晶體管解釋-晶體管如何工作

了解晶體管-有史以來最重要的設(shè)備之一。我們將在本文中詳細(xì)了解它們的工作原理。

晶體管

晶體管有許多形狀和尺寸。有兩種電源類型，雙極性和場效應(yīng)。在本文中，我們將主要關(guān)注兩極版本。晶體管是具有兩個(gè)主要功能的小型電子元件。它可以充當(dāng)控制電路的開關(guān)，也可以放大信號。

小，低功率晶體管封裝在一個(gè)樹脂外殼中，以幫助保護(hù)內(nèi)部部件。但是高功率晶體管將有一個(gè)部分金屬外殼，用來幫助消除產(chǎn)生的熱量，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，這將損壞組件。我們通常發(fā)現(xiàn)這些金屬體晶體管連接在散熱片上，有助于排除不必要的熱量。

Mosfet

例如，在這個(gè)直流臺式電源中，我們有一些mosfet晶體管，它們連接到大型散熱器上。如果沒有散熱片，組件很快就能達(dá)到45攝氏度（或113華氏度），電流只有1.2安培。隨著電流的增加，它們會變得更熱。但是對于小電流的電子電路，我們可以只使用樹脂體晶體管，而不需要散熱片。

零件號

在晶體管的主體上，我們可以找到一些文字，這將告訴我們零件號，我們可以用來找到制造商的數(shù)據(jù)表。每一個(gè)晶體管都能處理一定的電壓和電流，所以檢查這些表是很重要的。

3個(gè)針腳

現(xiàn)在有了晶體管，我們有3個(gè)管腳，分別標(biāo)記為E、B和C。這代表****極，電子基地和集電極。通常，這些樹脂體型晶體管的邊緣是平的，左邊的引腳是****極，中間的是基極，右邊是集電極。然而，并不是所有的晶體管都使用這種配置，所以請檢查制造商的數(shù)據(jù)表。

我們知道，如果我們把一個(gè)燈泡連接到電池上，它就會發(fā)光。我們可以在電路中安裝一個(gè)開關(guān)，通過切斷電源來控制燈光。但是，這需要一個(gè)人來手動控制開關(guān)。那么，我們?nèi)绾问怪詣踊?？為此我們使用晶體管。這個(gè)晶體管擋住了電流，所以燈關(guān)了。但是，如果我們給中間的基腳提供一個(gè)小電壓，它會使晶體管開始允許電流在主電路中流動，所以燈就亮了。然后我們可以在控制管腳上安裝一個(gè)開關(guān)來遠(yuǎn)程操作它，或者我們可以在上面安裝一個(gè)傳感器來自動控制。

通常情況下，我們需要在基腳上施加至少0.6–0.7伏的電壓才能使晶體管通電。例如，這個(gè)簡單的晶體管電路有一個(gè)紅色的發(fā)光二極管，主電路上有一個(gè)9伏的電源?；N連接到直流工作臺電源。電路圖是這樣的。

當(dāng)基腳的電源電壓為0.5伏時(shí)，晶體管關(guān)閉，因此LED也關(guān)閉。在0.6伏的電壓下，晶體管是開著的，但不是完全通電的，發(fā)光二極管變暗了，因?yàn)榫w管還沒有讓全部電流流過主電路。當(dāng)電壓為0.7伏時(shí)，LED更亮，因?yàn)榫w管讓幾乎全部電流通過；當(dāng)電壓為0.8伏時(shí)，LED處于最大亮度，晶體管完全打開。

所以，我們用很小的電壓和電流來控制更大的電壓和電流。

我們看到了一個(gè)很小的變化，在基腳上的電壓，引起一個(gè)大的變化，在主電路。因此，如果我們向基腳輸入信號，晶體管就充當(dāng)放大器。我們可以連接一個(gè)麥克風(fēng)，它可以改變基腳上的電壓信號，這將放大主電路中的揚(yáng)聲器，從而形成一個(gè)非?；镜姆糯笃鳌?/p>

通常情況下，引腳中的電流很小，可能只有1毫安，甚至更少。例如，100毫安的集電極電流要高得多。這兩者之間的比率稱為電流增益，并使用符號β（β）。我們可以在制造商的數(shù)據(jù)表中找到這個(gè)比率。

在這個(gè)例子中，集電極電流是100毫安，基極電流是1毫安，所以比率是100除以1，這就是100。我們可以重新排列這個(gè)公式來計(jì)算電流。

我們有兩種主要的雙極晶體管，NPN型和PNP型。這兩個(gè)晶體管看起來幾乎完全相同，所以我們需要檢查零件號來區(qū)分哪個(gè)是哪個(gè)。

對于NPN晶體管，我們有主電路和控制電路。兩者都與蓄電池正極相連。主電路關(guān)閉，直到我們按下控制電路上的開關(guān)。我們可以看到電流通過兩根導(dǎo)線流向晶體管。我們可以拆下主電路，當(dāng)電流通過晶體管返回電池時(shí)，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，控制電路LED仍將點(diǎn)亮。

