晶体管开关

以下是你需要用到的东西。

□ 交流适配器、面包板、导线以及万用表。

□ LED，数量：1个。

□ 电阻器，各种规格的。

□ 按钮，单刀单掷的，数量：1个。

□ 晶体管，2N2222型或类似的，数量：1个。

晶体管也可以对电流进行开关，就像继电器一样。不过它更灵敏、更通用，我们的第一个超级简单的实验就是用来证明这一点的。

我们将从2N2222晶体管开始，它是有史以来使用最为广泛的半导体器件（它于1962年由摩托罗拉公司发布，并一直在生产）。

首先，你需要熟悉晶体管。由于摩托罗拉公司关于2N2222的专利早已过期，因此任何公司都可以生产它们自己版本的2N2222。有些版本是封装在一小片黑色塑料里的，而另外一些则封装在一个小金属“罐”中（见图2-83）。无论哪种封装，包含的都是分成三部分的一片硅材料，这三部分分别是集电极、基极以及发射极。一会儿我将对它们的功能作更详细的介绍，但目前你只需要知道在这种类型的晶体管中，集电极接收电流，基极对其进行控制，发射极将该电流发出。

在面包板上搭建图2-85所示的电路。要注意正确地连接晶体管（见图2-84）！对于我在购物清单中提及的3个品牌，黑色塑料封装的晶体管的扁平侧朝着右面，金属封装的晶体管的小凸鳍片朝着左下方。

开始时LED应该是不亮的。现在按下按钮，LED应该变得很亮。现在电流有了两条通路。请看图2-86的电路原理图，它将同一个电路显示得更为清楚。我已经把正端显示在顶部，负端显示在底部（大多数原理图都是以这种方式显示的），因为这样显示有助于阐明这个特别电路的功能。如果你从侧面去看电路原理图，更容易看出它与面包板电路布局的相似性。

图2-83 典型的晶体管或者封装在小金属罐中，或者封装在浇铸的黑色塑料片中。制造商的参数说明书会告诉你怎么辨识3个引脚（相对于黑色塑料晶体管的扁平侧或相对于金属罐晶体管上凸出的小鳍片）

图2-84 2N2222 晶体管可以采用这两种封装中的任何一种。左侧：RadioShack公司或仙童公司的。右侧：STMicro-electronics公司的（注意小鳍片是从左下侧凸出来的）。如果你看到的是其他品牌的，那么你必须查看厂家的参数说明书。当你将晶体管插入面包板时，请像上图一样，让扁平的一侧朝右，或让小鳍片指向左下方

图2-85 晶体管阻断从R₁过来的电压。但是当你按下按钮S₁时，这将告诉晶体管，让它允许电流通过。请注意在接线图和电路原理图中，晶体管总是用字母Q来标记的

S₁：按钮，短暂OFF（ON）型

R₁：180 Ω

R₂：10 kΩ

R₃：680 Ω

Q₁：2N2222或其他类似的

D₁：LED

图2-86 这是图2-85 所示面包板电路的电路原理图

电压经过R₁到达晶体管的顶部引脚（集电极）。由于晶体管仅仅允许极小的细小电流通过，因此LED保持熄灭状态。当你按下按钮时，出现了另外一条施加电压的通路，电压通过R₂加到晶体管中间的引脚（基极）上。这将告诉晶体管打开自己的晶体管开关，让电流通过自己的第三个引脚（发射极）流出，经过R₃达到LED上。

你可以将万用表设置在DC档，来测量电路各点的电压。让万用表的负探针接触电源的负极，正探针接触晶体管的顶部引脚、中间引脚以及底部引脚。当你按下按钮时，应该可以看到电压改变。

指尖开关

现在要介绍一个很特别的做法。去掉R₂和按钮，插入两条短导线，如图2-87所示。让上面的导线与电压的正端相连，下面的导线与晶体管的中间引脚（基极）相连。现在用你的手指尖接触这两根导线。结果LED又亮起来了，只不过没有以前那么亮。舔湿你的指尖，再试一次，LED应该变得更加明亮。

你的手指在将正电压引向晶体管的基极。尽管皮肤具有很高的电阻，但晶体管仍然能够作出响应。它不仅仅是在开通和关断LED，它放大了施加到基极的电流。这是一个基本的概念：晶体管对施加到其基极上的任何电流变化进行放大。

