电子学：第011课——实验 10：晶体管开关

实验 10：晶体管开关

既然你已经了解了电容器的特性，我就讲解另一个基本元件：晶体管。学习了晶体管的工作原理后，就可以探究电容器和晶体管是如何配合工作的。

需要的物品

面包板、连接线、剪线钳、剥线钳、万用表
2N2222 晶体管 1 个
9 V 电池和连接器 1 个
电阻器：470 Ω 2 个、1 MΩ 1 个
500 kΩ 微调电位器 1 个
通用 LED 1 个

手指实验

我将使用 2N2222 晶体管，它一直是应用最广泛的半导体元件（它由摩托罗拉于 1962 年发明，此后发展出多种样式，至今仍在生产）。

摩托罗拉 2N2222 晶体管的专利很久以前就已到期，因此任何一家公司都可以生产自己的晶体管。有些晶体管外面包有黑色塑料，而其他晶体管封装在小金属罐里。我在图 2-23 中展示了这两种晶体管。这两种晶体管都可以达到我们的目的。但是，请注意前面我提出的关于部件编号的注意事项（参考本章必要工具：晶体管一节）。编号同为 2N2222 的晶体管各不相同，你需要使用正确的型号。

将晶体管、LED 和一个 470 Ω 的电阻器插入面包板，如图 2-93 所示。确定 LED 的长引脚向左，遵循 + 号的指示。然后确定晶体管的平坦一面朝向右侧。如果你罕见地使用了金属罐晶体管，那么金属罐伸出的引脚应当指向下方和左侧。

注意，图中的绿色和黄色导线都多去除了一段绝缘层。如果你使用的是预切割连接线，那么需要把每根连接线的一头拉直，这样它们就能平齐地铺在面包板表面。

下面就是有趣的部分了。如图 2-94 所示，把手指按在绿色和黄色导线的裸露金属芯上，同时观察 LED。如果什么都没有发生，就略微沾湿手指，再试一次。你按得越用力，LED 就越明亮。晶体管放大了流过你的手指的小电流。

注意：不要双手并用

如果电流只是流过你的手指，指尖开关演示实验就是安全的。你甚至都感觉不到电流，因为这只是一节小电池提供的 9 V 直流电。但是如果你用一只手的手指按住一条导线，另一只手的手指按住另一条导线，这样可不好。这样电流就能流过你的身体了。电流很小，这个电路并不会伤到你，但你一定不要养成让电流从一只手流到另一只手的习惯。而且，在你触摸导线时，不要让它刺破皮肤。这也意味着你不能将电压加在已经刺穿皮肤的任何首饰上。

手指实验的秘密

看看图 2-95，它画出了面包板内部的连接线，省略了未连入电路的连接线。注意，晶体管底部的引线通过面包板与 LED 连接，然后通过470 Ω 的电阻器连接到负极总线上。因此，晶体管流出了足够多的电流，可以点亮 LED。
这个电流是从哪里来的呢？确实有一些电流通过你手指的皮肤流进了晶体管中央的引脚，但是这个电流太小，不够点亮 LED。

只剩下另外一种解释了。晶体管顶端有第三根引脚，与正极总线相连接，电流通过这根引脚进入晶体管。然后，这股电流以某种方式，由通过你的手指流入晶体管中间引脚的小电流所控制。

图 2-96 说明了这个原理。

顺带一句，这个现象与上一个实验中电容器的响应迥然不同。电容器只是通过了短暂的电流脉冲，而晶体管控制了稳定的电流。

基础知识：晶体管

本实验中，你使用的元件是双极型晶体管。它有两种类型，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。

增加电位器

为了更加深入了解晶体管的工作方式，我们需要一件比手指尖更可控制的元件。我认为电位器可以满足这一要求，但不是你以前用过的大型电位器。建议你使用微调电位器，如图 2-22 所示。虽然电位器的形状和大小各不相同，但是它们都有三根引脚。这些引脚的功能和你以前用过的大型电位器的三根引脚相同。中间的引脚总是与电位器内部的滑动片相连，而另两根引脚各自与电位器内部的电阻性轨道的两端相连接。以下是你必须遵循的基本规则：

