每月電子零件:電晶體

八月 20, 2013
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在今年的每個月當中,我們帶領大家探索一種電子零件,從頭介紹零件的功能、運作原理到專題應用方式。上個月,我們介紹了電容器,再之前則是LED與二極體,這個月要登場的是電晶體!和之前一樣,我們將從查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:第一冊》(暫譯,原書名為:Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1)中節錄開始。點擊右邊的圖片則可以看到所擁每月零件專欄的文章列表喔!

通常提到電晶體的時候指得是雙極電晶體(bipolar transistor),這種電晶體在離散半導體的場域中用得極為廣泛,但是,雙極電晶體才是正確的名稱,有時也稱作雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor、簡稱BJT)。


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功能

雙極電晶體的功能在於放大電流波動幅度,並可以用來作為電流開關。在放大模式當中,雙極定晶體可以取代真空管的功能,真空管過去被用來放大聲音訊號和其他許多場域。在開關模式中,雙極電晶體就像繼電器一樣,值得注意的是,即使在「關」的狀態當中,電晶體還是會讓少量的電流通過,這個現象稱為「漏電」(leakage)。

雙極電晶體單獨運作的時候,是一種離散半導體裝置,上頭會有三條導線或接點。如果許多電晶體封裝成一個單位,則稱為積體電路(integrated circuit),而在達靈頓電晶體(又稱達靈頓對,Darlington pair)當中,會有兩個電晶體,但是在這裡我們將他歸類為離散型電子零件,因為它封裝的形式與單一電晶體相仿。

 

 

 


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運作原理

雖然早期電晶體原料是鍺金屬,但現在最常用的材料是矽。純矽在室溫的時候是絕緣體,但是可以將它汙染(塗上一層薄膜)之後,矽表面會布滿沒有連上鍵結的電子,這稱作N型半導體(N-type semiconductor),如果端點有電位差,電子可以通過表面,正向偏壓(forward bias)表示在半導體上施加正的電壓,反之則稱為逆向偏壓(reverse bias)

其他的雜質塗料則可以造成電子缺乏,這可以想像成製造出許多可供電子停留的「洞」,這樣的半導體則稱為P型半導體(P-type semiconductor)。

雙極NPN電晶體包含中央細長的P型半導體夾層,外層都是N行半導體,這三層分別稱為集極(collector)、基極(base)與射極(emitter),層與層之間有電線或接點連接。如果在射極上施加負的電壓,電子會因為雙向的擠壓而流向中間的基極;而如果在基極上施加正向偏壓(正的電壓),電子則傾向被吸引出基極。然而,因為基極非常薄,所以電子會變得非常靠近集極。如果基極電壓上升,多出的能源將會促使電子跳向集極,進而游向正極電源,這可以想像成缺乏電子的狀態更加顯著。

所以,NPN電晶體的射極會將電子射向電晶體,集極會接收來自基極的電子,並將這些電子移出電晶體之外。值得注意的是,電子本身帶負電,因此電子流從負極流向正極,電流從正極流向負極這個錯誤的概念與科學發展有關,儘管如此,電路圖中的箭頭符號還是依循這個傳統,指向「電流」的方向。

而PNP電晶體的情況正好相反,中央有一個細長的N型半導體夾層,旁邊則有兩層較厚的P型半導體夾著,基極相對於射極來說帶負電,所以PNP電晶體的功能和NPN完全顛倒,射極和集極現在代表的是電子可停留的孔洞而非流動的電子。因為集極相對於基極來說帶負電,造成的正極向負極的電流從射極到基極再流回集極,同樣的,在電路圖當中,PNP電晶體標示的箭頭代表的是電流的方向。

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各種類型

小訊號電晶體(small signal transistor)的定義是最大店流量不超過500 mA、集極消耗功率不超過1瓦特,小訊號電晶體可以用來放大低功率輸入的音源訊號,或者當作小電流的開關。要確認小訊號電晶體可否承受像是馬達或繼電器線圈的感應電流時,請不要忘記一開始的瞬間承受電流會比一般持續運轉的額定電流還高。

小型交換電晶體(small switching transistor)的特性與小訊號電晶體有些雷同,但是通常反應時間較短、β值較低、集極電流上限通常也較低,詳細資訊請在製造商的規格書上確認。

高頻率電晶體(high frequency transistor)主要用在影像放大器或震盪器中,外型小巧,最高頻率可以達到2,000 MHz。

高功率電晶體(power transistor)的定義是可處理1瓦特以上,甚至可以到500瓦特和150安培的電晶體,這種電晶體的外型較大,可能用在音訊放大器的最後輸出端,或者交換電源供應(請見第一冊的「電源供應器」專章),通常,高功率電晶體的電流增益比較小型的電晶體低上許多(20或30比100以上)

電晶體的樣本如右圖所示,上面是一顆2N3055 NPN高功率電晶體,這一型的電晶體是1960年代末期出現的,到現在都還有製造不同的款式,在電源供應器與推拉功率放大器(push-pull power amplifier)都很常見,總消耗功率達115瓦特。第二排最左邊的是一般用途交換放大PNP高功率電晶體(switching-amplification PNP power transistor),消耗功率達50瓦特。第二排最右邊則是一顆高頻率交換電晶體,常用在燈源安定器(lighting ballast)、整流器、變頻器、交換式穩壓器與馬達控制系統等等,它可以承受相對較高的電壓(可達700V 集極-射極峰值),總消耗功率可達80W。第二排中間偏左與中間偏右是兩種2N2222 NPN小訊號交換電晶體,1960年代問世,至今都還廣泛使用。金屬罐的部分是TO-19 z型外殼,電源消耗功率比塑膠製較便宜的TO-92外殼稍高(1.8W比1.5W,集極溫度不超過攝氏25度)。

感謝您的閱讀,希望您還喜歡這個月的【每月零件專欄】喔!

[原文]


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