晶體管（英文：transistor），早期音譯為穿細絲體，是一種類似于閥門的固體半導體器件，用于放大、控制和生成電信號。
在1947年，由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利所發明。當時巴丁、布拉頓主要發明半導體三極管；肖克利則是發明PN二極管，他們因為半導體及晶體管效應的研究獲得1956年諾貝爾物理獎。
晶體管由半導體材料組成，至少有三個對外端點稱之為極。晶體管受控極輸入的電流或電壓，改變輸出端的阻抗，從而控制通過輸出端的電流，因此晶體管可以作為電流開關，而因為晶體管輸出信號的功率可以大于輸入信號的功率，因此晶體管可以作為電子放大器。
晶體管有不同的類型，如雙極結型、場效應型、光敏型和磁敏型，分別受電流、電壓、光強和磁場的控制。它在電子電路中有多種應用，如放大器、開關、振蕩器和穩壓器等。晶體管是現代電子的基本構建塊之一。
發展歷程
晶體管的原型
1925年，奧地利匈牙利物理學家Julius Edgar Lilienfeld在加拿大提出了場效應晶體管的概念，并申請了專利，但他沒有發表任何關于他的設備的研究文章，也沒有給出任何具體的工作原型的例子，因此他的工作被業界忽視了。
晶體管的誕生
1947年，貝爾實驗室的約翰·巴丁，威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓制造了第一個工作的晶體管，即點接觸鍺晶體管，開啟了半導體時代。他們利用金屬針尖與鍺晶片之間的接觸電阻來控制電流，并發現了雙極性和放大效應，他們三人因此獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。
雙極結型晶體管的發明
1950年：威廉·邵克雷開發出雙極晶體管（Bipolar Junction Transistor），性能優于點接觸晶體管。BJT是一種三端器件，由兩個PN結組成，分別稱為發射結和集電結。BJT有兩種類型：NPN型和PNP型。BJT可以用來放大或開關電流。這是現在通行的標準的晶體管。
晶體管商業化設備誕生
1953年，第一個采用晶體管的商業化設備投入市場，即助聽器。1954年10月18日，第一臺晶體管收音機Regency TR1投入市場，僅包含4只鍺晶體管。
集成電路的誕生和改進
1958年，德州儀器（TI）的Jack Kilby建立了第一個集成電路，該集成電路由連接在一塊硅上的兩個雙極晶體管組成。集成電路是將多個晶體管和其他元件集成在一個單一的半導體基片上的技術，可以大大提高電路的復雜度、性能和可靠性，同時降低成本和尺寸。
1960年代，平面工藝出現，通過氧化、光刻、擴散、離子注入等流程，在Si半導體芯片上制作出晶體管和集成電路。平面晶體管采用自對準柵極工藝，使用多晶硅作為柵極材料，降低了寄生電容和閾值電壓，提高了可靠性和速度。平面晶體管有兩種主要類型：Bulk-Si CMOS和SOI CMOS。Bulk-Si CMOS是最常見和最便宜的一種選擇，但存在隨機摻雜波動和漏電流等問題。SOI CMOS在硅基體頂部增加了一層埋入式氧化物（BOX）層，隔絕了泄漏路徑，但成本較高。1961年4月25日，第一個集成電路專利被授予羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）。最初的晶體管對收音機和電話而言已經足夠，但是新的電子設備要求規格更小的晶體管，即集成電路。
摩爾定律提出
1965年：摩爾定律誕生。當時，戈登·摩爾（Gordon Moore）預測，未來一個芯片上的晶體管數量大約每18個月翻一倍（至今依然基本適用），摩爾定律在電子學 Magazine雜志一篇文章中公布。
非平面晶體管工藝
FinFET晶體管
1989年，日立制作所中央研究實驗室的Digh Hisamoto等人制造了第一種FinFET晶體管類型，稱為“耗盡型貧溝道晶體管”或“DELTA”晶體管。1998年，加利福尼亞大學伯克利分校的胡正明教授發明了多閘極FinFET晶體管。FinFET是一種非平面或“3D”晶體管，其柵極圍繞著通道的三個面，改善了對通道的控制，降低了漏電流和功耗。2011年，英特爾將FinFET用于22nm工藝的生產，并命名為Tri-Gate技術。從2014年開始，14nm（或16nm）的主要代工廠（臺積電，三星電子，格羅方德半導體股份有限公司）開始采用FinFET設計。
