基础电子学 - 晶体管

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在了解了二极管（一个单PN结）的工作原理后，让我们尝试连接两个PN结，形成一个名为晶体管的新元件。晶体管是一种三端半导体器件，它可以调节电流或电压的流动，并充当信号的开关或门。

为什么我们需要晶体管？

假设您有一个接收您想要信号的调频收音机。由于在传输过程中会遇到干扰，因此接收到的信号显然会很弱。如果直接读取此信号，则无法获得良好的输出。因此，我们需要放大信号。放大表示增加信号强度。

这只是一个例子。在任何需要增加信号强度的地方都需要放大。这是由晶体管完成的。晶体管还可以充当开关，在可用选项之间进行选择。它还可以调节信号的输入电流和电压。

晶体管的结构细节

晶体管是一种三端固态器件，通过将两个二极管背靠背连接形成。因此，它具有两个PN结。从其中的三个半导体材料引出三个端子。这种连接方式提供了两种类型的晶体管。它们是PNP和NPN，这意味着两个P型材料之间有一个N型材料，另一个是两个N型材料之间有一个P型材料。

晶体管的结构如下图所示，解释了上述想法。

从晶体管引出的三个端子分别表示发射极、基极和集电极端子。它们的功能如下所述。

发射极

• 上图结构的左侧可以理解为发射极。

• 它具有中等尺寸并且掺杂浓度高，因为其主要功能是提供大量的多数载流子，即电子或空穴。

• 由于它发射电子，因此称为发射极。

• 它用字母E表示。

基极

• 上图中的中间材料是基极。

• 它很薄且掺杂浓度低。

• 其主要功能是将多数载流子从发射极传递到集电极。

• 它用字母B表示。

集电极

• 上图中的右侧材料可以理解为集电极。

• 其名称暗示了其收集载流子的功能。

• 它的大小比发射极和基极略大。它掺杂浓度中等。

• 它用字母C表示。

PNP和NPN晶体管的符号如下所示。

上图中的箭头表示晶体管的发射极。由于晶体管的集电极必须耗散更大的功率，因此它的尺寸较大。由于发射极和集电极的特定功能，它们不可互换。因此，在使用晶体管时，始终要注意端子。

在实际晶体管中，发射极引线附近有一个缺口用于识别。可以使用万用表区分PNP和NPN晶体管。下图显示了不同实际晶体管的外观。

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的结构细节，但是要了解晶体管的工作原理，首先需要了解偏置。

晶体管偏置

众所周知，晶体管是由两个二极管组成的，这里有两个结。由于一个结位于发射极和基极之间，因此称为发射极-基极结，同样，另一个是集电极-基极结。

偏置是通过提供电源来控制电路的操作。通过向电路提供一些直流电源，可以控制两个PN结的功能。下图显示了晶体管是如何偏置的。

通过观察上图，可以了解到

• N型材料提供负电源，P型材料提供正电源以使电路正向偏置。

• N型材料提供正电源，P型材料提供负电源以使电路反向偏置。

通过施加电源，发射极-基极结始终正向偏置，因为发射极电阻非常小。集电极-基极结反向偏置，并且其电阻略高。发射极结需要小的正向偏置，而集电极结需要施加高的反向偏置。

上述电路中指示的电流方向，也称为常规电流，是空穴电流的运动，它与电子电流相反。

PNP晶体管的工作原理

可以通过观察下图来解释PNP晶体管的工作原理，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压V_EE在发射极提供正电位，排斥P型材料中的空穴，这些空穴穿过发射极-基极结到达基区。那里只有一小部分空穴与N区的自由电子复合。这产生了非常小的电流，构成基极电流I_B。其余的空穴穿过集电极-基极结，构成集电极电流I_C，它是空穴电流。

当空穴到达集电极端子时，来自电池负极的电子填充集电极中的空间。此电流缓慢增加，并且电子少数载流子电流流过发射极，其中每个进入V_EE正极的电子都被空穴取代，空穴向发射极结移动。这构成了发射极电流I_E。

因此，我们可以理解：

• PNP晶体管中的传导是通过空穴进行的。
• 集电极电流略小于发射极电流。
• 发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

NPN晶体管的工作原理

可以通过观察下图来解释NPN晶体管的工作原理，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压V_EE在发射极提供负电位，排斥N型材料中的电子，这些电子穿过发射极-基极结到达基区。那里只有一小部分电子与P区的自由空穴复合。这产生了非常小的电流，构成基极电流I_B。其余的空穴穿过集电极-基极结，构成集电极电流I_C。

当电子到达集电极端子并进入电池的正极时，来自电池V_EE负极的电子进入发射极区域。此电流缓慢增加，并且电子电流流过晶体管。

因此，我们可以理解：

• NPN晶体管中的传导是通过电子进行的。
• 集电极电流高于发射极电流。
• 发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

优点

晶体管有很多优点，例如：

• 高电压增益。
• 所需的电源电压较低。
• 最适合低功耗应用。
• 体积小，重量轻。
• 机械强度比真空管强。
• 不需要像真空管那样进行外部加热。
• 非常适合与电阻和二极管集成以生产集成电路。

也有一些缺点，例如，由于功耗较低，它们不能用于高功耗应用。它们具有较低的输入阻抗并且受温度影响。