晶体管解释-晶体管如何工作

了解晶体管-有史以来最重要的设备之一。我们将在本文中详细了解它们的工作原理。

晶体管

晶体管有许多形状和尺寸。有两种电源类型，双极性和场效应。在本文中，我们将主要关注两极版本。晶体管是具有两个主要功能的小型电子元件。它可以充当控制电路的开关，也可以放大信号。

小，低功率晶体管封装在一个树脂外壳中，以帮助保护内部部件。但是高功率晶体管将有一个部分金属外壳，用来帮助消除产生的热量，因为随着时间的推移，这将损坏组件。我们通常发现这些金属体晶体管连接在散热片上，有助于排除不必要的热量。

Mosfet

例如，在这个直流台式电源中，我们有一些mosfet晶体管，它们连接到大型散热器上。如果没有散热片，组件很快就能达到45摄氏度（或113华氏度），电流只有1.2安培。随着电流的增加，它们会变得更热。但是对于小电流的电子电路，我们可以只使用树脂体晶体管，而不需要散热片。

零件号

在晶体管的主体上，我们可以找到一些文字，这将告诉我们零件号，我们可以用来找到制造商的数据表。每一个晶体管都能处理一定的电压和电流，所以检查这些表是很重要的。

3个针脚

现在有了晶体管，我们有3个管脚，分别标记为E、B和C。这代表****极，电子基地和集电极。通常，这些树脂体型晶体管的边缘是平的，左边的引脚是****极，中间的是基极，右边是集电极。然而，并不是所有的晶体管都使用这种配置，所以请检查制造商的数据表。

我们知道，如果我们把一个灯泡连接到电池上，它就会发光。我们可以在电路中安装一个开关，通过切断电源来控制灯光。但是，这需要一个人来手动控制开关。那么，我们如何使之自动化？为此我们使用晶体管。这个晶体管挡住了电流，所以灯关了。但是，如果我们给中间的基脚提供一个小电压，它会使晶体管开始允许电流在主电路中流动，所以灯就亮了。然后我们可以在控制管脚上安装一个开关来远程操作它，或者我们可以在上面安装一个传感器来自动控制。

通常情况下，我们需要在基脚上施加至少0.6–0.7伏的电压才能使晶体管通电。例如，这个简单的晶体管电路有一个红色的发光二极管，主电路上有一个9伏的电源。基座销连接到直流工作台电源。电路图是这样的。

当基脚的电源电压为0.5伏时，晶体管关闭，因此LED也关闭。在0.6伏的电压下，晶体管是开着的，但不是完全通电的，发光二极管变暗了，因为晶体管还没有让全部电流流过主电路。当电压为0.7伏时，LED更亮，因为晶体管让几乎全部电流通过；当电压为0.8伏时，LED处于最大亮度，晶体管完全打开。

所以，我们用很小的电压和电流来控制更大的电压和电流。

我们看到了一个很小的变化，在基脚上的电压，引起一个大的变化，在主电路。因此，如果我们向基脚输入信号，晶体管就充当放大器。我们可以连接一个麦克风，它可以改变基脚上的电压信号，这将放大主电路中的扬声器，从而形成一个非常基本的放大器。

通常情况下，引脚中的电流很小，可能只有1毫安，甚至更少。例如，100毫安的集电极电流要高得多。这两者之间的比率称为电流增益，并使用符号β（β）。我们可以在制造商的数据表中找到这个比率。

在这个例子中，集电极电流是100毫安，基极电流是1毫安，所以比率是100除以1，这就是100。我们可以重新排列这个公式来计算电流。

我们有两种主要的双极晶体管，NPN型和PNP型。这两个晶体管看起来几乎完全相同，所以我们需要检查零件号来区分哪个是哪个。

对于NPN晶体管，我们有主电路和控制电路。两者都与蓄电池正极相连。主电路关闭，直到我们按下控制电路上的开关。我们可以看到电流通过两根导线流向晶体管。我们可以拆下主电路，当电流通过晶体管返回电池时，当按下开关时，控制电路LED仍将点亮。

