的電晶體是低到中等功率器件。注意實際半導體器件的尺寸非常小。它包含金鍵合線、銅框架和環氧樹脂封裝。4 個 (四) 個獨立的 pnp 矽電晶體可以封裝在 14 引腳的封裝中。