晶体管论文

徐家跃长期从事氧化物晶体的坩埚下降法生长研究，负责过上海市青年科技启明星计划项目、中国科学院重大项目、国家自然科学基金项目等多项重要课题，在压电晶体LBO、新型弛豫铁电晶体PZNT、非线性光学晶体KLN等晶体生长方面取得了一些重要研究成果，并发明了底部籽晶法（BSSG）等新生长技术。在国内外学术刊物和国际会议上发表论文100余篇，申请国家发明专利7项，发表管理学和人文科学论文近20篇。参与研制和生产的新型压电晶体LBO，被日本、韩国等多家国际大公司采用，累计产值已超过7000万元。该项目1993年获得中科院科技进步一等奖、1995年获得国家技术发明二等奖、1997年获得国家专利局与世界知识产权组织联合颁发的“中国专利创造发明金奖”。课题组现有研究人员10名，承担国家自然科学基金项目1项（25万元），中国科学院创新方向性项目1项（400万元，合作），上海市自然科学重点基金1项（30万元，合作）、中国科学院创新前沿项目2项（150万元）以及LBO晶体产业化项目等。他一方面承担四英寸LBO 晶体生长攻关项目和LBO晶体的出口任务，另一方面加强晶体学科建设，开展了热电导体材料、生物活性玻璃、驰豫铁电单晶等新材料研究。目前正在研究的课题有“大尺寸四硼酸钾晶体的生长和应用”（上海市攻关项目）、“CaO—Y(Gd)203-B2O3三元系统局域相图研究”（国家自然科学基金）、“掺杂铌酸锶钡晶体生长研究”（上海市AM基金）、“新型非线性光学晶体探索研究”、“先进医疗器械用驰豫铁电单晶的生长研究”（中国科学院创新工程前沿项目）等，项目总经费达数百万元。此外，还与美国、韩国、新加坡、葡萄牙等国家的大学和研究机构建立了国际合作关系。徐家跃研究员不仅积极投身科研事业，而且关心我国科研管理事业的发展。在科研之余，以强烈的社会责任感观察分析了科研管理和科技战线上精神文明建设的现状，近几年来在《科学学与科学技术管理》、《科坛文明天地》、《中国科学报》、《书城》等刊物上发表人文和管理论文近20篇，提出当代科研道德建设的新思路，引起科学学界和科研管理部门的注意。他研究了科学的文化特征，指出科学要在中国扎根，必须从文化入手，学会科学思维，由此提出了科学本土化理论，受到了国际著名科学学专家、中国管理科学院副院长赵红州教授（已故）的高度赞赏并题诗相赠。1997年获得上海市科技系统中青年干部读书活动个人一等奖。

过去几十年间，我们身边的电子产品随着科技的发展发生着巨变：从笨重的大哥大到智能手机，从老式台式机到轻薄的笔记本，总的来说，电子产品的外观愈发轻薄，功能愈发强劲。其中最功不可没的，就是构成电子产品的基础元件：晶体管。晶体管尺度的缩小，集成度的提升，是现代电子器件科技水平的标尺。2016年最为新兴的晶体管技术可以实现1纳米（nm）的尺度，突破了之前预测的物理极限5nm。纳米是什么概念呢？一根头发丝的直径在3微米左右，一微米等于1000纳米，1纳米比一根头发丝还要细几千倍。什么是晶体管？或许你没有想象过，你的手机中一片不及指甲盖大小的芯片上竟然集成了数以千万计的晶体管，这些晶体管像是队列整齐、快速前进的士兵，用0和1的逻辑来实现了计算机最重要的存储和控制的功能。1947年，贝尔实验室诞生了世界上首个晶体管，是用锗（Ge）材料制成的。晶体管是一种有逻辑功能的最基础的电子器件，它的基本结构如下图，主要包括栅极（Gate）、源极（Source）以及漏极（Drain）。电流从源极流入漏极，而栅极像一道水闸一样控制着电流的导通和断开，从而实现了0和1的逻辑。电流的流动也像水流一样需要一个河道，在栅极和源极之间电流导通的通道叫做沟道，沟道宽度跟晶体管栅极最小宽度基本一致。所以晶体管栅极的最小宽度是影响晶体管尺度的关键因素，被用来作为工艺尺寸的标准。现今芯片的制造工艺常常用40nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm来表示，比如Intel、三星、IBM、台积电等公司，都在为能够领跑行业先进技术持续进行着技术创新。近年Intel一直以其领先的14nm工艺技术成为行业领头羊，而今年10月，三星宣布量产10nm芯片，台积电紧随其后。