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我們帶領(lǐng)大家探索一種電子零件，從頭介紹零件的功能、運(yùn)作原理到專題應(yīng)用方式。上期我們介紹了電容器，本期PCBA大講堂電子零件篇為大家介紹電晶體！

 

通常提到電晶體的時(shí)候指得是雙極電晶體（bipolar transistor），這種電晶體在離散半導(dǎo)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(shí)也稱作雙載子接面電晶體（bipolar junction transistor、簡稱BJT）。

 

功能

雙極電晶體的功能在于放大電流波動幅度，并可以用來作為電流開關(guān)。在放大模式當(dāng)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(guān)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(guān)」的狀態(tài)當(dāng)中，電晶體還是會讓少量的電流通過，這個現(xiàn)象稱為「漏電」（leakage）。

 

雙極電晶體單獨(dú)運(yùn)作的時(shí)候，是一種離散半導(dǎo)體裝置，上頭會有三條導(dǎo)線或接點(diǎn)。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(dá)靈頓電晶體（又稱達(dá)靈頓對，Darlington pair）當(dāng)中，會有兩個電晶體，但是在這里我們將他歸類為離散型電子零件，因?yàn)樗庋b的形式與單一電晶體相仿。

 

運(yùn)作原理

雖然早期電晶體原料是鍺金屬，但現(xiàn)在最常用的材料是硅。純硅在室溫的時(shí)候是絕緣體，但是可以將它污染（涂上一層薄膜）之后，硅表面會布滿沒有連上鍵結(jié)的電子，這稱作N型半導(dǎo)體（N-type semiconductor），如果端點(diǎn)有電位差，電子可以通過表面，正向偏壓（forward bias）表示在半導(dǎo)體上施加正的電壓，反之則稱為逆向偏壓（reverse bias）

 

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

 

雙極NPN電晶體包含中央細(xì)長的P型半導(dǎo)體夾層，外層都是N行半導(dǎo)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(diǎn)連接。

 

如果在射極上施加負(fù)的電壓，電子會因?yàn)殡p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?yàn)榛鶚O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(jìn)而游向正極電源，這可以想像成缺乏電子的狀態(tài)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，并將這些電子移出電晶體之外。值得注意的是，電子本身帶負(fù)電，因此電子流從負(fù)極流向正極，電流從正極流向負(fù)極這個錯誤的概念與科學(xué)發(fā)展有關(guān)，盡管如此，電路圖中的箭頭符號還是依循這個傳統(tǒng)，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(xì)長的N型半導(dǎo)體夾層，旁邊則有兩層較厚的P型半導(dǎo)體夾著，基極相對于射極來說帶負(fù)電，所以PNP電晶體的功能和NPN完全顛倒，射極和集極現(xiàn)在代表的是電子可停留的孔洞而非流動的電子。因?yàn)榧瘶O相對于基極來說帶負(fù)電，造成的正極向負(fù)極的電流從射極到基極再流回集極，同樣的，在電路圖當(dāng)中，PNP電晶體標(biāo)示的箭頭代表的是電流的方向。

 

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(dāng)作小電流的開關(guān)。要確認(rèn)小訊號電晶體可否承受像是馬達(dá)或繼電器線圈的感應(yīng)電流時(shí)，請不要忘記一開始的瞬間承受電流會比一般持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)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(yīng)時(shí)間較短、β值較低、集極電流上限通常也較低，詳細(xì)資訊請?jiān)谥圃焐痰囊?guī)格書上確認(rèn)。

 

高頻率電晶體（high frequency transistor）主要用在影像放大器或震蕩器中，外型小巧，最高頻率可以達(dá)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后輸出端，或者交換電源供應(yīng)，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(xiàn)的，到現(xiàn)在都還有制造不同的款式，在電源供應(yīng)器與推拉功率放大器（push-pull power amplifier）都很常見，總消耗功率達(dá)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(dá)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(wěn)壓器與馬達(dá)控制系統(tǒng)等等，它可以承受相對較高的電壓（可達(dá)700V 集極-射極峰值），總消耗功率可達(dá)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制較便宜的TO-92外殼稍高（1.8W比1.5W，集極溫度不超過攝氏25度）。