基礎電子學 - 電晶體

---

---

在瞭解了二極體（一個單PN接面）的工作原理後，讓我們嘗試連線兩個PN接面，形成一個名為電晶體的新元件。電晶體是一種三端半導體器件，它可以調節電流或電壓的流動，並充當訊號的開關或門。

為什麼我們需要電晶體？

假設您有一個接收您想要訊號的調頻收音機。由於在傳輸過程中會遇到干擾，因此接收到的訊號顯然會很弱。如果直接讀取此訊號，則無法獲得良好的輸出。因此，我們需要放大訊號。放大表示增加訊號強度。

這只是一個例子。在任何需要增加訊號強度的地方都需要放大。這是由電晶體完成的。電晶體還可以充當開關，在可用選項之間進行選擇。它還可以調節訊號的輸入電流和電壓。

電晶體的結構細節

電晶體是一種三端固態器件，透過將兩個二極體背靠背連線形成。因此，它具有兩個PN接面。從其中的三個半導體材料引出三個端子。這種連線方式提供了兩種型別的電晶體。它們是PNP和NPN，這意味著兩個P型材料之間有一個N型材料，另一個是兩個N型材料之間有一個P型材料。

電晶體的結構如下圖所示，解釋了上述想法。

從電晶體引出的三個端子分別表示發射極、基極和集電極端子。它們的功能如下所述。

發射極

• 上圖結構的左側可以理解為發射極。

• 它具有中等尺寸並且摻雜濃度高，因為其主要功能是提供大量的多數載流子，即電子或空穴。

• 由於它發射電子，因此稱為發射極。

• 它用字母E表示。

基極

• 上圖中的中間材料是基極。

• 它很薄且摻雜濃度低。

• 其主要功能是將多數載流子從發射極傳遞到集電極。

• 它用字母B表示。

集電極

• 上圖中的右側材料可以理解為集電極。

• 其名稱暗示了其收集載流子的功能。

• 它的大小比發射極和基極略大。它摻雜濃度中等。

• 它用字母C表示。

PNP和NPN電晶體的符號如下所示。

上圖中的箭頭表示電晶體的發射極。由於電晶體的集電極必須耗散更大的功率，因此它的尺寸較大。由於發射極和集電極的特定功能，它們不可互換。因此，在使用電晶體時，始終要注意端子。

在實際電晶體中，發射極引線附近有一個缺口用於識別。可以使用萬用表區分PNP和NPN電晶體。下圖顯示了不同實際電晶體的外觀。

到目前為止，我們已經討論了電晶體的結構細節，但是要了解電晶體的工作原理，首先需要了解偏置。

電晶體偏置

眾所周知，電晶體是由兩個二極體組成的，這裡有兩個結。由於一個結位於發射極和基極之間，因此稱為發射極-基極結，同樣，另一個是集電極-基極結。

偏置是透過提供電源來控制電路的操作。透過向電路提供一些直流電源，可以控制兩個PN接面的功能。下圖顯示了電晶體是如何偏置的。

透過觀察上圖，可以瞭解到

• N型材料提供負電源，P型材料提供正電源以使電路正向偏置。

• N型材料提供正電源，P型材料提供負電源以使電路反向偏置。

透過施加電源，發射極-基極結始終正向偏置，因為發射極電阻非常小。集電極-基極結反向偏置，並且其電阻略高。發射極結需要小的正向偏置，而集電極結需要施加高的反向偏置。

上述電路中指示的電流方向，也稱為常規電流，是空穴電流的運動，它與電子電流相反。

PNP電晶體的工作原理

可以透過觀察下圖來解釋PNP電晶體的工作原理，其中發射極-基極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置。

電壓V_EE在發射極提供正電位，排斥P型材料中的空穴，這些空穴穿過發射極-基極結到達基區。那裡只有一小部分空穴與N區的自由電子複合。這產生了非常小的電流，構成基極電流I_B。其餘的空穴穿過集電極-基極結，構成集電極電流I_C，它是空穴電流。

當空穴到達集電極端子時，來自電池負極的電子填充集電極中的空間。此電流緩慢增加，並且電子少數載流子電流流過發射極，其中每個進入V_EE正極的電子都被空穴取代，空穴向發射極結移動。這構成了發射極電流I_E。

因此，我們可以理解：

• PNP電晶體中的傳導是透過空穴進行的。
• 集電極電流略小於發射極電流。
• 發射極電流的增加或減少會影響集電極電流。

NPN電晶體的工作原理

可以透過觀察下圖來解釋NPN電晶體的工作原理，其中發射極-基極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置。

電壓V_EE在發射極提供負電位，排斥N型材料中的電子，這些電子穿過發射極-基極結到達基區。那裡只有一小部分電子與P區的自由空穴複合。這產生了非常小的電流，構成基極電流I_B。其餘的空穴穿過集電極-基極結，構成集電極電流I_C。

當電子到達集電極端子並進入電池的正極時，來自電池V_EE負極的電子進入發射極區域。此電流緩慢增加，並且電子電流流過電晶體。

因此，我們可以理解：

• NPN電晶體中的傳導是透過電子進行的。
• 集電極電流高於發射極電流。
• 發射極電流的增加或減少會影響集電極電流。

優點

電晶體有很多優點，例如：

• 高電壓增益。
• 所需的電源電壓較低。
• 最適合低功耗應用。
• 體積小，重量輕。
• 機械強度比真空管強。
• 不需要像真空管那樣進行外部加熱。
• 非常適合與電阻和二極體整合以生產積體電路。

也有一些缺點，例如，由於功耗較低，它們不能用於高功耗應用。它們具有較低的輸入阻抗並且受溫度影響。