電晶體基本知識：採用 2N3904、2N3906、2N2222 以及 2N2907 的 NPN 和 PNP 電晶體

令人驚訝的是，第一顆實際運作的電晶體是在 1947 年 12 月 23 日，也就是在 70 年前發表的！¹ 電晶體或許是已發明最具革命性的元件之一。進而引領創造了積體電路、微處理器和電腦記憶體。

本文將探討以下主題：

(您可以點選連結跳到您感興趣的段落)

• 什麼是電晶體？
• 電晶體的運作原理為何？
• 挑選適合應用的電晶體
• 電晶體電路的範例
• 電晶體發明歷史
• 進一步研究用的參考資料連結

什麼是電晶體？

電晶體也稱為雙極性接面電晶體 (BJT)，是一種由電流驅動的半導體元件，可用於控制電流流動；其中，基極引線中的少量電流可控制集極和射極之間較大的電流。電晶體可以用來放大微弱的訊號、當作振盪器或開關。

通常，這些電晶體元件是以矽晶體製成，其中的 N 與 P 型半導體層互相堆疊。請參閱以下圖 1。

圖 1：圖 1a 為 2N3904 TO-92 的剖面圖，顯示接至矽晶的 E - 射極、B - 基極以及 C - 集極引線。圖 1b 取自 1958 年 5 月號 Radio-Electronics 雜誌²，顯示了 N 和 P 型切面及其排列情形 (當時使用鍺材質)。

電晶體採用全密閉結構，封裝在有三根引線的塑膠或金屬圓柱體內 (圖 2)。

圖 2：幾種常見的封裝類型及其尺寸比較。

電晶體的運作原理為何？

我們將舉例說明 NPN 電晶體如何運作。要瞭解這類元件如何作為開關運作，方法很簡單：想像水流流過閥門控制的水管。水壓代表「電壓」，而流經水管的水流就代表「電流」 (圖 3)。大水管代表集極／射極接面且中間具有閥門，就像一個可開闔擋片 (在圖中以灰色橢圓型表示)，由代表基極的小水管內的電流推動。閥門會維持從集極流向射極的水壓。當水流過較小的水管 (基極) 時，會打開集極／射極接面間的閥門，讓水流經射極後流到地面，地面代表所有水 (即電壓／電流) 的回路。

圖 3：此圖說明電晶體的運作方式。當水流過較小的水管 (基極)時，會打開集極／射極接面間的閥門，讓水流經射極後流到地面。

挑選適合應用的電晶體

若您只想要啟動電路或開啟負載，有些項目必須列入考量。要決定使用正或負電流 (即分別為 NPN 或 PNP 型) 對電晶體開關施加偏壓或通電。NPN 電晶體由基極施加偏壓的正電流所驅動 (或啟動)，以控制從集極到射極的電流流動。PNP 電晶體由基極施加偏壓的負電流所驅動，以控制從射極到集極的電流流動。(請注意，PNP 的極性與 NPN 相反。)查看以下圖 4 瞭解詳情。

圖 4：各電晶體類型的線路圖符號。

決定偏壓後，需要考量的下一個變數是負載運作所需的電壓與電流值。這些值是電晶體的最低額定電壓與電流。下表 1 與 2 顯示了一些常見的電晶體與關鍵規格，包含其電壓與電流限制。

NPN 與 PNP 型、有引線及表面黏著電晶體

表 1.常見的引線式和表面黏著 NPN 與 PNP 電晶體。

NPN 與 PNP 型金屬圓柱體封裝電晶體

表 2.常見的金屬圓柱體封裝 NPN 與 PNP 電晶體。

電晶體電路的範例

下圖 5 顯示的電路範例會將基極通電藉此開啟集極射極接面，或是透過滑動式開關對基極施加 5 V 的電壓，讓電晶體受到偏壓而開啟接面。在此範例中，負載是 LED，而 LED 會點亮。對基極施加偏壓時，需要適當使用電阻以避免過電流。本範例在麵包板中使用引線式零件，來測試範例電路。在預計上市的新產品設計中如有使用電晶體，絕大多數工程師都會採用表面黏著電晶體 (比 TO-92 封裝尺寸小很多)。此連結會顯示 3904 電晶體的不同封裝尺寸。

