创意电子学-小知识：晶体管

晶体管

晶体管

双极型晶体管有两种类型，分别是 NPN 型和 PNP 型。你使用的 NPN 型晶体管包含三层硅，其中两个 N 层包含过剩的负电荷载流子。第三层硅——P 层夹在两个N 层之间，包含过剩的正电荷载流子。我不会在原子层面上过细地讲解晶体管的工作原理，因为在本书中，我更感兴趣的是晶体管的功能，而非它工作原理的理论。你可以在任何一本技术教程或网络资源中找到相关信息。

NPN 型双极型晶体管的三根引脚分别称为集电极、基极和射极，如图 2-97 所示。

• 当 NPN 型晶体管的基极电压比射极电压略高时，晶体管允许正电流从集电极流入，从射极流出。
• 以此方式，从晶体管基极流入的非常小的电流可以控制通过集电极流入的大电流。

PNP 型晶体管的功能与 NPN 型晶体管相反。当基极电压略低于射极时，它允许负电流从集电极流入，从射极流出。电路中，PNP 型晶体管有时更方便，但是用途并不广泛。在本书中，我不会使用它们。

图 2-98 展示了 NPN 型晶体管在电路图上的四种表示方法。它们的作用都相同。字母 C、B、E提醒你，这些连接对应集电极、基极和射极。

图 2-99 展示了 PNP 型晶体管的四种电路图表示方法。它们的作用都相同。

PNP 型和 NPN 型晶体管很容易混淆，但是有一种简单的方法可以辨别它们。NPN 符号里的箭头向外指，永远不向内。所以，可以把 NPN 想象为 never pointing in（永不向内指）的缩写。

基础知识：NPN 型和 PNP 型晶体管的知识总结

晶体管是一种半导体器件，它处于导体和绝缘体之间。它的有效内阻会根据施加到基极上的电压而变化。

所有的双极型晶体管都有三根引脚：集电极、基极和射极，生产商的数据表上简写的 C、B 和E，为你标明了这几根引脚。

• NPN 型晶体管由基极相对于射极的正向电压激励。
• PNP 型晶体管由基极相对于射极的负向电压激励。

无源状态下，两种晶体管都阻碍电流在集电极和射极之间流动，就像断开的单极单掷开关一样。（实际上晶体管允许很小的电流流过，称为泄漏电流。）

电路图中，晶体管的方向可能各不相同。射极可能在顶端，集电极在下方，或者相反。基极可能在左侧，也可能在右侧，这取决于电路图绘制人员怎么画方便。一定要注意观察晶体管符号的箭头，看它朝向哪个方向，该晶体管是 NPN 还是 PNP 型晶体管。如果连接错误，你就会损坏晶体管。

晶体管有很多种尺寸和结构。很多晶体管的构造都让人难以判断，哪一根导线连接到了射极、集电极或基极。你可能需要查阅一下生产商的数据表。

如果你忘记了晶体管的引脚各是哪根，很多万用表都能帮助你分辨射极、集电极和基极。万用表上通常有四个孔，分别标着 E、B、C 和 E。当你把晶体管的射极引脚插入 E 孔，基极引脚插入 B孔，集电极引脚插入 C 孔，万用表就会显示晶体管的 β 值。如果按照其他方向插入，万用表的读数就会不稳定或无示数，或读数为零，或远小于预计值（几乎总是小于 50，且通常小于 5）。

注意：脆弱的元件！

晶体管很容易损坏，儿且一旦损坏就不可恢复。

• 一定不要在晶体管的任意两引脚间直接连入电源，否则晶体管会被过大的电流烧毁。
• 一定要利用电阻器等其他元件限制晶体管集电极和射极之间的电流，按照同样的方法也可以 保护 LED。
• 不要施加反向电压。NPN 晶体管的集电极电压一定要高于基极电压，而基极电压要高于射极电压。

晶体管的起源

虽然有的历史学家把晶体管的起源追溯到二极管的发明（二极管允许电流向一个方向流动，而阻碍反向电流流通），但是第一个功能完备的实用晶体管是 1948 年由贝尔实验室的约翰 • 巴丁（John Bardeen）、威廉 • 肖克利（William Shockley）和沃尔特 • 布拉坦（Walter Brattain）开发出来的。

肖克利是团队的领导者，他具有远见卓识，预见了固态开关的潜在重要性。巴丁是理论家，而巴丁实际上是晶体管的发明者。在成功之前，这是一个非常高产的合作团队。晶体管发明出来后，肖克利就开始耍手腕，把晶体管的专利权完全归到自己名下。他把这个消息通知给团队成员时，很自然，大家都极不高兴。

有一张广为流传的宣传照还帮了倒忙。照片中，肖克利坐在中间的一台显微镜前，似乎是他完成了制造工作，而另两位成员站在他身后，暗示着他们的角色比较次要。这张照片的一个副本出现在了 Electronics 杂志的封面上（见图 2-106）。实际上，肖克利作为监督人，很少出现在发明晶体管的实验室里。

这个高产的合作团队很快解体了。布拉坦请求转到美国电话电报公司（AT&T）的实验室去。巴丁去了伊利诺伊大学研究理论物理。肖克利最终离开了贝尔实验室，创建了肖克利半导体公司，这家公司是硅谷的前身，但是他的雄心壮志超出了他所在时代的技术。他的公司从未制造出一件盈利的产品。

肖克利的八名员工最后背叛了他，他们离开了公司，建立了自己的企业——仙童半导体公司（Fairchild）。这家公司在晶体管和后来的集成电路芯片制造方面取得了巨大的成功。

晶体管和继电器

NPN 型和 PNP 型晶体管的一个局限是：它们需要在电能供应下实现自身功能，而继电器则不同，它不需要任何电能输入就可以开关。

继电器还提供了更多的开关选项。不同继电器的状态可以为常开、常关，或者在任意位置闭锁。

继电器内可能包含双掷开关，有两个开关可以选择；也可能包含双极开关，它能形成（或断开）两个完全独立的连接。单晶体管器件不能提供双掷或双极开关的功能，但是你也可以设计更复杂的电路来对该功能进行仿真。

图 2-107 比较了晶体管和继电器的特性。

使用继电器还是晶体管将取决于每个具体的应用。