查看图2-88，看看到底是怎么回事。

图2-87

图2-88 除了用指尖代替了R₂以外，图2-87、图2-88中显示的元件跟前面的图2-85、图2-86是完全一样的。现在尽管只有极小的一点电压到达晶体管的基极，但这已经足以使晶体管作出响应

永远不要用两只手

如果电流只通过你的指尖的话，指尖开关的演示是安全的。你甚至感觉不到什么，因为我们用的电源只是一个仅能提供1A甚至更小电流的12V的直流电源。但是，你若将一只手的手指放在一条导线上，而将另外一只手的手指放在另外一根导线上，则不是一个好办法。这将导致电流通过你的身体。尽管这样伤害到你的几率相当微小（因为我们的电压低），但是你永远都不应该允许电流从一只手经过身体流到另外一只手。此外，当你接触导线时，要注意不要让它刺破你的皮肤。

学习了第1章中的“背景知识：正电与负电”，你就知道其实并没有正电压这么一个东西。我们所拥有的只是负电压（由自由电子的压力产生）以及负电压的欠缺（这个地方缺少了一些自由电子）。但是由于在发现电子之前，电流从正极流向负极的观念已经被广泛接受，并且由于晶体管内部的工作机制牵涉到“空穴”（即电子的缺失），而这个空穴可以看成是正的，所以我们仍然可以假定电流是从正极流向负极的。请参考“基础要件：NPN和PNP晶体管”，以获取更多的细节。

基础要件

NPN与PNP晶体管

晶体管是一种半导体，这意味着它有时导电，有时又不导电。它的内阻是变化的，大小取决于施加在基极上的电力。

NPN晶体管和PNP晶体管都是双极型半导体，都包含两种稍有不同的硅，靠空穴和电子这两种极性的载流子来导电。

NPN型晶体管像三明治一样，将P型的硅夹在中间；而PNP型晶体管也如此，将N型的硅夹在中间。如果你想进一步了解这些术语以及电子是如何通过一个NP结或一个PN结的，那么你就必须针对这些内容去阅读其他专业书籍。对于本书来讲，这些内容的技术性太强了，故不予介绍，你只要记住以下的内容就可以了。

□ 所有的双极型晶体管都有三个连接，即集电极、基极和发射极，在制造商的参数说明书上，分别用缩写C、B和E来表示，你可以由此找到相应的引脚。

□ NPN型晶体管要求基极（相对于发射极）的电压为正时，才能激活。

□ PNP型晶体管要求基极（相对于发射极）的电压为负时，才能激活。

在未激活的状态下，这两种晶体管都会阻断集电极与发射极之间的电流，就像一个触点常开的单刀单掷继电器一样（实际上，无源状态下的晶体管允许通过极小的一点电流，称为“漏”电流）。

你可以想象双极型晶体管内部有一个小按钮，如图2-89和图2-90所示。当按下按钮时，它允许大电流流过。要按下这个按钮，你需要在基极上施加一个小电压，来给基极注入一个更小的电流。在NPN型晶体管中，要求这个控制电压是正的。在PNP型晶体管中，要求这个控制电压是负的。

图2-89 你可以想象双极性晶体管有一个按钮，它可以将集电极与发射极连通起来。在NPN型晶体管中，需要一个小的正电压才能按下按钮。箭头指向“正电流”的方向

图2-90 在PNP 型晶体管中，负电压才能起作用，即需要一个小的负电压来按下按钮。箭头指向“正电流”的方向

NPN型晶体管

□ 启动从集电极到发射极的电流，需要在基极上施加一个相对较正的电压。

□ 在电路原理图中，箭头从基极指向发射极，显示了正电流的方向。

□ 为了启动电流，基极必须比发射极至少“更正”0.6 V。

□ 集电极必须比发射极“更正”。

PNP型晶体管

□ 启动从发射极到集电极的电流，需要在基极上施加一个相对较负的电压。

□ 在电路原理图中，箭头从发射极指向基极，显示了正电流的方向。

□ 为了启动电流，基极必须比发射极至少“更负”0.6 V。

□ 发射极必须比集电极“更正”。

所有晶体管

□ 绝不要在晶体管上直接施加电源。如果直接施加电源，将流过太大的电流而烧掉晶体管。

□ 用一个电阻器来保护晶体管，就像你以前用电阻器来保护LED那样。

□ 要避免将晶体管反接在正负电压之间。

□ 有时在电路中使用NPN型晶体管更为方便，有时则PNP型晶体管更为方便。它们都起开关和放大器的作用，差别只在于NPN型晶体管的基极需要施加一个相对较正的电压，而PNP型晶体管的基极需要施加一个相对较负的电压。