另一方面，随着IBM公布了7nm的工艺测试芯片，更精微的芯片工艺竞争战役的号角被吹响。需要一提的是，这个制造工艺的数字，例如14nm指的不是晶体管的大小只有14nm，而是晶体管栅极的最小宽度。要实现这么高的集成度，企业一般采取的策略是通过光刻的手段，在一层层材料上像是雕刻家一样去掉多余的部分，刻蚀出我们需要的精细结构。摩尔定律失效！过去五十年间，晶体管尺度的缩小速度基本遵循着摩尔定律。摩尔定律是指当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。直到2016年年初，全球半导体行业才正式宣布摩尔定律失效。晶体管工艺尺度每缩小一次，都会让芯片的性能、功耗发生剧变，继而给我们使用的计算机、手机等电子产品的性能带来显而易见的进步。1nm晶体管的技术：二硫化钼与石墨烯为了提升速度和每片芯片上的元件数量，沟道长度在不断缩短，而短沟道效应随之产生。短沟道效应可能使得栅极这道闸门关不断电流，电流的泄露会使得晶体管的性能变坏。研究发现，当现在主流的硅（Si）晶体管的栅极宽度缩小到低于5nm，会出现严重的短沟道效应，所以5nm（有些地方说是7nm）被称为栅极宽度物理极限。为了突破这种极限，科研工作者们积极寻求着硅的替代品，其中，一些层状半导体因具有均匀的单原子层厚度、较低的介电常数、更大的带隙以及更重的有效载流子质量等特性得到了积极的研究，其中二硫化钼（MoS2）和石墨烯都是代表。      2016年10月，加州大学伯克利分校和斯坦福大学的学者在著名的《Science》杂志上合作发表了一篇备受关注的论文，文中展示了一种物理长度1nm的二硫化钼（MoS2）晶体管。这种晶体管用单壁碳纳米管作为栅极电极，被放置在氧化硅和氧化锆的分界面上，而MoS2作为源极和漏极之间的沟道。仿真结果显示，其有效沟道长度在关状态时约9nm，开状态约1nm，所以被称为1nm晶体管。其中，单壁碳纳米管（SWCNT）是什么呢？我们知道，石墨烯是单层的碳原子排列而成的，把单原子层的石墨烯卷起来，就是碳纳米管了。而碳纳米管剪开也就成了一片薄薄的石墨烯。1nm晶体管虽然已经实现了，但是其工业价值还有待时间的检验。在摩尔定律失效的现在，科学家追求的方向也在发生着改变。他们不再将更小更快的晶体管作为主要目标，而是从全新的角度去改变我们日常使用的电子产品，从策略上看，例如从软件层级的需要来改变硬件，从新兴技术上看，例如现在方兴未艾的量子计算机。过去我们已经见证了电子产品的进步和飞速发展，未来我们的电脑、手机也可能会具备更为超乎想象的卓越性能。参考文献[1] Desai S B, Madhvapathy S R, Sachid A B, MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths[J] Science, 2016,354(6308): 99-出品：科普中国制作：科创小新监制：中国科学院计算机网络信息中心“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

一、晶体三极管的命名方法及型号字母意义 晶体三极管的命名方法见图5-18，型号字母意义见表5-6 二、晶体三极管的种类 晶体三极管主要有NPN 型和PNP型两大类,一般我们可以从晶体管上标出的型号来识别。详见表5－6。晶体三极管的种类划分如下。 ①按设计结构分为 : 点接触型、面接触型。 ②按工作频率分为 : 高频管、低频管、开关管。 ③按功率大小分为 : 大功率、中功率、小功率。 ④从封装形式分为 : 金属封装、塑料封装。 三、三极管的主要参数 一般情况晶体管的参数可分为直流参数、交流参数、极限参数三大类。 ①直流参数 : 集电极 -基极反向电流 ICBO。此值越小说明晶体管温度稳定性越好。一般小功率管约10μA左右,硅晶体管更小。 集电极－发射极反向电流ICEO, 也称穿透电流。此值越小说明晶体管稳定性越好。过大说明这个晶体管不宜使用。 ②极限参数:晶体管的极限参数有: 集电极最大允许电流ICM；集电极最大允许耗散功率ICM；集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO 。 ③晶体管的电流放大系数:晶体管的直流放大系数和交流放大系数近似相等,在实际使用时一般不再区分,都用β表示,也可用hFE表示。 为了能直观地表明三极管的放大倍数 , 常在三极管的外壳上标注不同的色标。锗、硅开关管 , 高、低频小功率管 , 硅低频大功率管所用的色标标志如表 2-9-6 所示。β范围 0～15 15～25 25～40 40～55 55～80 80～120 120～180 180～270 270～400 400～ 色标 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 表5-7 部分三极管β值色标表示 ④特性频率fT：晶体三极管的β值随工作频率的升高而下降,三极管的特性频率f是当β下降到 1 时的频率值。也就是说 , 在这个频率下的三极管,己失去放大能力,因为晶体管的工作频率必须小于晶体管特性频率的一半以下。四、常用晶体三极管的外形识别 ①小功率晶体三极管外形电极识别:对于小功率晶体三极管来说,有金属外壳和塑料外壳封装两种,如图5-25 所示。②大功率晶体三极管外形电极识别:对于大功率晶体三极管,外形一般分为F型，G型两种,如图5-26(a) 所示。F型管从外形上只能看到两个电极。将管脚底面朝上,两个电极管脚置于左侧,上面为e极,下为b极,底座为C极。G型管的三个电极的分布如图5-26(b) 所示。图 5-26 大功率晶体三极管电极识别五、用指针式万用表判断晶体三极管好坏及辨别三极管的e、 b、c电极 三极管的管脚必须正确辨认,否则,接入电路不但不能正常工作,还可能烧坏晶体管。己知三极管类型及电极,指针式万用表判别晶体管好坏的方法如下: ①测 NPN 三极管:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或 "R × lk" 处,把黑表笔接在基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小,再将红表笔接在基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很大,则说明三极管是好的。 ②测 PNP 三极管:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或 "R × lk" 处,把红表笔接在基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小,再将黑表笔接在基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很大,则说明三极管是好的。 当三极管上标记不清楚时,可以用万用表来初步确定三极管的好坏及类型 (NPN 型还是 PNP 型 ),并辨别出e、b、c三个电极。测试方法如下 : ①用指针式万用表判断基极 b 和三极管的类型:将万用表欧姆挡置 "R × 100" 或"R×lk" 处,先假设三极管的某极为"基极",并把黑表笔接在假设的基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧 ),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管；同上,如果两次测得的电阻值都很大( 约为几千欧至几十千欧 ), 则假设的基极是正确的,且被测三极管为 PNP 型管。如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为"基极"，再重复上述测试。 ②判断集电极c和发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置 "R × 100"或"R × 1k" 处,以NPN管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极 ( 不能使b、c直接接触 ), 通过人体 , 相当 b 、 C 之间接入偏置电阻 , 如图 5-27(a) 所示。