1947年,三位物理学家在美国贝尔实验室发现了举世闻名的晶体管效应,从而使晶体管得以问世,这也是人类电学史上又一伟大的发现。晶体管又称为“双极型晶体管”,是电子电路中极其重要的半导体器件,它主要具有电流放大和开关的作用。
2.2.1 晶体管的原理
晶体管具有三个电极,本书前面介绍的二极管由一个PN结构成,而晶体管则是由两个PN结背对背地连接在一起构成类似于三明治的结构,如图2-9所示。图中两个PN结共用的一个电极是晶体管的基极,用字母“b”表示,其余的两个电极一个为集电极,用字母“c”表示,另一个为发射极,用字母“e”表示。PN结的不同排列组合方式构成了两种不同类型的晶体管,即NPN型和PNP型晶体管。由于制造晶体管所用半导体材料不同,晶体管有硅管和锗管的区别,但目前大多数晶体管都是用硅材料制成的。
晶体管在电路中的表示符号如图2-10所示,其中标有箭头的电极是发射极,箭头朝向晶体管外部的是NPN型晶体管,箭头朝向晶体管内部的是PNP型晶体管,箭头所指的方向也代表着电流的方向。
晶体管的型号众多,常用的晶体管有9013(NPN)、9014(NPN)、1815(NPN)、1015(PNP)、8050(NPN)、8550(PNP)等。不同的晶体管有着不同的封装形式,小功率直插式晶体管大多采用TO-92封装,贴片式晶体管大多采用SOT-23封装,其型号或代号一般都直接标注在外壳上,TO-92封装和SOT-23封装的晶体管如图2-11所示。
2.2.2 晶体管的功能
晶体管是一种用电流控制电流的半导体器件,最基本的作用是放大,它可以将微弱的电信号变成一定强度的信号。晶体管有一个重要的参数,即电流放大系数“β”。当在晶体管的基极上施加一个微小的电流时,在集电极上可以得到一个比基极电流大β倍的电流,这个电流称为集电极电流。集电极电流随着基极电流的变化而变化,基极电流微小的变化都可以引起集电极电流很大的变化,这就是晶体管放大作用的原理。
我们结合图2-12所示的电路来说明晶体管的放大作用。图中当A点为低电平时,没有电流流经电阻R1和晶体管的e、b引脚,这时晶体管处于截止状态,c引脚和e引脚之间电阻为无穷大,小灯DS1不会亮起;当在A点施加一个高电平时,电流从A点经电阻R1流经晶体管的b、c引脚,晶体管b-e结因为施加了正向电压而导通,一个较小的电流会从b引脚流向e引脚,这时一个比基极电流大β倍的集电极电流会从VCC端流过灯泡,再经晶体管的c引脚,最终从 e引脚流出至地,这时小灯DS1亮起,晶体管e、c引脚之间呈导通状态。
当A点的电压变化时,晶体管e、b间的电流(基极电流)也会相应变化,从而导致一个更大的电流(集电极电流)在e、c引脚间变化,这个电流的变化会让小灯DS1闪烁。以上,仅就晶体管的电流放大作用做了简单的介绍。别小看了这样一个只有三个引脚的器件,要弄清它的全部功能,恐怕用一本书的篇幅也是不够的,在此只能是抛砖引玉罢了。