□ PNP型晶体管使用相对较少，主要是因为在半导体行业的早期，PNP型晶体管更难制造。因此人们更习惯于用NPN型晶体管来设计电路。

□ 记住双极性晶体管放大的是电流而不是电压。基极电流的微小波动，将导致发射极与集电极之间的电流发生大的波动。

□ 在电路原理图中，有时会在晶体管符号上画一个圆圈，有时则不画。在本书中，我会使用带圆圈的符号，以将你的注意力吸引到它们上面来，见图2-91和图2-92。

图2-91 在 NPN 型晶体管的符号中，箭头总是从基极指向发射极的。有些人会在晶体管符号上加一个圆圈，有些人则不这样做。箭头的样式可能会变化，但都表示相同的意思。左上角的图是本书中使用的版本

图2-92 在PNP 型晶体管的符号中，箭头总是从发射极指向基极的。有些人会在晶体管符号上加一个圆圈，有些人则不这样做。箭头的样式可能会变化，但都表示相同的意思。左上角的图是本书中使用的版本

□ 电路原理图可能会将发射极显示在上部、集电极显示在下部，也可能反过来显示。基极可能会在左侧，也可能在右侧，主要取决于怎样更便于人们来绘制电路原理图。注意区别晶体管符号中的箭头，看它是如何走向的，是NPN型的还是PNP型的。连接错误的话有可能烧掉晶体管。

□ 晶体管的尺寸、配置多种多样。在许多晶体管中，都没有办法来判定到底哪个引脚是发射极、集电极和基极，有些晶体管上面也没有标出产品型号。因此，在你丢弃晶体管的包装之前，先检查一下上面是否有引脚标注的信息。

□ 你若忘记了各个引脚的定义，那么有些万用表可以帮你辨别出到底哪个引脚是发射极、集电极和基极。请查看万用表的说明书了解其是否有这个功能。

背景知识

晶体管溯源

尽管有些历史学家将晶体管的历史追溯到二极管（它允许电流沿一个方向流通，而阻止其沿相反的方向流通）的发明，但人们对于第一个可以正常工作的晶体管是由约翰·巴丁、威廉·肖克莱以及沃尔特·布喇顿（见图2-93）在贝尔实验室开发出来的这一点没有争议。

肖克莱是这个研究小组的负责人，他前瞻性地看到了固态开关的潜在重要性；巴丁是其中的理论家；布喇顿则是实际让晶体管工作起来的人。他们的合作极富成果，最后终于取得了成功。然后肖克莱着手专利的申请，他以自己一个人的名义申请了晶体管的专利。当他将专利申请的事情通知他的合作者们时，他们自然不太高兴。

有一张在公众中广泛流传的照片容易给人误导。在这张照片中，肖克莱坐在显微镜前方的中央，就好像是他亲手完成了这项工作一样，而另外两个人则站在他的后边，暗示他们所起的作用较小。实际上，肖克莱作为一名主管，他很少出现在完成实际工作的实验室里。

这次富有成果的合作很快就破裂了。布喇顿要求转到AT&T的另外一个实验室。巴丁则转到伊利诺伊大学（UIUC）从事理论物理的研究。肖克莱最终离开了贝尔实验室，在后来称作硅谷的地方创建了肖克莱半导体实验室。不过他的雄心壮志超出了他那个时代的技术能力，他的公司从来没有生产出一件盈利的产品。

在肖克莱的公司中，有8名合作者最终背叛了他，这8个人辞职并创立了自己的公司——仙童半导体公司，该公司在晶体管的制造以及后来的集成电路芯片的制造方面取得了巨大的成功。

图2-93 照片由诺贝尔基金会提供，从左到右分别为：约翰·巴丁、威廉·肖克莱以及沃尔特·布喇顿。由于他们于1948年合作研制出了世界上第一个能够工作的晶体管，而分享了1956年度的诺贝尔物理学奖[3]

基础要件

晶体管与继电器

NPN晶体管和PNP晶体管的一个局限是，在你“打开”它之前，它是自然“断开”的。它的特点类似一个常开的按钮，只有你一直往下按住它，它才导通电流。它们的正常行为不像一个常闭开关（在你施加信号让它断开之前，常闭开关将一直保持导通）。