2N3904 屬於 NPN 電晶體，因此其基極需要施加正偏壓 (適當的電壓位準與電阻) 以打開集極射極接面，獲得適當的電流。此外，使用負載電阻 (R1) 也相當重要，這麼一來便不會有太多電流流經 LED 與電晶體。如需更多關於電晶體的相關資訊，請參閱 2N3904 規格書。

圖 5：使用 EG1218 滑動式開關點亮 LED 的 2N3904 電路範例，其中顯示了 C (集極)、E (射極) 以及 B (基極) 引腳 (圖片使用 Scheme-it 繪製)。

圖 6 為使用 PNP 電晶體的夜燈電路範例。如需此電路詳情，請連結至 DigiKey 的工藝 WiKi 網站，然後搜尋 PNP 夜燈。

圖 6：使用 PDV-P5003 光電池點亮 LED 的 2N3906 夜燈電路範例圖 (以 Scheme-it 繪製)

電晶體發明簡史

一切是如何開始的？說來話長，我們先從電話的發明談起。關於誰發明了第一個可用的電話原型，許多人持不同意見；不過，第一個專利是由 Alexander Graham Bell 在 1876 年 3 月 7 日³ 獲得，且隨後創立了美國電話電報公司 (即 AT&T)。Bell 的專利在 1894 年¹ 前後到期。雖然 AT&T 一開始時獨占整個巿場，但到了 1900 年代初期，其他公司紛紛成立，並搶走 AT&T 的顧客。有鑑於此，AT&T 認為有必要繼續獨佔並拓展市場。到了 1909 年，AT&T 總裁 Theodore Vail¹ 想要發展跨州的電話轉接服務 (從紐約到加州)。但要達此目標，需要良好的放大器或中繼器來增強長途傳輸的訊號。早在 1906 年，Lee De Forest 承襲了 John A. Fleming 提出的想法 (以愛迪生的研究為基礎打造了真空管裝置，稱為「振盪管」，可用來偵測無線電波)，並加以改造推出三極管，此低效率的三端真空管可當作放大器使用。1912 年時，Western Electric Company (AT&T 的製造商) 的 Harold Arnold 邀請 Forest 展示他的發明。雖然 Forest 的三極管可在低電壓下運作，但 Arnold 希望能達到更高的工作電壓，才可當作長途語音傳輸用的有效中繼器。Arnold 相信自已可以做出更好的三極管，因此雇用科學家來研究此元件的工作原理，及改善此元件的方法。1913 年 10 月，他辦到了。沒多久後，各地就鋪設的電話線。AT&T 從投資及雇用頂尖科學家的多年經驗，瞭解到深入的研究工作可以為他們帶來競爭優勢，因此在 1925 年成立了「貝爾電話實驗室」。

為了保持電話線運作，需要成千上萬的真空管和繼電器。但真空管非常耗電且體積龐大，又經常燒壞。貝爾實驗室研究主任 Mervin Kelly 從二次世界大戰中針對雷達使用的晶體整流器技術發展中得到啟發，想到半導體 (一種固態元件) 可能製作出新的元件，取代昂貴又不可靠的真空管。Kelly 找來實驗室一名優秀的物理學家 William Shockley，向他說明改良電線傳輸語音元件的想法。Kelly 說明希望以固態電子元件取代吵雜的機械式繼電器和耗電的真空管。這個想法在 Shockley 心中一直揮之不去，成為了他研究的主要目標。Kelly 指派 Shockley 負責研究執行。