GAA FinFET晶體管
2006年，韓國科學技術研究院（KAIST）和國家nm晶圓中心的韓國研究人員團隊開發了一種基于全能門（GAA）FinFET技術的晶體管。GAA全能門與FinFET的不同之處在于，GAA設計圍繞著通道的四個面周圍有柵極，從而確保了減少漏電壓并且改善了對通道的控制。GAA晶體管有多種實現方式，如硅納米線FET，納米片FET，MBCFET等 。GAA晶體管被認為是3nm以下工藝節點的主要柵極設計，三星電子和臺積電都宣布將在3nm工藝中采用GAA技術。
未來發展
2016年7月，發布的2015年國際半導體技術路線圖（ITRS）做出預測，經歷了50多年的微型化，晶體管的尺寸可能將在5年后停止縮減。
2022年，清華大學集成電路學院教授任天令團隊以單層石墨烯作為柵極，打造出一種“側壁”晶體管，創下了0.34nm柵極長度的紀錄。此項研究登上了最新一期Nature，題為“具有亞1納米柵極長度的垂直二硫化鉬晶體管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）。
2023年，荷蘭科學家研制出了首個由單元素組成的二維（2D）拓撲絕緣體鍺烯，這些晶體管可以取代電子設備中的傳統晶體管，使電子設備不再發熱。
結構及原理
晶體管一般都有三個極，其中一極兼任輸入及輸出端子，(B)基極不能做輸出，(C)集電極不能做輸入之外，其余兩個極組成輸入及輸出對 。
晶體管之所以有如此多用途在于其信號放大能力，當微細信號加于其中的一對極時便能控制在另一對極較大的信號，這特性叫增益。當晶體管于線性工作時，輸出的信號與輸入的訊息成比例，這時晶體管就成了一放大器。這是在模擬電路中的常用方式，例如電子放大器、音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路；當晶體管的輸出不是完全關閉就是完全導通時，這時晶體管便是被用作開關使用。這種方式主要用于數字電路，例如數字電路包括邏輯門、隨機存取內存（RAM）和微處理器。另外在開關電源中，晶體管也是以這種方式工作。
而以何種形式工作，主要取決于晶體管的特性及外部電路的設計。雙極性晶體管的三個極，發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）; 射極到基極的微小電流，會使得發射極到集電極之間的阻抗改變，從而改變流經的電流；場效應晶體管的三個極，源極（Source）、閘（柵）極（Gate）和漏極（Drain）。 在柵極與源極之間施加電壓能夠改變源極與漏極之間的阻抗，從而控制源極和漏極之間的電流。
晶體管因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發射極接地（又稱共射放大、CE組態）、基極接地（又稱共基放大、CB組態）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態、發射極隨隅器）。晶體管在應用上有許多要注意的最大額定值，例如最大電壓、最大電流、最大功率。若在超額的狀態下使用，會破壞晶體管內部的結構。每種型號的晶體管還有像是直流放大率hFE、NF噪訊比等特性，可以借由晶體管規格表得知。
技術指標
晶體管的主要參數有電流放大系數、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電流等。
電流放大系數
電流放大系數是指晶體管的輸出電流與輸入電流之比，反映了晶體管的放大能力。電流放大系數分為共射直流放大系數（β）和共基直流放大系數（α），它們之間的關系是：β=α/(1-α)。
耗散功率
耗散功率是指晶體管在工作時所消耗的功率，它決定了晶體管的溫升和穩定性。耗散功率與集電極電流和集電極電壓的乘積成正比，即P=IcVce。耗散功率不能超過晶體管的最大允許值，否則會導致晶體管損壞。
頻率特性
頻率特性是指晶體管對不同頻率信號的放大能力，它受到晶體管內部結電容和寄生電感的影響。頻率特性可以用特征頻率（fT）來表示，它是指使共射交流電流放大系數降低到1的信號頻率。特征頻率越高，表明晶體管對高頻信號的放大能力越強。
集電極最大電流
