什么是晶体管？

详细介绍了电梯中使用的另一个主要电子元件。

与二极管一样，晶体管是电子领域的主要参与者，特别是在具有广泛操作员界面的电梯运动控制器和变频驱动器 (VFD) 中。 与二极管一样，晶体管半导体机制非常简单，因为它涉及通过施加到器件端子的偏置电压吸引和排斥电荷载流子。 电子和空穴朝向或远离半导体结迁移，从而调节各个端子和地之间的更高电流。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 晶体管如何通过吸引和排斥电荷载流子来工作
♦ 掺杂对晶体硅的影响
♦ 为什么采用掺杂工艺
♦ 电子电路中的基极、集电极和发射极如何连接
♦ 如何处理晶体管

二极管和晶体管之间的决定性区别在于二极管中有两层（N 型硅和 P 型硅，它们之间有一个结），半导体作用就发生在这两层。本文假设读者已经理解了作者的文章“什么是二极管？”（ELEVATOR WORLD，2014 年 XNUMX 月）或理解了这些设备在亚原子层面和电路中的工作原理。与二极管相比，晶体管稍微复杂一些，因为它们有三个半导体层和两个结。材料（N 型硅和 P 型硅）的制造过程与二极管基本相同，即通过一种称为掺杂的工艺。晶体硅不导电。（其他半导体材料也曾被使用过，但如今通常选择硅。）但是，当晶体硅暴露于微量其他元素时，它就会变成半导体。这并不意味着它具有介于绝缘体（如玻璃）和导体（如铜）之间的固定电阻。相反，这意味着在某些条件下，晶体硅导电，而在其他条件下，它不导电。

所有这一切的基础是原子序数为 14 的硅由一个原子核和四个电子在其价（外）壳中运行。 （任何元素的价壳中的电子数量都说明了它的物理特性以及它与附近其他原子相互作用的方式。）原子能够与相邻原子共享价电子。 因为它的价壳中有四个电子，纯硅喜欢采用晶格的形式，每个原子共享电子，因此与四个相邻的硅原子紧密结合。 晶体硅非常稳定，并且在电学上是绝缘体。

当晶体硅掺杂磷或砷时（不要担心，数量是无穷小的），每一个的外壳都有五个电子，情况就会突然改变。 每个掺杂的硅原子都有一个自由电子。 多余的自由电子在硅原子之间的空间中传播，它们被称为“电荷载流子”。 掺杂磷或砷并因此具有自由电子的结晶硅是 N 型硅。 由于电荷载流子的存在，它不再是绝缘体，而是能够传导电流。

即使未标记晶体管端子，也可以通过查看箭头来识别它们并确定晶体管类型。

在反转极性的镜像过程中，可以通过将晶体硅暴露（以便吸收微量）来掺杂硼或镓，这两者的外壳都具有三个电子。 这个过程在硅原子之间的空间中造成电子的缺乏。 这些空点被称为“洞”，可以被认为是质量可以忽略不计的带正电粒子，例如具有正极性但质量要大得多的质子。 无论这些洞实际上是作为粒子存在还是更接近于概念实体，我们都可以留给形而上学家。 事实是它们作为电荷载流子是有效的，并且是半导体操作所必需的。

掺杂硼或镓的结晶硅变成P型硅。 我们在上一篇关于二极管的文章中已经看到，N 型和 P 型硅结合在一起形成了一个结。 通过在远端连接引线，它们构成了一个有用的设备，根据偏置情况可以导通或不导通。

晶体管还利用了 N 型和 P 型晶体硅所表现出的半导体特性。 今天，双极晶体管已在很大程度上被场效应晶体管 (FET) 和最后被普遍存在的金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 所取代，后者具有更高的输入阻抗。 尽管如此，在旧设备以及现代应用中仍有大量双极晶体管。 在这篇文章中，我们将坚持使用双极晶体管，因为它们更基础，并且为理解更奇特的品种提供了良好的背景。

如上所述，晶体管由三个半导体层组成，基极、发射极和集电极。 这些术语不必太当真，因为“基”不是基，“发射器”不发射任何东西，“收集器”也不收集任何东西。 尽管如此，这就是术语，而且非常形象。