继电器提供了更多的开关选择。它可以是常开的、常闭的；也可以包含一个双掷开关，提供两个“导通”位置给你选择；还可以包含一个双刀开关，当你给线圈激磁时，它将建立（或断开）两个独立的连接。单个的晶体管设备无法提供双掷或双刀的特征，不过你可以设计更为复杂的电路来模仿这种行为。

以下对晶体管和继电器的特性做个对比。

到底该选择继电器还是该选择晶体管取决于具体的应用。

理论知识

检测电流

如果想更准确地了解晶体管的工作原理，你就应该试试这个小测试。它精确地显示出（你在前一个实验中使用过的）2N2222晶体管的行为和局限性。

我已经讲过，在NPN型晶体管中，集电极的电位始终应该比发射极的电位高，而基极的电位则应该在这两个电位之间的某个位置。图2-94显示了这个相当含糊的关系。现在我要用一些具体的数据来代替这一般化的陈述。

图2-94 要使NPN 型晶体管正确地工作，你必须维持图中的这个电压关系

看看图2-95所示的电路原理图，并留意一下元件的参数值。可以看出，晶体管上部的总电阻为R₁+R₂，晶体管下部的总电阻为R₃+R₄，两者相等。因此，晶体管基极上的电位应该位于两个极限值的中央——除非你采用电位器P₁来上下调整基极的电压。

图2-95 这个电路跟前一个电路在本质上是相同的，只是增加了一个电位器，去掉了LED。各元件的值如下。

R₁：180 Ω

R₂：10 kΩ

R₃：180 Ω

R₄：10 kΩ

P₁：1 MΩ 的线性电位器

Q₁：2N2222型晶体管

两个180 Ω 的电阻器R₁和R₃，用来防止过大的电流通过晶体管。两个10 kΩ 的电阻器R₂和R₄，用于当电位器被调到顶或被调到底时对基极进行保护。

我希望你通过测量（A₁位置处）流进基极的电流以及（A₂位置处）发射极流出的电流，能够搞明白晶体管到底在干什么。由于需要测量两个电流，因此你有两个万用表将会很方便。要是像图2-96和图2-97所示的面包板示意图那样，在两个位置上将同一个万用表换来换去，确实会有一定的难度。

请记住，测量电流（用mA档），就必须让电流通过万用表。这就意味着万用表必须连接到电路中，并且当你移走万用表时，必须在万用表原来的位置重建连接。面包板示意图显示了怎样才能做到这一点。幸运的是，在面包板上很容易去掉和替换导线。在导线与电位器连接的地方，你可以回到以前使用弹簧夹的办法。

开始时先将电位器旋到其旋转范围约半路的位置。在A₁点和A₂点进行测量。然后将电位器往上旋一点点，再次在这两个位置进行测量。下表是我用两个数字万用表同时在这两个位置测得的一些实际数据。

图2-96 在测量位置A₁处（见图2-95）从电位器流进晶体管基极的电流时，万用表的连接情况

图2-97 为了用万用表测量位置A₂处从晶体管发射极流出并进入R₃的电流，需要将电阻器R₃的一端从面包板上拔出来

表中存在一个十分明显的关系。通过位置A2从晶体管的发射极出来的电流大约是通过A₁位置进入基极的电流的24倍。从NPN型晶体管的发射极出来的电流与进入基极的电流之比，称作晶体管的贝塔值。贝塔值表示了晶体管的放大能力。

除非你实验的电流太大，否则贝塔值将是一个相当恒定的比值。当基极电流超过0.12 mA 后，我的这个晶体管就变得“饱和”了，也就是说它的内阻再也不能继续降低了。

在我的小实验中，我发现在A2位置的最大电流是33 mA。根据欧姆定律，经过简单的计算表明，此时晶体管的内阻接近于零。这就是你为什么必须在电路中加入其他的电阻来保护晶体管的原因。如果不这样做，它的低内阻将导致通过其上的电流非常大，这将立即烧掉晶体管。

那么在另一个极端情况下（即电流极小的时候）会怎么样呢？当A2 位置的电流只有1.9 mA 时，晶体管的内阻大约为6 000 Ω。这就是说，根据施加在晶体管上的电流的不同，其内阻大约在0到6 000 Ω之间变化。

晶体管的理论介绍就到此为止。现在我们能够用晶体管来做点什么样的有趣或有用，甚至既有趣又有用的事情呢？我们可以来做实验11！