读出表头所示的阻值 , 然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小 , 说明原假设成立 , 因为 c 、 e 问电阻值小说明通过万用表的电流大 , 偏置正常。其等效电路如图5-27(b) 所示 , 图中VCC 是表内电阻挡提供的电池 ,R为表 内阻 ,Rm 为人体电阻。图 5-27 用指针万用表判别三极管 c 、 e 电极 用数字万用表测二极管的挡位也能检测三极管的PN结,可以很方便地确定三极管的好坏及类型,但要注意,与指针式万用表不同,数字式万用表红表笔为内部电池的正端。例:当把红表笔接在假设的基极上, 而将黑表笔先后接到其余两个极上, 如果表显示通〈硅管正向压降在 6V 左右 ), 则假设的基极是正确的 , 且被测三极管为 NPN 型管。 数字式万用表一般都有测三极管放大倍数的挡位(hFE), 使用时 , 先确认晶体管类型 , 然后将被测管子 e 、b 、c三脚分别插入数字式万用表面板对应的三极管插孔中,表显示出hFE 的近似值。 以上介绍的方法是比较简单的测试,要想进一步精确测试可以使用晶体管图示仪 ,它能十分清楚地显示出三极管的特性曲线及电流放大倍数等。六、三极管的选用 选用三极管要依据它在电路中所承担的作用查阅晶体管手册，选择参数合适的三极管型号。 a、NPN型和PNP型的晶体管直流偏置电路极性是完全相反的，具体连接时必须注意。 b、电路加在晶体管上的恒定或瞬态反向电压值要小于晶体管的反向击穿电压，否则晶体管很易损坏。 c、高频运用时，所选晶体管的特征频率F，要高于工作频率，以保证晶体管能正常工作。 d、大功率运用时晶体管内耗散的功率必须小于厂家给出的最大耗散功率，否则晶体管容易被热击穿，晶体管的耗散功率值与环境温度及散热大小形状有关，使用时注意手册说明。 七、中、小功率三极管的检测方 ①性能好环的判定，对已知型号和端子排列的三极管，可按下述方法来判断其性能好环。 a、测量极间电阻。测试方法如图5-28所示。将万用表置于R×100或R×1K挡，按照红、黑表笔的6种不同接法时行测试，其中，发射结和集电结的正向电阻值比较低，其他4种接法测得电阻值得都很高。质量良好的中、小功率三极管。正向电阻一般为几百欧至几千欧，其余的极间电阻值都很高，约为几百千欧至无穷大，但不管是低阻还是高阻，硅材料三极管的极间电阻要比锗材料三极管的极间电阻大。图5-28 三极管的正常极间电阻 b、测量穿透电流ICBD三极管的穿透电流ICBD的数值近似等于管子的放大倍数β和集电结的反向饱和电流ICBD乘积，ICBD随着环境温度的升高增长很快，ICBD的增加必然ICBD然的增大，而ICBD的增大将直接影响管子工作的稳定性，所以在使用中尽量选用ICBD+小的管子。 通过用万用表电阻挡测量三极管e-c极之间的电阻的方法，可间接估计ICBD的大小，具体方法如下。 测试电路如5-29所示，其中图（a）为测PNP型管的接法，图（b）为测NPN型管的接法，万用表电阻挡量程一般选用R×100或R×1K挡，要求测得的电阻值越大越好，e-c间的阻值越大，说明管子ICBD越小，反之，所测阻值越小，说明被测管ICBD越大。一般说来，中、小功率硅管、锗材料高频管及锗材料低频管，其阻值应分别在几百千欧，几十千欧及十几千欧以上。如果阻值很小或测试时万用表来回晃动，则表明ICEO很大，管子的性能不稳定。图5-29 测量三极管的Iceo 在测量三极管的ICEO的过程中，还可以同时检查判断一下管子的稳定性优劣。具体办法是：测量时，用手捏住管壳约1min左右，观察万用表指针向右漂移的情况，指针向右漂移摆动速度越快，说明管子的稳定性越差。通常，e-c间电阻比较小的管子，热稳定性相对就较差。在使用的过程中，稳定性不佳的管子应尽量不用，特别是在要求稳定性较高的电路中更不能使用ICEO大的管子。另外，管子的β越大，ICEO也越大，所以在要求稳定性较高的电路中，所使用的管子的β值不要太高。 C．测量放大能力β。测试电路如图5-30所示。其中图（a）为测PNP型管的接法，图（b）为测NPN型管的接法。万用表置于R×1k挡。具体测试步骤是，先将红、黑表笔按图7-46所示电路接相应端子，然后将电阻R接入电路。此时，万用表指针应向右偏转，偏转的角度越大，说明被测管的放大倍数β越大。