集電極最大電流是指使晶體管的直流放大系數明顯下降的集電極電流值，它反映了晶體管的飽和程度。集電極最大電流與晶體管的結構和材料有關，一般在規格書中給出。
最大反向電壓
最大反向電壓是指使晶體管發生擊穿現象的極間反向電壓值，它反映了晶體管的耐壓能力。最大反向電壓與晶體管的結構和材料有關，一般在規格書中給出。
反向電流
反向電流是指在極間加反向電壓時通過晶體管的微小電流，它反映了晶體管的漏電現象。反向電流與溫度有關，溫度越高，反向電流越大。反向電流越小，表明晶體管的性能越穩定。
特性
晶體管是一種半導體器件，可以用于放大或開關電信號和功率。晶體管的特性是指它在不同的工作狀態下的電壓、電流和功率之間的關系。晶體管的特性可以用圖形或數學公式來表示，常見的有以下幾種：
輸入特性
指在固定的輸出電壓下，輸入電壓與輸入電流之間的關系。例如，在共射極連接方式下，輸入特性是基極-發射極電壓V BE 與基極電流I B 之間的關系。輸入特性反映了晶體管輸入端的阻抗，也影響了晶體管的放大能力。
輸出特性
指在固定的輸入電流下，輸出電壓與輸出電流之間的關系。例如，在共射極連接方式下，輸出特性是集電極-發射極電壓V CE 與集電極電流I C 之間的關系。輸出特性反映了晶體管輸出端的阻抗，也影響了晶體管的功率放大能力。
傳輸特性
指在固定的輸出電壓下，輸入電流與輸出電流之間的關系。例如，在共射極連接方式下，傳輸特性是基極電流I B 與集電極電流I C 之間的關系。傳輸特性反映了晶體管的電流放大能力，也稱為電流放大系數或β值。
頻率特性
指在不同的信號頻率下，晶體管放大倍數或增益隨頻率變化的關系。頻率特性反映了晶體管對高頻信號的響應能力，也影響了晶體管在通信、數字和模擬電路中的應用范圍。
分類
晶體管又稱為晶體三極管，最常見的兩種晶體管為場效應晶體管（FET）和雙極性晶體管（BJT），常見的分類方法為：按材料分類（最早使用的分類）、按工作原理分類、按結構形式分類、按功率等級分類、按頻率特性分類等。
按半導體材料分類
硅（Si）晶體管
硅是最常用的半導體材料，用于制造各種類型的晶體管，如雙極型晶體管（BJT）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、金屬半導體場效應晶體管（MESFET）等。硅晶體管具有成本低、工藝成熟、可靠性高等優點，廣泛應用于數字電路、模擬電路、功率電路等領域。
碳（C）晶體管
碳是一種具有多種同素異形體的元素，其中石墨烯和碳納米管是兩種具有潛在應用價值的二維和一維碳材料。基于石墨烯和碳納米管的晶體管已經被實驗制造出來，表現出高遷移率、高開關比、高頻率等特性，有望用于超大規模集成電路、柔性電子器件、生物傳感器等領域。
三五族半導體晶體管
三五族半導體是指由元素周期表第三族和第五族元素組成的化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碲化鎘（CdTe）等。三五族半導體晶體管具有高電子遷移率、高頻率、高溫度穩定性等特性，適合用于微波、光電等領域。
有機半導體晶體管
有機半導體是指由碳和氫組成的有機分子或聚合物構成的半導體材料，如聚苯乙烯（P3HT）、富勒烯（C60）等。有機半導體晶體管具有低成本、易加工、可柔性等優點，可用于制造有機發光二極管（OLED）、有機太陽能電池、有機傳感器等器件。
按工作原理分類
雙極性晶體管（BJT）
雙極性晶體管同時利用半導體中的多數載流子及少數載流子導通，因此得名。雙極性晶體管是第一個量產的晶體管，是由二種不同接面的二極管組成，其結構可分為二層N型半導體中間夾一層P型半導體的NPN晶體管，以及二層P型半導體中間夾一層N型半導體的PNP晶體管[2]。因此會有二個PN結，分別是基極-發射結及基極-集電結，中間隔著一層的半導體，即為基極。雙極性晶體管和場效應晶體管不同，雙極性晶體管是低輸入阻抗的器件。當基集電極電壓（Vbe）提高時，集電極發射極電流（Ice）會依肖克基模型及艾伯斯-莫爾模型，以指數形式增加。因此雙極性晶體管的跨導比FET要高。雙極性晶體管也可以設計為受到光照射時導通，因為基極吸收光子會產生光電流，其效應類似基極電流，集電極電流一般是光電流的β倍，這類的晶體管一般會在封裝上有一透明窗，稱為光晶體管。
場效應晶體管（FET）