每层都有一根引线，因此晶体管可以连接到其他组件，例如电阻器、电容器和线圈，以构成一个电路。 这三个半导体是键合的，总是基极在中间，发射极和集电极在两侧。 但是，不要断定中间引线会到达基部，因为情况并非总是如此。 因为有三层，所以有两个结点。 基极有两个结，发射极和集电极各有一个与基极共享的结。 发射极和集电极没有公共结，也没有电连接，除了通过基极和在某些配置中通过外部电路。

这些半导体中的每一个都可以是 P 型或 N 型硅。 发射极和集电极总是同一种类型，而基极是另一种类型。 因此，晶体管可以是PNP或NPN。 PNP 版本具有 N 型硅基极，发射极和集电极由 P 型硅组成。 “NPN”表示P型基极和N型集电极和发射极。 两个结，就像二极管的单结一样，可以正向或反向偏置，因此将导通或不导通。 在大多数电路中，NPN 和 PNP 晶体管可以互换，但所有极性（包括电源提供的极性）都会颠倒。

晶体管原理图由一个带有内部半导体的圆圈组成，包括允许电路连接的引线。 底座类似于一个平板，就像二极管的阴极。 集电极和发射极是以一定角度连接到基极的线。 按照惯例，基极显示在左侧，集电极在顶部，发射极在底部，但如果整体原理图布局需要，这可能会有所不同。

基极、集电极和发射极可能会在原理图上标出，但并非总是如此。 您始终可以区分发射极和集电极，因为带有箭头的角度线始终是发射极。 此外，如果箭头向内指向基极，则晶体管是PNP，如果箭头向外，则晶体管是NPN。 总而言之，即使没有标记晶体管端子，也可以通过查看箭头来识别它们并确定晶体管类型。

晶体管具有三个引线。 使用一根引线，可以有两个两线电路，这就是晶体管的配置方式。 发射器通常是公共连接。 在这种模式下，基极发射极是输入，集电极发射极是输出。 小的输入变化会导致相同的输出变化，但功率水平要高得多。 这种升压输出从电源接收电能，因此它不是获得自由功率的问题。 尽管如此，输入/输出比使得这些设备在许多类型的电子设备中非常有用。

作为放大器，晶体管可以提升施加到输入端的输入信号，从而在输出端出现放大版本。 基极-发射极电流与集电极-发射极电流之比称为“增益”。 一个晶体管级的输出可以耦合到后一级的输入以实现更大的放大。 可以级联多个级，以便天线拾取的非常微弱的信号可以被充分放大以驱动大型扬声器、视频或其他设备。 低增益晶体管的增益在30左右，高增益晶体管可以达到800以上。

随着输入的增加，输出也以线性方式增加。 然而，超过某一点，晶体管（连同其电源）不能进一步放大，据说是“饱和的”。 （这类似于当电感器（例如变压器绕组）变得饱和时，电流的进一步增加不会增加磁通量。）放大器中的饱和度不好。 输出波形将丢失其峰值电平，在饱和点有一条平坦的线。 这种情况称为“削波”，表现为音频输出中令人不快的嗡嗡声。

除了放大，晶体管可以设计和配置用于其他目的。 主要用途是作为振荡器，它可以产生任何所需频率的正弦波或其他波形。 这将适用于广泛的应用：

• 包含音频蜂鸣声的电子设备，例如电话、视频游戏或火警系统，将在振荡器电路中生成此信号。
• 信号发生器产生一系列频率和波形，技术人员将这些频率和波形注入到有缺陷的设备中，以便在每个阶段进行信号跟踪和查看（使用示波器），直到定位到故障为止。
• 调节计算机和石英钟的时钟信号是由振荡器产生的。
• 几乎所有的无线电和电视接收器都是超外差的。 它们将天线接收到的射频 (RF) 信号降低到更易于管理的中频 (IF) 和更低的频率，以用于后续放大阶段。 他们这样做的方法是将高频信号与振荡器生成的信号混合，从而合成和差拍信号。 使用简单的线圈电容器谐振电路选择所需的低频信号。 在无线电传输的早期，正弦波在广播电台产生并与节目信号一起发送，但今天，在接收器内本地产生音调。 在旧式接收器中，可变电容器（调谐到不同频率）由两个设备组成，它们连接在一个公共轴上。 这样，随着获取不同的电台，每个电台都有不同的振荡器频率，以便可以为整个广播频段合成单个中频。
• 用于为交流电机（例如电梯驱动器中的电机）提供速度控制的 VFD 通过在为电机供电的电源中提供适当的频率来实现。 这些频率由 VFD 的逆变器部分提供。