例子

在這個(gè)簡化的例子中，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，有5毫安的電流流入基腳。有20毫安流入集電極引腳，25毫安從****極流出。因此電流在晶體管中匯合。

有了PNP晶體管，我們又有了主電路和控制電路。但是現(xiàn)在，****連接到了電池的正極。主電路關(guān)閉，直到我們按下控制電路上的開關(guān)。我們可以看到，這種類型的電流，一部分從基腳流出，返回電池，其余的電流流過晶體管，通過主LED，然后返回電池。如果我們拆下主電路，控制電路led仍將亮起。

當(dāng)25毫安的電流流入集電極時(shí)，電流為25毫安。因此電流在晶體管中分流。

晶體管在電氣圖紙上用這樣的符號表示。箭頭位于****引線上。箭頭指向傳統(tǒng)電流的方向，以便我們知道如何將它們連接到電路中。

為了理解晶體管是如何工作的，我們想讓你先想象一下水流過管子。它在管道中自由流動，直到我們用圓盤堵住它?，F(xiàn)在，如果我們把一個(gè)較小的管道連接到主管道中，并在這個(gè)小管道中放置一個(gè)旋轉(zhuǎn)閘門-我們可以用滑輪移動圓盤。擺動門開得越遠(yuǎn)；允許更多的水在干管中流動。旋轉(zhuǎn)門有點(diǎn)重，所以少量的水不足以打開它。需要一定量的水來迫使閘門打開。我們在這個(gè)小管道中流動的水越多，閥門打開的越遠(yuǎn)，允許越來越多的水在主管道中流動。這就是NPN晶體管的工作原理。

你可能已經(jīng)知道，當(dāng)我們設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，我們使用傳統(tǒng)電流。所以在這個(gè)NPN晶體管電路中，我們假設(shè)電流從電池正極流入集電極和基極引腳，然后從****極引腳流出。我們總是用這個(gè)方向來設(shè)計(jì)電路。

然而，事實(shí)并非如此。實(shí)際上，電子是從電池的負(fù)極流向正極的。約瑟夫·湯普森（Joseph Thompson）證明了這一點(diǎn)，他進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)電子，同時(shí)也證明了電子的流動方向相反。所以，實(shí)際上，電子從負(fù)極流入****極，然后從集電極和基腳流出。我們稱之為電子流。

記住，我們總是用傳統(tǒng)的電流法來設(shè)計(jì)電路。但是，科學(xué)家和工程師都知道電子流實(shí)際上是如何工作的。

順便說一下，我們在上一篇文章中也詳細(xì)介紹了電池的工作原理，請檢查一下酒店雇員和飯館雇員 .

好的，我們知道電流是電子通過導(dǎo)線的流動。銅線是導(dǎo)體，橡膠是絕緣體。電子可以很容易地流過銅，但不能流過橡膠絕緣體。

如果我們看一個(gè)金屬導(dǎo)體原子的基本模型，我們的核心是原子核，它被許多軌道殼層包圍著，這些殼層容納著電子。每一個(gè)殼層含有最多數(shù)量的電子，一個(gè)電子需要有一定數(shù)量的能量才能被每個(gè)殼層接受。離原子核最遠(yuǎn)的電子擁有最多的能量。最外層的殼層叫做帷幔殼層，導(dǎo)體的帷幔殼層中有1到3個(gè)電子。電子被原子核固定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，但還有另一層被稱為導(dǎo)帶的殼層。如果一個(gè)電子能到達(dá)這個(gè)位置，那么它就可以從原子中掙脫出來，移動到其他原子上。對于銅這樣的金屬原子，帷幔殼層和導(dǎo)帶重疊，所以電子很容易移動。

用絕緣體，最外層的外殼被包裝起來。幾乎沒有，甚至沒有空間讓電子加入。原子核緊緊地抓住了電子，而且導(dǎo)帶離我們很遠(yuǎn)，所以電子無法到達(dá)這個(gè)位置逃逸。因此，電不能流過這種材料。

然而，還有另一種材料叫做半導(dǎo)體。硅是半導(dǎo)體的一個(gè)例子。對于這種材料，帷幔殼層中的電子太多，它不能作為導(dǎo)體，所以它起到了絕緣體的作用。但是，由于導(dǎo)帶很近，如果我們提供一些外部能量，一些電子將獲得足夠的能量，使其躍入導(dǎo)帶并變得自由。因此，這種材料既可以作為絕緣體又可以作為導(dǎo)體。

純硅幾乎沒有自由電子，所以工程師們要做的就是在硅中摻雜少量的另一種材料，從而改變硅的電學(xué)性質(zhì)。我們稱之為P型和N型摻雜。我們把這些材料結(jié)合起來形成P-N結(jié)。我們可以把它們夾在一起形成NPN或PNP晶體管。