場效應晶體管利用電子（N溝道FET）或是空穴（P溝道FET）導通電流。場效應晶體管都有柵極（gate）、漏極（drain）、源極（source）三個極，若不是結型場效應晶體管，還會有一極，稱為體（body）。大部分的場效應晶體管中，體（body）會和源極相連。在場效應晶體管中，源漏極電流會流過連接源極和漏極之間的溝道，導通程度會依柵極和源極之間的電壓產生的電場而定，因此可以利用閘源極電壓控制源漏極電流，做為一個簡單的開關。當閘源極電壓Vgs變大時，若Vgs小于臨界電壓時，源漏極電流Ids會指數方式增加，若Vgs大于臨界電壓時，源漏極電流和閘源極電壓會有以下的平方關系正比于，其中是臨界電壓。不過在一些現代的器件中，觀察不到上述的平方特性，像是65納米及以下溝道長度的器件。場效應晶體管可以分為兩種：分別是結型場效應管（JFET）及絕緣柵極場效應管（IGFET），后者最常見的是金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET），其名稱上反映了其原始以金屬（柵極）、氧化物（絕緣層）及半導體組成的架構。結型場效應晶體管在源漏極之間形成了PN二極管。因此N溝道的JFET類似真空管的三極管，兩者也都是運作在耗盡區，都有高輸入阻抗，也都用輸入電壓來控制電流。
隧道晶體管（TFT）
隧道晶體管是一種利用量子隧穿效應來控制電流的器件，它有兩種類型：共柵隧道晶體管（CGT）和共源隧道晶體管（CST）。隧道晶體管的三個極分別是發射極（E）、柵極（G）和集電極（C）。發射極到柵極之間存在一個勢壘，當柵極施加一個負電壓時，發射極的電子可以通過量子隧穿效應跨越勢壘，從而形成集電極電流。隧道晶體管具有開關速度快、功耗低、靈敏度高等優點 。
有機晶體管（OFET）
有機晶體管是一種利用有機半導體材料來構成導電通道的器件，它有兩種類型：有機場效應晶體管（OFET）和有機雙極性晶體管（OBT）。有機晶體管的三個極分別是源極（S）、柵極（G）和漏極（D）。在柵極與源漏之間施加電壓能夠改變有機半導體層中的載流子濃度，從而控制源漏之間的電流。有機晶體管具有低成本、易加工、可柔性等優點 。
按結構形式分類
點接觸式晶體管
點接觸式晶體管是最早的一種雙極性晶體管，它由兩個金屬點接觸在一塊N型或P型半導體上構成。點接觸式晶體管具有結構簡單、制作方便的優點，但也存在穩定性差、噪聲大、頻率特性差等缺點，已經基本淘汰。
面接觸式晶體管
面接觸式晶體管是一種改進的雙極性晶體管，它由兩個金屬片與一塊N型或P型半導體緊密貼合構成。面接觸式晶體管比點接觸式晶體管具有更好的穩定性和頻率特性，但仍存在漏電流大、壽命短等問題，已經很少使用。
異質結晶體管
異質結晶體管是一種利用不同半導體材料之間的異質結來實現電流控制的器件，它可以分為雙極性異質結晶體管（HBT）和場效應異質結晶體管（HFET）。異質結晶體管具有高速、高頻、低噪聲、低功耗等優點，廣泛應用于微波、光電、太赫茲等領域。
復合結構晶體管
復合結構晶體管是一種將雙極性晶體管和場效應晶體管相結合的器件，它可以分為雙極型場效應晶體管（BiFET）和雙極型互補金屬氧化物半導體場效應晶體管（BiCMOS）。復合結構晶體管兼具雙極性晶體管和場效應晶體管的優勢，能夠實現高速、高集成度、低功耗等性能，適合用于模擬和數字混合信號處理。
按功率等級分類
小功率晶體管
小功率晶體管是指集電極最大耗散功率在1W以下的晶體管，它們通常用于低頻、中頻、高頻的信號放大、振蕩、調制等電路中。小功率晶體管的特點是結構簡單、價格低廉、工作穩定，但不能承受較大的電流和電壓。小功率晶體管的常見封裝形式有TO-92、TO-18、SOT-23等。
中功率晶體管
中功率晶體管是指集電極最大耗散功率在1W~10W之間的晶體管，它們通常用于中頻、高頻的信號放大、開關、穩壓等電路中。中功率晶體管的特點是結構較復雜、價格適中、工作可靠，能承受較大的電流和電壓。中功率晶體管的常見封裝形式有TO-126、TO-220、TO-3P等 。
大功率晶體管
大功率晶體管是指集電極最大耗散功率在10W以上的晶體管，它們通常用于高頻、超高頻的信號放大、開關、調制等電路中。大功率晶體管的特點是結構復雜、價格昂貴、工作效率高，能承受很大的電流和電壓。大功率晶體管的常見封裝形式有TO-3、TO-247、TO-264等 。
按頻率特性分類
低頻晶體管
