1.1晶体管简介
在本文中，我们将通过回顾晶体管的前身——真空管，来了解晶体管的简要介绍，包括晶体管的历史、电路符号、基本工作原理及其工作模式。
注意：本文仅是对晶体管主题的简要回顾，不会涉及过多技术细节。
真空管
在晶体管发明之前，真空管在电子领域中扮演着重要角色。真空管也被称为电子管或阀门。真空管由一个阳极和一个阴极组成。
阳极和阴极被放置在一个密封的玻璃管内，管内抽成真空。阴极通过灯丝加热，从而发射电子。
早期，阴极本身直接作为灯丝使用，当阴极被加热时，电子从其表面逸出。后来引入了外部灯丝，通过间接方式加热阴极。
产生的电子会流向阳极，从而在阳极和阴极之间形成电势差，进而在电路中产生电流。为了使阴极持续发射电子，灯丝需要持续供电。
为了使电子均匀流向阳极，使用了外部电极，通常称为栅极。这种结构使得电路体积庞大且成本较高。
早期，真空管被用于制造第一代计算机、收音机和电视机。后来也被用于军事设备和基于真空管的音频放大器。但最终，真空管被晶体管和二极管所取代。
因为真空管体积大、成本高、功耗大，而晶体管则克服了这些缺点。晶体管不需要灯丝电流。
晶体管简史
由于真空管功耗大、可靠性低，贝尔实验室的研究主管Kelly指派William Shockley研究半导体以取代真空管。John Bardeen和Walter Brattain在Shockley的指导下进行实验。
William Shockley曾尝试研究场效应放大器但失败了。后来，John Bardeen和Walter Brattain研究发现电子在表面形成势垒，这一发现此前未知。这一突破促成了第一个晶体管的发明。
1947年12月，他们通过将两个金触点接触锗晶体，获得了输出功率大于输入信号的输出信号。因此，第一个晶体管技术被称为点接触器件，并于1948年6月首次报道。
由于点接触器件存在局限性，Shockley独自发明了结型晶体管，这种晶体管更易于制造，逐渐取代了点接触器件。
晶体管的交易始于20世纪50年代，1952年第一个商用晶体管被用于电话设备和军用计算机。1953年，晶体管被用于助听器等医疗设备。
晶体管的兴起
晶体管技术的迅速发展主要得益于贝尔实验室、摩托罗拉、Philco、雷神、RCA、Sylvania和德州仪器等公司的支持与推动。
在放大晶体的制造中，半导体材料起着关键作用。第一个晶体管由半导体材料锗制成。当施加电压时，这种半导体材料既不是完全导电也不是完全绝缘。
后来，硅晶体管被开发出来。由于硅晶体管在高温下性能稳定，从1954年开始被广泛使用。德州仪器推出了商用硅晶体管。随后，对硅晶体管进行了大量研究，最终发展出集成电路和微处理器。
1959年，第一个场效应晶体管被开发出来。它由三层组成：金属（M-栅极）、氧化物（O-绝缘层）和硅（S-半导体）。
最初，晶体管的外壳材料是塑料环氧树脂。但塑料外壳器件会随时间退化。因此，在20世纪60年代中期，开发了塑料与金属外壳的组合。
在晶体管制造过程中，半导体材料会通过掺入少量化学杂质（如砷或锑）进行处理。这一过程称为“掺杂”。
掺杂是为了在半导体中形成适当的晶体结构，以实现晶体管功能。根据掺杂元素的不同，晶体管可分为PNP型和NPN型。PNP和NPN代表了晶体管在电路应用中所需的电压极性。
例如，PNP晶体管需要特定的正负电压极性用于三个晶体管端子。NPN晶体管则需要与PNP相反的电压极性。许多电路应用中需要同时使用PNP和NPN晶体管。
什么是晶体管？
晶体管类似于真空三极管，但体积非常小。晶体管一词由“Transfer”（传输）和“Varistor”（可变电阻）两个词组合而成。晶体管由三层半导体材料组成，每一层都能将电流传输到其他层。
这种三层半导体器件由两个N型和一个P型材料层组成，或者由两个P型和一个N型材料层组成。第一种称为NPN晶体管，第二种称为PNP晶体管。
锗和硅是最常用的半导体材料，它们以半活跃的方式导电。通过对半导体材料进行掺杂，可以增加材料中的电子数量或在材料中产生空穴。
外层材料的宽度远大于中间插入的P型或N型材料，通常为10:1或更小。较低的掺杂水平会降低材料的导电性并增加其电阻，从而限制自由载流子的数量。
二极管与晶体管的区别在于：二极管由两层材料和一个PN结组成，而晶体管由三层材料和两个PN结组成。晶体管可以作为开关或放大器使用。
晶体管符号
记忆晶体管符号的简单方法是：
- PNP - Points In Permanently（箭头永远指向内）
- NPN - Never Points iN（箭头永远不指向内）
在晶体管符号中，箭头表示电流的流动方向。
PNP晶体管的电压极性和电流方向与NPN晶体管相反。然而，NPN和PNP晶体管的工作原理是相同的。
晶体管的工作模式
晶体管有四种工作模式：饱和、截止、放大和反向放大。
饱和模式
在此模式下，晶体管作为开关使用。从集电极到发射极的电流无条件流动（短路）。两个PN结都处于正向偏置状态。
截止模式
在此模式下，晶体管也作为开关使用，但从集电极到发射极没有电流流动（开路）。发射极和集电极端子均无电流流动。
放大模式
在此模式下，晶体管作为放大器使用，从集电极到发射极的电流与基极电流成比例。基极放大进入集电极端子的电流并从发射极端子流出。
反向放大模式
从集电极到发射极的电流与基极电流成比例，但电流方向相反。
晶体管中集电结和发射结形成的耗尽层主要由载流子形成。对于两个背靠背连接的二极管，形成的耗尽区无法通过空穴和电子等载流子。
我们已经知道，晶体管之所以能工作，是因为基区非常薄，它只是发射极和集电极之间的插入部分。这使得发射极和集电极非常接近。当施加强电场时，多数载流子可以从发射极通过。
这些多数载流子会作为少数载流子扩散到基区，并进入集电结的耗尽区。简单来说，这种器件由一个NP结和一个PN结组成，类似于两个背靠背的二极管。
在这种情况下，当我们在基极端施加较大电压时，电流无法通过电路。因为施加的电压会使一个势垒变大，另一个势垒变小，从而无法通过电流。
为了克服这种情况，除了在N-P端的主电源外，在P-N端还增加了一个小电压源。由于这个小电压源的作用，电子会被推入空穴区域。
主电源控制电流的流动。通过这两个作用，在耗尽层中电流势垒被降低。因此，晶体管中的电压会迅速增加。