仅使用欧姆表就可以在通过/不通过的基础上很好地了解晶体管的状况。

电子振荡器的主要类型是线性和非线性（弛豫）振荡器。 线性振荡器产生纯正弦波。 它由一个配置为带有反馈回路的放大器的晶体管组成，这意味着输出连接回输入。 最初通电时，电路中或半导体内的原子运动产生的任何少量噪声都会被放大并通过输入传回，以便连续放大和滤波产生所需的音调。

与前面讨论的模拟电路相反，晶体管在数字电路中特意在饱和模式下运行。 它们用于高功率应用中的数字（开关）模式，例如电源开关，以及低功率模式，例如逻辑门。 在这两种设计中，晶体管都配置为开关。 它类似于电灯开关（不是调光开关），因为它可以打开或关闭，但不能介于两者之间。 当它处于截止模式时，输出关闭，这对应于数字零和逻辑状态“FALSE”。 当它处于饱和模式时，输出打开，这对应于数字 XNUMX 和逻辑状态“TRUE”。

正如我们在二极管文章中看到的那样，线性电源将交流公用电源转换为电子设备中使用的低压直流电源，以偏置有源组件。 它通过将单个功率二极管与一个输入线路（半波整流器）串联或通过采用菱形配置（全波桥式整流器）中的四个功率二极管来执行此任务。 考虑到电源是整个系统电力流动的位置，这两种安排都很简单且相当可靠。 不利的一面是，当以热量形式消散时，会浪费大量功率。 这是因为，在交流周期的大部分时间里，设备既没有关闭（打开）也没有打开（传导所有电流）； 它介于两者之间。 再一次，欧姆定律轮是相关的。 功率或热量损失与 I2 XR、电流平方乘以电阻成正比。 当整流器完全开启时，R = 0，当它完全关闭时，I = 0。在这两种情况中的任何一种情况下，作为热量耗散的功率都是 0。

开关电源满足这一条件，因为它将正弦波输入转换为具有非常快上升和下降时间的方波，从而产生最小的热损失。 因此，可以缩小组件和整个设备的尺寸，从而降低成本和空间要求。 但是，有一些权衡。 首先，开关电源更复杂，更难诊断和维修。 此外，高速转换会在附近的设备中产生有害的谐波和射频干扰。 此外，如果设施中有许多这样的单元，它们可能会导致功率因数不佳。 这些缺点中的任何一个都可以通过安装屏蔽、明智地放置和与其他导体隔离以及连接到功率因数校正电容器来减轻。

尽管有这些缺点，但从线性电源转向开关电源已经有了重大转变，而且这种趋势很可能会继续下去。 在开关电源中，电压调节是通过改变相对开启和关闭时间来实现的。 开/关切换动作由一个或多个功率晶体管执行，这些晶体管在截止电平以下和饱和电平以上交替工作。

升压转换器由串联在电源和负载之间的电感器和二极管组成。 开关晶体管与电源和负载并联放置，在电感器之后但在二极管之前。 关闭时，它不可见，打开时，它分流二极管和负载，但不分流电感。 电感器通过感应反电压对电路中的电流变化做出反应，该反电压在开关开路条件下被添加到电源电压上。 或者，可以串联配置使用电容器，从而产生高于直流输入电压的输出电压。 在这两种情况下，开关都是适当额定值的功率晶体管。