低頻晶體管是指工作頻率在幾十千赫茲以下的晶體管，它們通常用于音頻信號的放大、調制、檢波等電路中。低頻晶體管的特點是結構簡單、成本低、噪聲小、線性度好，但不能適應高速信號的處理。低頻晶體管的常見類型有普通雙極性晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等。
中頻晶體管
中頻晶體管是指工作頻率在幾十千赫茲到幾百兆赫茲之間的晶體管，它們通常用于中頻信號的放大、振蕩、混頻、變頻等電路中。中頻晶體管的特點是結構較復雜、成本適中、速度較快、頻率特性較好，但噪聲較大，線性度較差。中頻晶體管的常見類型有高速雙極性晶體管（HBT）、金屬半導體場效應晶體管（MESFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）等。
高頻晶體管
高頻晶體管是指工作頻率在幾百兆赫茲到幾千兆赫茲之間的晶體管，它們通常用于高頻信號的放大、振蕩、調制、檢波等電路中。高頻晶體管的特點是結構復雜、成本高、速度快、噪聲小、功率大，但線性度極差，需要特殊的設計和匹配。高頻晶體管的常見類型有砷化鎵雙極性晶體管（GaAs HBT）、化鎵場效應晶體管（GaAs FET）、碳化硅雙極性晶體管（SiC BJT）、碳化硅場效應晶體管（SiC FET）等 。
按應用分類
信號放大晶體管
信號放大晶體管是指用于放大微弱的電信號的晶體管，它們通常工作在線性區，以保持信號的波形不變。信號放大晶體管的特點是輸入阻抗高、輸出阻抗低、增益高、失真小、頻帶寬等。信號放大晶體管的常見類型有雙極性晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等。
開關晶體管
開關晶體管是指用于控制電路的開關狀態的晶體管，它們通常工作在飽和區或截止區，以實現電流的通斷。開關晶體管的特點是開關速度快、功耗低、驅動電壓小、壽命長等。開關晶體管的常見類型有絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）、金屬半導體場效應晶體管（MESFET）、功率MOSFET等。
功率放大晶體管
功率放大晶體管是指用于放大較大的電功率的晶體管，它們通常工作在非線性區，以提高效率。功率放大晶體管的特點是輸入阻抗低、輸出阻抗高、增益低、失真大、散熱量大等。功率放大晶體管的常見類型有硅摻雜碳化硅雙極性晶體管（SiC BJT）、碳化硅場效應晶體管（SiC FET）、砷化鎵雙極性晶體管（GaAs HBT）、砷化鎵場效應晶體管（GaAs FET）等。
與真空管作比較
產品優點
晶體管的優越性主要有以下幾點：
產品缺點
相較于真空管，晶體管也有以下的限制：
應用領域
晶體管是一種半導體器件，可以用來放大、開關、穩壓、信號調制和振蕩等電子電路的基本元件。晶體管的應用領域非常廣泛，包括：
通信電子
晶體管可以用來制作無線電、雷達、衛星、電話、網絡等通信設備，實現信號的發射、接收、處理和傳輸。
計算機和數字電路
晶體管是構成微處理器、存儲器、邏輯門等數字集成電路的核心元件，實現數據的存儲、運算和控制。
模擬電路
晶體管可以用來制作運算放大器、濾波器、振蕩器等模擬集成電路，實現信號的放大、變換和調節。
傳感器和生物電子
晶體管可以用來制作溫度、壓力、濕度、光強、化學物質等各種傳感器，以及與人體或生物相容的電子設備，實現對環境或生理參數的檢測和反饋。
功率電子
交流伺服驅動器
晶體管可以用來制作開關電源、逆變器、驅動器等功率電子設備，實現對大功率或高頻信號的控制和轉換。
參考資料 >
《Transistor | Definition & Uses》.britannica.2023-08-26
The Nobel Prize in Physics 1956.The Nobel Prize.2023-08-11
歷史上的今天:1947年，晶體管問世.OFweek電子工程網 .2023-06-23
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晶體管主要參數.電子發燒友.2023-08-11
3.5.3: Transistor I-V Characteristics.libretexts.2023-08-23
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