如果接上电阻R以后指针向右摆幅度不大或者根本就停止在原位不动，则表明管子的放大能力很差或者已经被损坏。电阻R可用70～100kΩ的固定电阻，也可以利用人体电阻，即用手捏住c、b两端子（注意，c、b间不能短接）来代替电阻R。另外也可以用两手操作，用舌头去舔c、b两端子来充当电阻R进行测量。图5-30 测量三极管的β值方法一 上述方法的优点是简单易行，缺点是只能比较管子β的相对大小，而不能测出β的具体数值。 有些型号的中、小功率三极管，生产厂家在其管壳顶部表示出不同色点来表明管子的放大倍数β值，其颜色和β值的对应关系如表5-8所示。但要注意，各厂家用色标并不一定完全相同。色点 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 β 17 17～27 27～40 40～77 77～80 80～120 120～180 180～270 270～400 >400 ②检测判别电极 如果不知道三极管的型号及管子的端子排列，用万用表进行检测判断。 a．判定基极。测试电路如图5-31所示。用万用表R×100和R×1k挡测量三极管三个电极中两个之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二根表笔先后接触另外两个电极均测得低电阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b，黑表笔分别接在其他两电极时，测得的阻值都较小，则会判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两电极时，测得的阻值都较小，则被测三极管为NPN型管。图5-31 判定三极管基极 b．判定集电极c和发射集e。测试方法如图5-32所示。现以PNP型三极管为例加以说明。将万用表置于R×1k挡。先使被测三极管的基极悬空，万用表的红、黑表笔分别任接其余两端子，此时指针应指在无穷大位置。然后用手指同时捏住基极与右边的端子，如果万用表指针向右偏转较明显，则表明右边一端即为集电极c，左边的端子为发射极e。如果万用表指针基本不摆动，可改用手指同时捏住基极与左边的端子，若指针向右偏转较明显，则证明左边端子为集电极c，右边的端子为发射极e。 图5-32 判定三极管c、e极 如果在以上两次测量过程中万用表指针均不向右摆动和摆动的幅度不明显，则说明万用表给被测三极管提供的测试电压极性接反了，应将红、黑表笔对调位置后按上述步骤重新测试直到将管子的c、e极区分开为止。 用此种方法判定c、e电极的原理如图7-48(b)所示。在这里，基极偏置电阻Rb是用手指来代替的。由于被测管子的集电结上加有反向偏压，发射结加的是正向偏压，所以使其处在放大状态，此时电流放大倍数较高，所产生的集电极电流Ic要使万用表指针明显向右偏转。倘若红、黑表笔接反了，就等于工作电压接反了，管子也就不能正常工作了。放大倍数大大降低了，从十几倍降到几倍，甚至为零，因此，万用表指针摆幅极小甚至根本不动。 ③判别锗管和硅管 测试电路如图5-33所示。E为一节5V干电池，Rp为50～100kΩ的电阻。将万用表置于直流5V挡。电路接通以后，万用表所指示的便是被测管子的发射结正向压降。若是锗管，该电压值为2～3V；若是硅管，该电压值为6～8V。顺便指出，目前绝大多数硅管为NPN型管，锗管为PNP型管。图5-33测三极管b、e电压判别锗管与硅管 ④判别高频管与低频管 高频管的截止频率大于3MHz，而低频管的截止频率则小于3MHz，一般情况下，二者是不能互换使用的。由于高、低频管的型号不同，所以当它们的标志清楚时，可以查有关手册，较容易地直接加以区分。当它们的标志型号不清时，可利用其BVebo的不同用万用表测量发射结的反向电阻，将高、低频管区分开。 以NPN型管为例，将万用表置于R×1k挡，黑表笔接管子的发射结e，红表笔接管子的基极b。此时电阻值一般均在几百千欧以上。接着将万用表拔至R×10k高阻挡，红、黑表笔接法不变，重新测量一次e、b间的电阻值。若所测量阻值与第一次测得的阻值变化不大，可基本判定被测管为低频管；若阻值变化很大，超过万用表满度1/3，可基本判定被测管为高频管。