例子

在这个简化的例子中，当按下开关时，有5毫安的电流流入基脚。有20毫安流入集电极引脚，25毫安从****极流出。因此电流在晶体管中汇合。

有了PNP晶体管，我们又有了主电路和控制电路。但是现在，****连接到了电池的正极。主电路关闭，直到我们按下控制电路上的开关。我们可以看到，这种类型的电流，一部分从基脚流出，返回电池，其余的电流流过晶体管，通过主LED，然后返回电池。如果我们拆下主电路，控制电路led仍将亮起。

当25毫安的电流流入集电极时，电流为25毫安。因此电流在晶体管中分流。

晶体管在电气图纸上用这样的符号表示。箭头位于****引线上。箭头指向传统电流的方向，以便我们知道如何将它们连接到电路中。

为了理解晶体管是如何工作的，我们想让你先想象一下水流过管子。它在管道中自由流动，直到我们用圆盘堵住它。现在，如果我们把一个较小的管道连接到主管道中，并在这个小管道中放置一个旋转闸门-我们可以用滑轮移动圆盘。摆动门开得越远；允许更多的水在干管中流动。旋转门有点重，所以少量的水不足以打开它。需要一定量的水来迫使闸门打开。我们在这个小管道中流动的水越多，阀门打开的越远，允许越来越多的水在主管道中流动。这就是NPN晶体管的工作原理。

你可能已经知道，当我们设计电子电路时，我们使用传统电流。所以在这个NPN晶体管电路中，我们假设电流从电池正极流入集电极和基极引脚，然后从****极引脚流出。我们总是用这个方向来设计电路。

然而，事实并非如此。实际上，电子是从电池的负极流向正极的。约瑟夫·汤普森（Joseph Thompson）证明了这一点，他进行了一些实验来发现电子，同时也证明了电子的流动方向相反。所以，实际上，电子从负极流入****极，然后从集电极和基脚流出。我们称之为电子流。

记住，我们总是用传统的电流法来设计电路。但是，科学家和工程师都知道电子流实际上是如何工作的。

顺便说一下，我们在上一篇文章中也详细介绍了电池的工作原理，请检查一下酒店雇员和饭馆雇员 .

好的，我们知道电流是电子通过导线的流动。铜线是导体，橡胶是绝缘体。电子可以很容易地流过铜，但不能流过橡胶绝缘体。

如果我们看一个金属导体原子的基本模型，我们的核心是原子核，它被许多轨道壳层包围着，这些壳层容纳着电子。每一个壳层含有最多数量的电子，一个电子需要有一定数量的能量才能被每个壳层接受。离原子核最远的电子拥有最多的能量。最外层的壳层叫做帷幔壳层，导体的帷幔壳层中有1到3个电子。电子被原子核固定在适当的位置上，但还有另一层被称为导带的壳层。如果一个电子能到达这个位置，那么它就可以从原子中挣脱出来，移动到其他原子上。对于铜这样的金属原子，帷幔壳层和导带重叠，所以电子很容易移动。

用绝缘体，最外层的外壳被包装起来。几乎没有，甚至没有空间让电子加入。原子核紧紧地抓住了电子，而且导带离我们很远，所以电子无法到达这个位置逃逸。因此，电不能流过这种材料。

然而，还有另一种材料叫做半导体。硅是半导体的一个例子。对于这种材料，帷幔壳层中的电子太多，它不能作为导体，所以它起到了绝缘体的作用。但是，由于导带很近，如果我们提供一些外部能量，一些电子将获得足够的能量，使其跃入导带并变得自由。因此，这种材料既可以作为绝缘体又可以作为导体。

