晶体管作为开关的工作原理

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晶体管作为开关的工作原理

令人惊讶的是,首个可运行晶体管于 1947 年 12 月 23 日面世,距今已有 70 年!1 晶体管或许是人们发明的最具革命性的元器件之一。它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。

1.何为晶体管?

晶体管又称双极结型晶体管 (BJT),是由电流驱动的半导体器件,用于控制电流的流动,其中,基极引线中的较小电流控制集电极和发射极之间较大的电流。它们能用于放大弱信号,用作振荡器或开关。

晶体管通常由硅晶体制成,采用 N 和 P 型半导体层相互夹合形式。见下图 1。
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图 1:图 1a 展示了一个晶体管的剖视图,展示了连接到硅基的 E - 发射极、B - 基极和 C – 集电极引线。图 1b 摘自 1958 年 5 月的杂志,图中显示了 N 和 P 型层片及其排列情况(当时使用的是锗材料)。

晶体管密闭并封装在塑料或金属圆柱形外壳中,带有三根引线(图 2)。
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2.晶体管如何工作?

我们将以 NPN 晶体管为例,来说明晶体管的工作原理。要了解这类元件如何作为开关运作,方法很简单,即想像水流流经阀门控制的水管即可。水压代表“电压”,流经水管的水流代表“电流”(图3)。大水管代表集电/发射结,中间由阀门隔开,图中阀门以灰色椭圆形表示,像一块活动的挡板,由代表基极的小水管中的水流进行致动。阀门保持从集电极到发射极的水压。当水流流经较小的水管(基极)时,将打开集电/发射结之间的阀门,让水流经过发射极流向地面(地面表示所有水或电压/电流的回路)。
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图 3:该图以图形化的方式说明了晶体管的工作原理。当水流流经小水管(基极)时,将打开集电/发射结之间的阀门,让水流经过发射极流向地面。


3.为您的应用选择晶体管

如果只是想要打开电路或是开启负载,您应当考虑以下几点。确定您是想要通过正电流还是负电流(即分别为 NPN 或 PNP 类型)来偏置或激励晶体管开关。NPN 晶体管由在基极偏置的正电流驱动(或打开),以控制从集电极到发射极的电流。PNP 型晶体管由在基极偏置的负电流驱动,以控制从发射极到集电极的电流。(注意,PNP 极性与 NPN 相反。)
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总结一下

晶体管有三个极,基极,集电极(结),发射极(结)。基极的就像水管的阀门,集电极和发射极分别是水流的出发地和目的地。它的工作原理就是通过基极的开闭来控制集电极和发射极间电流的通断。而电流本质就是按同一个方向移动的电子流。

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