他是優秀的理論學家，卻不擅於將構想化為實際。Shockley 多次嘗試證明他的構想，也就是對半導體上方的板件通電，利用場效應電子轉移方式連接半導體的兩端。但沒有成功。失望之餘，他求助於貝爾實驗室的另外兩位物理學家：半導體電子理論專家 John Bardeen 和專精於實驗室設備原型製作和使用的 Walter Brattain。他們兩人加入了團隊。Shockley 讓這兩人小組獨立工作。幾年來嘗試了許多次，卻無法讓場效發揮作用。他們檢查了計算，在理論上是應該可行的。Bardeen 與 Brattain 跳脫傳統思維，利用矽和鍺薄片進行實驗，試著讓場效起作用。在 1947 年秋天，Brattain 因為半導體表面凝結水氣而感到困擾，但也因此出現轉機。他沒有將水分除去，反而在矽上滴水並在上方板件通電，終於產生放大效果。水滴協助克服表面位障，進而促成電子流，但電流不順，無法將語音訊號放大至能進行傳輸所需的程度。

1947 年 12 月 (被稱為「奇蹟之月」)，他們構想除去場效能隙、去除水分並製作黃金觸點接觸半導體。他們改用當時較容易處理的鍺，並使用會在鍺材料上自然形成的氧化薄膜將其隔絕。經過許多次試驗仍然不成功。到了 12 月中，一次偶然事件中，Walter Brattain 不小心沖掉氧化塗層，導致黃金觸點直接接觸到鍺！這次成功了！他觀察到良好的放大效果，且電晶體可正常作用。Brattain/Bardeen 發現，與其依循 Scockley 提出的場效概念將電子拉動到半導體表面，不如用黃金觸點接觸半導體，就會在半導體上打洞，促成電氣流動。1947 年 12 月中旬左右，他們在 Shockley 不知情的情況下開始製作可運作的原型。Brattain 製作出一個塑膠三角形裝置，斜邊上覆蓋金箔，並在三角形頂端做出薄如刀片的切口。這是一個極為簡陋的原型。他們用迴紋針做成的彈簧將三角體壓入薄薄的鍺半導體中，半導體下有塊薄銅板，其中兩條導線各位於三角體的一端。若想要的話，可以將鍺薄片下方的銅板作為第三條引線使用 (圖 7)。這就成為了所謂的「點接觸電晶體」。

Brattain 和 Bardeen 打電話給 Shockley 報喜訊。根據資料顯示，Shockley 當時的心情相當複雜，一方面心喜事成，另一方面因未能親自參與發明而失望。一個星期之後，他們在 1947 年 12 月 23 日向 Shockley 的上司展現了成果 (1948 年 6 月 30 日才公開發表)。之後拍了照片以紀念這歷史時刻 (圖 8)。Shockley 知道點接觸電晶體相當脆弱，也不容易生產，因此獨自投入精力試圖改善。Shockley 非常努力，嘗試以自己的方法解決問題……他嘗試堆疊半導體，讓材料更加緊密整合，並將過程中的想法記錄下來。之後更投入更多研究工作，最終完成理論並申請接面電晶體的專利 (1948 年 6 月 25 日申請專利)。可運作的 NPN 接面電晶體於 1950 年 4 月 20 日面世 (由 Gordon Teal 與 Morgan Sparks 的成果促成)。這段歷史的詳細淵源遠遠超乎您的想像⁴。

1956 年 12 月 10 日，William Shockley、John Bardeen 及 Walter Brattain 因發明電晶體的成果而獲頒諾貝爾奬。

圖 7：點接觸電晶體 (Nokia Corporation 許可下再次使用)

圖 8：John Bardeen (左)、 William Shockley (中) 及 Walter Brattain (右)。(Nokia Corporation 許可下再次使用)

參考資料

1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson.1997.Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age.New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958.“Ten years of Transistors”, Radio-Electronics Magazine, May, page 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company.1991.“ALEXANDER GRAHAM BELL”.Retrieved Dec. 19, 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, and Conyers Herring.1999.“The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

如需更多資訊，請造訪：http://www.pbs.org/transistor/