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PCBA大讲堂电子零件篇:电晶体

发布时间 :2018-04-17 16:47 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
我们带领大家探索一种电子零件,从头介绍零件的功能、运作原理到专题应用方式。上期我们介绍了电容器,本期PCBA大讲堂电子零件篇为大家介绍电晶体
 
通常提到电晶体的时候指得是双极电晶体(bipolar transistor),这种电晶体在离散半导体的场域中用得极为广泛,但是,双极电晶体才是正确的名称,有时也称作双载子接面电晶体(bipolar junction transistor、简称BJT)。
PCBA大讲堂电子零件篇:电晶体
 
功能
双极电晶体的功能在于放大电流波动幅度,并可以用来作为电流开关。在放大模式当中,双极定晶体可以取代真空管的功能,真空管过去被用来放大声音讯号和其他许多场域。在开关模式中,双极电晶体就像继电器一样,值得注意的是,即使在「关」的状态当中,电晶体还是会让少量的电流通过,这个现象称为「漏电」(leakage)。
 
双极电晶体单独运作的时候,是一种离散半导体装置,上头会有三条导线或接点。如果许多电晶体封装成一个单位,则称为积体电路(integrated circuit),而在达灵顿电晶体(又称达灵顿对,Darlington pair)当中,会有两个电晶体,但是在这里我们将他归类为离散型电子零件,因为它封装的形式与单一电晶体相仿。
PCBA大讲堂电子零件篇:电晶体
 
运作原理
虽然早期电晶体原料是锗金属,但现在最常用的材料是硅。纯硅在室温的时候是绝缘体,但是可以将它污染(涂上一层薄膜)之后,硅表面会布满没有连上键结的电子,这称作N型半导体(N-type semiconductor),如果端点有电位差,电子可以通过表面,正向偏压(forward bias)表示在半导体上施加正的电压,反之则称为逆向偏压(reverse bias)
 
其他的杂质涂料则可以造成电子缺乏,这可以想像成制造出许多可供电子停留的「洞」,这样的半导体则称为P型半导体(P-type semiconductor)。
 
双极NPN电晶体包含中央细长的P型半导体夹层,外层都是N行半导体,这三层分别称为集极(collector)、基极(base)与射极(emitter),层与层之间有电线或接点连接。
 
如果在射极上施加负的电压,电子会因为双向的挤压而流向中间的基极;而如果在基极上施加正向偏压(正的电压),电子则倾向被吸引出基极。然而,因为基极非常薄,所以电子会变得非常靠近集极。如果基极电压上升,多出的能源将会促使电子跳向集极,进而游向正极电源,这可以想像成缺乏电子的状态更加显著。
 
所以,NPN电晶体的射极会将电子射向电晶体,集极会接收来自基极的电子,并将这些电子移出电晶体之外。值得注意的是,电子本身带负电,因此电子流从负极流向正极,电流从正极流向负极这个错误的概念与科学发展有关,尽管如此,电路图中的箭头符号还是依循这个传统,指向「电流」的方向。
 
而PNP电晶体的情况正好相反,中央有一个细长的N型半导体夹层,旁边则有两层较厚的P型半导体夹著,基极相对于射极来说带负电,所以PNP电晶体的功能和NPN完全颠倒,射极和集极现在代表的是电子可停留的孔洞而非流动的电子。因为集极相对于基极来说带负电,造成的正极向负极的电流从射极到基极再流回集极,同样的,在电路图当中,PNP电晶体标示的箭头代表的是电流的方向。
PCBA大讲堂电子零件篇:电晶体
 
各种类型
小讯号电晶体(small signal transistor)的定义是最大店流量不超过500 mA、集极消耗功率不超过1瓦特,小讯号电晶体可以用来放大低功率输入的音源讯号,或者当作小电流的开关。要确认小讯号电晶体可否承受像是马达或继电器线圈的感应电流时,请不要忘记一开始的瞬间承受电流会比一般持续运转的额定电流还高。
 
小型交换电晶体(small switching transistor)的特性与小讯号电晶体有些雷同,但是通常反应时间较短、β值较低、集极电流上限通常也较低,详细资讯请在制造商的规格书上确认。
 
高频率电晶体(high frequency transistor)主要用在影像放大器或震荡器中,外型小巧,最高频率可以达到2,000 MHz。
 
高功率电晶体(power transistor)的定义是可处理1瓦特以上,甚至可以到500瓦特和150安培的电晶体,这种电晶体的外型较大,可能用在音讯放大器的最后输出端,或者交换电源供应,通常,高功率电晶体的电流增益比较小型的电晶体低上许多(20或30比100以上)
 
电晶体的样本如右图所示,上面是一颗2N3055 NPN高功率电晶体,这一型的电晶体是1960年代末期出现的,到现在都还有制造不同的款式,在电源供应器与推拉功率放大器(push-pull power amplifier)都很常见,总消耗功率达115瓦特。第二排最左边的是一般用途交换放大PNP高功率电晶体(switching-amplification PNP power transistor),消耗功率达50瓦特。第二排最右边则是一颗高频率交换电晶体,常用在灯源安定器(lighting ballast)、整流器、变频器、交换式稳压器与马达控制系统等等,它可以承受相对较高的电压(可达700V 集极-射极峰值),总消耗功率可达80W。第二排中间偏左与中间偏右是两种2N2222 NPN小讯号交换电晶体,1960年代问世,至今都还广泛使用。金属罐的部分是TO-19 z型外壳,电源消耗功率比塑胶制较便宜的TO-92外壳稍高(1.8W比1.5W,集极温度不超过摄氏25度)。


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