故障模式涉及电感器、电容器、二极管、晶体管、变压器或接线（包括终端）短路或开路。 与往常一样，该设备可能包含危险的存储电压，在电源断开和锁定后可能会持续很长时间。 除非您知道危险并且可以安全地将其与所有电源断开并释放存储的电压，否则请勿测试或维修此设备。 泄放电阻器将自动执行此任务，但不应假设任何事情，因为设备可能未正确连接，或者可能已打开。

可以使用欧姆模式下的万用表、二极管或晶体管测试模式下的万用表、在线晶体管测试仪、服务型晶体管测试仪或实验室标准晶体管测试仪来测试晶体管。 所有这些都根据需要施加偏置电压。 服务型测试仪测量 beta（前向）增益。 它还可以在基极上没有电压的情况下测量基极-集电极漏电流。 一些仪器识别基极、发射极和集电极引线。 实验室标准晶体管分析仪施加偏置和信号，并读取输出。

欧姆表可用于检查晶体管，因为仪表的电源（旨在提供测量电阻的电流）适用于偏置半导体。 要进行测试，必须知道欧姆表探头的极性。 大多数制造商将探头极化，以便黑色在插入标记为 common 的插座时为负。 但这并不普遍，因此最好的程序是使用已知良好的二极管检查极性，该二极管的阴极标有单条带。 然后，可以永久标记探针。

晶体管可以被认为是两个二极管，其中两个阳极（代表 NPN）或两个阴极（代表 PNP）相连。 这种连接允许三个测试点。 图 3 用作学习设备，展示如何将欧姆表连接到晶体管以进行测试，但它永远不会作为正常工作的晶体管工作。

回到要测试的晶体管，如果你没有整体设备的原理图，也没有零件号或制造商的数据表，通常是不可能知道三根引线的身份和晶体管类型的。 但是，在欧姆模式下使用万用表，您可以偏置和测量每对引线的连续性，从而收集有价值的信息。

每对引线都可以正向或反向偏置，因此可以进行六种可能的测量。 这些测量提供了从欧姆表读数中唯一可用的信息。 回顾二极管模型，您会注意到，无论欧姆表的连接方式如何，好的二极管都会在两条引线上读取开路。 所以，这两条引线是集电极和发射极，但我们不知道哪个是哪个。 然而，我们知道剩余的铅是基础。

如果双向测量的所有三对都读取低欧姆，则晶体管短路。 如果所有三对测量的双向读数都为高欧姆，则晶体管开路。 在它混入您的库存之前立即丢弃它。

如果晶体管通过了这两项测试，则需要进一步调查。 回顾一下，集电极-发射极对已经确定，剩下的引线连接到基极。 将探头双向连接到其他每个引线。 当正向偏置时，基极将传导至两条引线中的任何一条。 这两个连接需要不同的偏置来进行。 从这些读数中，如果您知道晶体管类型，您可以识别非基极引线，或者如果您知道至少一根引线的身份，则可以确定晶体管类型。               

我们看到，在没有关于晶体管的任何信息的情况下，不可能确定所有内容，但是通过部分信息、晶体管类型或集电极-发射极标识，我们可以填写剩余的未知数。 在任何情况下，仅使用欧姆表就可以在通过/不通过的基础上很好地了解晶体管的状况。

任何双极晶体管的两个重要属性是 α 和 β。 当基极位于信号地时，α 是集电极电流除以发射极电流，即晶体管的动态增益。 β 是发射极处于信号地时的集电极电流除以基极电流。 这两个属性适用于以两种配置接线的晶体管。 这种关系用以下公式表示：

α = β/(1 + β)

β= α/(1 - β)

您总是可以在制造商的数据表中找到 α 和 β，这些数量与设计工作和在无法获得原始晶体管时确定合适的替代品有关。

在电路板上，可以更换损坏的晶体管（如其他分立元件），但需要特别小心，以免它们被烙铁产生的热量损坏。 在要焊接的元件和热源之间安装散热器。 用橡皮筋固定住的光滑下巴尖嘴钳会起作用。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或本期第 115 页在线获得。
♦ 简单晶体管中有多少半导体层？
♦ 是什么导致晶体硅的电阻发生变化？
♦ 自由电子在半导体过程中起什么作用？
♦ 两种类型的电荷载流子是什么？
♦ 什么是基极、发射极和集电极？