晶體管內(nèi)部有集電極管腳和****極管腳。在這兩者之間，在NPN晶體管中，我們有兩層N型材料和一層P型材料?；€連接到P型層。在PNP晶體管中，這只是以相反的方式配置。整個(gè)裝置被包裹在樹脂中以保護(hù)內(nèi)部材料。

假設(shè)硅還沒有被摻雜，所以里面只有純硅。每個(gè)硅原子被另外4個(gè)硅原子包圍。每個(gè)原子都想要，8個(gè)電子在它的價(jià)殼層里。但是，硅原子的價(jià)殼層中只有4個(gè)電子。所以，他們偷偷地和鄰近的原子共用一個(gè)電子，得到他們想要的8。這就是共價(jià)鍵。當(dāng)我們加入磷等N型物質(zhì)時(shí)，它會占據(jù)一些硅原子的位置。磷原子的價(jià)殼層中有5個(gè)電子。所以，當(dāng)硅原子共享電子來獲得他們想要的8時(shí)，他們不需要這個(gè)額外的電子，這意味著材料中現(xiàn)在有額外的電子，這些電子可以自由移動。

用P型摻雜，我們加入一種材料，如鋁，或鋁，這個(gè)原子只有3個(gè)電子在它的價(jià)殼層。因此，它不能為它的四個(gè)鄰居提供一個(gè)共享的電子，所以它們中的一個(gè)必須沒有。這意味著一個(gè)空穴已經(jīng)被創(chuàng)造出來，一個(gè)電子可以坐在那里并占據(jù)它。

我們現(xiàn)在有兩塊摻雜硅，一塊電子太多，另一塊電子不足。這兩種材料結(jié)合在一起形成了PN結(jié)，在這個(gè)結(jié)處我們得到了一個(gè)損耗區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，來自n型側(cè)的一些多余電子將移動到p型側(cè)的空穴中。這種遷移將形成一個(gè)勢壘，電子和空穴在相反的一側(cè)堆積起來。

電子帶負(fù)電，因此空穴被認(rèn)為帶正電荷。所以這個(gè)堆積會產(chǎn)生一個(gè)帶負(fù)電荷的區(qū)域和一個(gè)帶輕微正電荷的區(qū)域。這就產(chǎn)生了一個(gè)電場，阻止了更多的電子穿過。這個(gè)區(qū)域的電位差通常在0.7伏左右。

當(dāng)我們在兩端連接一個(gè)電壓源，正極連接到P型材料上時(shí)，這將產(chǎn)生正向偏壓，電子開始流動。電壓源必須大于0.7伏的勢壘，否則電子不能跳躍。

當(dāng)我們反轉(zhuǎn)電源使正極連接到N型材料時(shí)，阻擋層中的電子將被拉回到正極端子，而空穴將被拉回到負(fù)極端子。這導(dǎo)致了一種反向偏差。

在NPN晶體管中，我們有兩層N型材料，所以我們有兩個(gè)結(jié)，因此有兩個(gè)勢壘。所以，正常情況下沒有電流可以通過它。

****極N型材料是重?fù)诫s的，所以這里有很多多余的電子?；鵓型是輕摻雜的，所以這里有幾個(gè)洞。集電極N型是適度摻雜的，所以這里有一些多余的電子。

如果我們把一個(gè)電池連接在基極和****極上，正極連接到P型層，這將產(chǎn)生正向偏壓。只要電壓至少為0.7伏，正向偏壓會導(dǎo)致勢壘崩塌。所以，勢壘減小，電子沖過來填滿P型材料的空間。其中一些電子會占據(jù)一個(gè)空穴，并被拉向電池的正極。這是一個(gè)很小的電子，因?yàn)樗且粋€(gè)很薄的空穴。其余部分將在材料周圍自由移動。因此，只有很小的電流會從引腳流出，在P型材料中留下多余的電子。

如果我們在****和收集器之間連接另一個(gè)電池，正極連接到收集器。收集器內(nèi)帶負(fù)電的電子將被吸引到正端，從而產(chǎn)生反向偏壓。如果你記得用反向偏壓，勢壘的電子和空穴被拉回來。

所以，勢壘P型側(cè)的電子被拉到N型側(cè)，N型側(cè)的空穴被拉回到P型。在P型材料中已經(jīng)有過多的電子，因此它們會移動來占據(jù)這些空穴，而其中一些電子會被拉過，因?yàn)檫@種電池的電壓更大，所以吸引力要高得多。當(dāng)這些電子被拉過時(shí)，它們流入電池，因此電流通過反向偏壓結(jié)形成。

更高的基腳電壓會完全打開晶體管，這意味著更多的電流和更多的電子進(jìn)入P型層，因此更多的電子被拉過反向偏壓。與集電極側(cè)相比，我們還可以看到更多的電子在晶體管的****端流動。