晶体管有三个引脚:基极、集电极和发射极。它的有用之处在于,馈入基极的小电流能控制从集电极流向发射极的大得多的电流。
当没有电流到达基极时,晶体管阻断主电流,处于关断状态;只要有哪怕很小的基极电流流过,晶体管就导通,让大电流通过。于是一个极小的输入就决定大电流的通断,没有活动部件,而且切换极快。
这使它非常适合自动电路。与光敏电阻或热敏电阻搭配,晶体管可以在天黑时点亮路灯,或在房间过热时拉响警报,因为传感器改变了基极电流。
在 SPM 中,你应解释小基极电流如何控制输出电流,以及晶体管如何在传感电路中用作开关。
常见误解
- 晶体管靠凭空产生额外能量来放大 -> 大电流来自电源;基极电流只是控制它,能量并未被创造。
- 基极电流比集电极电流大 -> 基极电流很小,它控制着大得多的集电极电流。
- 晶体管开关像普通开关一样有活动触点 -> 它以电子方式切换、没有活动部件,所以能极快动作。
背后的物理
晶体管是一种由电流控制的开关,有三个引脚:基极、集电极和发射极。关键的物理量是电流,单位是安培(A)。
极小的基极电流控制着大得多的集电极电流,两者之比就是电流增益。
电流增益没有单位:增益 = 集电极电流 ÷ 基极电流。假设基极电流为 0.02 mA,增益为 100,则集电极电流 = 100 × 0.02 mA = 2 mA。
仅仅 0.02 mA 的基极信号,就控制了大一百倍的电流。
对常见的 npn 晶体管来说,基极-发射极结必须正向偏压超过约 0.7 V 才会导通;低于此值,基极电流几乎为零,晶体管处于截止状态,阻断集电极电流(关)。一旦基极电流足够大,晶体管进入饱和,让集电极电流全部通过(开)。
这个开关没有活动触点,所以它在几微秒内就能改变状态。
在日常生活中看见它
看看吉隆坡商场洗手间里的自动洗手液或消毒液机。喷嘴下方的红外线传感器,在你的手把光束反射回来时,只产生非常微弱的电流。
这个电流太小,根本无法直接驱动那台小小的泵马达。
微弱的传感器电流被馈入晶体管的基极。它足以让晶体管导通,晶体管随即让电池的大得多的电流流过泵,洗手液便喷出来。
把手拿开,传感器电流停止,基极电流消失,晶体管又把泵关掉。
同样的手法也用在自动水龙头、汽车的倒车提示蜂鸣器,以及能感知土壤干燥就浇水的花盆小装置上。在每一种情况里,传感器发出的弱信号本身都无法驱动输出装置;晶体管让这个弱信号去控制一股强电流,充当一个快速、无声的开关,没有会打火花、会磨损的金属触点。
它在 SPM 中如何出现
在试卷二中,这个概念常以命令词 解释、描述 和 陈述 来考。你可能被要求陈述基极、集电极和发射极的功能,描述晶体管如何接成开关,或解释基极电流如何控制集电极电流。
在同一个电子学章节里,晶体管与几个相邻的内容标准相连。它建立在半导体二极管以及 n 型和 p 型材料之上,因为晶体管就是掺杂层的夹叠。
它向前连接到用作电流放大器的晶体管,以及把它与光敏电阻或热敏电阻组成分压器的传感电路。它也与逻辑门相关,逻辑门正是靠晶体管的通断产生开和关的状态。
常见的要求是用电流增益把基极电流与集电极电流关联起来,并一步一步解释为什么撤去基极电流会使输出关断。作答时要紧扣电流控制,而不是能量的创造。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)