把电位器插入面包板时，每根引脚必须与面包板上一排单独的孔相连接。

图 2-100 阐明了这条规则。在图的上方，我画出了三种电位器的俯视图，包括多转式电位器，虽然我没有推荐，但你有一天可能会用到。引脚从上方看不见，我画出了它们的位置，就如同可以通过元件看到它们一样。引脚的位置各不相同，但总是有三根，它们在垂直方向上的距离应为 1/10 英寸。

在图的下方，两个 Yes 的例子能正常工作，因为每根引脚都与面包板上不同的一排引脚相连接。两个 No 的例子不能工作，因为一对引脚会被面包板内部的一根导线短接。

了解了电位器的基本知识，你应该能够向晶体管电路中增加一个 500 kΩ 的电位器了，如图 2-101所示。连接电源，用一把小螺丝刀沿顺时针方向一直旋转电位器，然后再沿逆时针方向旋转。注意，如果一开始 LED 是完全熄灭的，那么你要略微转动一下电位器上的螺丝，这样它才能亮起来。

看一看图 2-102 中的电路图，它的电路连接与面包板相同，但其布局更加简单易懂。

图 2-103 显示了各元件的值。

电位器接在正极总线和负极总线之间。从这个角度讲，我们称之为分压器。当滑动片位于轨道的一端时，它直接与电源正极形成连接。在轨道的另一端，它直接接地（负极）。在中间的位置，它划分电压。通常电位器的使用方法就是如此，用来提供全范围的各种电压值。

我刚刚说过，当你刚把电位器的滑动片从负极向正极移动时，LED 没有点亮。这仅仅是因为 LED 没有获得足够的电能吗？不完全是。

双极型晶体管扣除了一部分电能，作为它提供服务的回报。基极电压高于射极电压（通常为约 0.7 V），它才会做出响应。这种模式下，晶体管是正向偏置的。

图 2-104 解释了这个一般概念。

电压和电流

你已经知道，双极型晶体管基极的电压能控制晶体管的输出。这是否意味着晶体管放大了该电压呢？

你可以自己探究一下。拿出万用表，将它设置为测量电压，用一根测试引线将黑表笔与面包板上的负极总线固定，如图 2-105 所示。用红表笔触碰晶体管的射极引脚，记录电压，然后用红表笔触碰基极引脚。我保证射极上的电压要低于基极上的电压。

把电位器调整到不同的位置，再测量一次。无论你如何改变基极引脚上的电压，射极引脚上的电压总是要更低一些。

这是因为 470 Ω 电阻器没有在晶体管的射极和负极总线之间提供足够的电阻吗？是它把电压拉低的吗？

让我们一起找出答案。取下 LED 和 470 Ω 电阻器，在晶体管射极和负极之间连上一个 1 MΩ的电阻器。大电阻并没有造成多少影响，射极上的电压仍将低于基极上的电压。

如果你有耐心测一测流入基极和流出射极的电流，你会发现它们存在巨大的差异。你必须将万用表设置为测量毫安电流，并将它连入电路中每个要测量的位置。记住，电流必须流过万用表才能测量到。

我要告诉你将会发现什么：这个晶体管放大了流入基极的电流，放大倍数大于 200。该因子称为晶体管的 ȕ 值，我们由此得到了一个基本事实：

双极型晶体管放大电流，不放大电压。

下面我将总结双极型晶体管的相关知识，供你将来参考。

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。

背景知识：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。

基础知识：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。
理论部分介绍完了。现在，我们能用一个有趣、有用，或是两者兼备的晶体管来做些什么呢？
我们可以做实验 11 《光和声》！