晶体管的工作原理讲解

晶体管的发明彻底改变了人类文明，智能手机的核心处理器只能依赖这个技术， 处理器拥有约20亿个晶体管，它们的作用令人难以置信。

那么，微型设备是如何工作的呢？晶体管就像开关一样，没有活动部件，它们可以放大微弱的信号，实际上放大器就是晶体管的一个基础应用。

首先让我们了解晶体管的原理，之后我们会回来的到应用部分。

晶体管由半导体制成，例如硅。每个硅原子与四个硅原子连接，硅的价电子层中有四个电子，让我们用四手怪代替这个硅原子，每只手握一只电子。这些电子中的每一个都与相邻的硅原子共享，这被称为共价键，目前电子都在各自的共价键里。

如果纯硅通电，电子必须吸收一些能量并变成自由电态。

虽然纯硅的导电率低，但是有一个叫DOPING的技术可以提升半导体的导电率，比如说你注入价电子为5的磷，有一个电子将会在系统里自由移动，这被称为N型DOPING。

另外如果你注入价电子为3的硼，那将会有一个可以放电子的空位，这个空位是我们所知的一个空穴，与之相邻的电子随时可以把它填上，这种电子运动亦可看作空穴对位运动，我们把这称之为P型DOPING。

如果你以以下方式DOPE一块硅晶片，那么一个晶体管就诞生了。

但是如果你真的想要明白晶体管怎么运作，我们必须搞清楚在元件层面上到底发生了什么。比如一个二极管，把硅晶体的一边DOPE成P型，另一边DOPE成N型，那么一个二极管就形成了。

在N部分与P部分的交界线有趣的事情发生了，那里大量聚集的电子，将会在一个自然的趋势下迁移至P部分的空穴里，这会让P部分的边界轻微地带负电，而N部分的则轻微带正电，这导致电场阻止任何一个电子进一步迁移。

如果你如上所示地给二极管接上电源，电源会吸引电子与空穴。在这个情况下是不可能有电流的，然而，如果你反转电源，情况就相当不同。

假设电源有足够的电压克服（potential barrier）电位障，你可以立马看到电子被负极推动，电子通过电位障的时候，它们会耗尽能量并轻易占据P部分的空穴。

但由于正极的吸引这些电子马上可以跳进临近P部分的空穴里，并流动到外部电路，这被称为二极管的正向偏压。

认真记住这二极管简单的原理，你就可以十分轻易地明白晶体管的运作。

现在回到晶体管，注意到P层很窄而且DOPE的程度浅，你可以容易地看到晶体管基本上是背靠背的两个二极管夹层。

所以不管你怎样连接电源，一边的二极管总会反向偏压并阻塞电流，这表明晶体管处于关闭状态。

现在我们以上所示地连上第二个电源，这电源应该有足够的电压克服电位障。

这只是一个正向偏压二极管，因此大量的电子会从N部分发射出来，就像在一个二极管中一些电子会与空穴结合，跳过邻近的空穴并流向BASE（基极）。

但是剩下有更多的电子跨越到了了P部分，这部分剩下的电子会做什么？这些剩下的电子会被第一个电源的正极吸引并像以上所示那样流动。

注意看P部分很狭窄，这保证了没有其中的电子流动到第二个电源的正极，瞬间一个小的BASE（基极）电流被放大到大的COLLECTOR（集极）电流，你可以轻易察觉到晶体管各极命名与电流性质的关系。

如果你可以提升基极电流，集极电流也会按比例升高，这是一个易懂的关于电流放大的案例。

我们讨论的这种晶体管叫双极性晶体管，我们把这象征性的晶体管替换成一个现实的，你可以使用更多的晶体管来进一步改善放大电路。

这个晶体管的基极与第一个晶体管的发射极连接起来，如果你在输入端引进一个微弱的波动信号比如你可以找得到的麦克风，你就会在扬声器处得到一个经过放大的信号。

关于这个基础电路还有另外一件趣事情你会注意到，那就是根据施加电压，晶体管可开可关。

这里的晶体管冲当一个开关，晶体管的这个性质打开了数字电子学与数字储存器的大门，使用两个BJT（双极型晶体管）可以构建计算机的基本动态储存元件一个Flip-Flop（触发器）。
责任编辑:tzh