纯硅几乎没有自由电子，所以工程师们要做的就是在硅中掺杂少量的另一种材料，从而改变硅的电学性质。我们称之为P型和N型掺杂。我们把这些材料结合起来形成P-N结。我们可以把它们夹在一起形成NPN或PNP晶体管。

晶体管内部有集电极管脚和****极管脚。在这两者之间，在NPN晶体管中，我们有两层N型材料和一层P型材料。基线连接到P型层。在PNP晶体管中，这只是以相反的方式配置。整个装置被包裹在树脂中以保护内部材料。

假设硅还没有被掺杂，所以里面只有纯硅。每个硅原子被另外4个硅原子包围。每个原子都想要，8个电子在它的价壳层里。但是，硅原子的价壳层中只有4个电子。所以，他们偷偷地和邻近的原子共用一个电子，得到他们想要的8。这就是共价键。当我们加入磷等N型物质时，它会占据一些硅原子的位置。磷原子的价壳层中有5个电子。所以，当硅原子共享电子来获得他们想要的8时，他们不需要这个额外的电子，这意味着材料中现在有额外的电子，这些电子可以自由移动。

用P型掺杂，我们加入一种材料，如铝，或铝，这个原子只有3个电子在它的价壳层。因此，它不能为它的四个邻居提供一个共享的电子，所以它们中的一个必须没有。这意味着一个空穴已经被创造出来，一个电子可以坐在那里并占据它。

我们现在有两块掺杂硅，一块电子太多，另一块电子不足。这两种材料结合在一起形成了PN结，在这个结处我们得到了一个损耗区。在这个区域，来自n型侧的一些多余电子将移动到p型侧的空穴中。这种迁移将形成一个势垒，电子和空穴在相反的一侧堆积起来。

电子带负电，因此空穴被认为带正电荷。所以这个堆积会产生一个带负电荷的区域和一个带轻微正电荷的区域。这就产生了一个电场，阻止了更多的电子穿过。这个区域的电位差通常在0.7伏左右。

当我们在两端连接一个电压源，正极连接到P型材料上时，这将产生正向偏压，电子开始流动。电压源必须大于0.7伏的势垒，否则电子不能跳跃。

当我们反转电源使正极连接到N型材料时，阻挡层中的电子将被拉回到正极端子，而空穴将被拉回到负极端子。这导致了一种反向偏差。

在NPN晶体管中，我们有两层N型材料，所以我们有两个结，因此有两个势垒。所以，正常情况下没有电流可以通过它。

****极N型材料是重掺杂的，所以这里有很多多余的电子。基P型是轻掺杂的，所以这里有几个洞。集电极N型是适度掺杂的，所以这里有一些多余的电子。

如果我们把一个电池连接在基极和****极上，正极连接到P型层，这将产生正向偏压。只要电压至少为0.7伏，正向偏压会导致势垒崩塌。所以，势垒减小，电子冲过来填满P型材料的空间。其中一些电子会占据一个空穴，并被拉向电池的正极。这是一个很小的电子，因为它是一个很薄的空穴。其余部分将在材料周围自由移动。因此，只有很小的电流会从引脚流出，在P型材料中留下多余的电子。

如果我们在****和收集器之间连接另一个电池，正极连接到收集器。收集器内带负电的电子将被吸引到正端，从而产生反向偏压。如果你记得用反向偏压，势垒的电子和空穴被拉回来。

所以，势垒P型侧的电子被拉到N型侧，N型侧的空穴被拉回到P型。在P型材料中已经有过多的电子，因此它们会移动来占据这些空穴，而其中一些电子会被拉过，因为这种电池的电压更大，所以吸引力要高得多。当这些电子被拉过时，它们流入电池，因此电流通过反向偏压结形成。

更高的基脚电压会完全打开晶体管，这意味着更多的电流和更多的电子进入P型层，因此更多的电子被拉过反向偏压。与集电极侧相比，我们还可以看到更多的电子在晶体管的****端流动。