晶體管如何運作以及它是什麼

電晶體是一種半導體裝置。它可以增強電子訊號，也可以控制訊號的開啟和關閉。你可以把它想像成電燈開關。一個微小的動作就能控制更大的電流。電晶體的作用就像開關和擴大機一樣，讓你用微小的訊號就能控制大電流或大電壓。這些小部件無所不在。你的手機和電腦需要數十億個電晶體才能運作。

處理器	電晶體數量估算
蘋果A17	大約是麒麟9000的兩倍
麒麟海思9000	電晶體數量比 Apple A17 更少

什麼是電晶體

定義

電晶體就像電子學中的微型閘電路，它控制電路中電流的流動。這種裝置可以增強訊號強度，也可以控制訊號的通斷。電晶體內部由三層半導體材料製成，這些層的結構可以是 PNP 型或 NPN 型。中間層是控制層，改變中間層的輸入訊號，就能改變其他層的電流。

電晶體有三個主要部分：

發射極
台面
收藏家

基極上的小電壓或小電流可以控制射極和集極之間的大電流。這就是為什麼晶體管在電子學中如此重要的原因。幾乎所有現代設備中都能找到它們的身影。

提示：把電晶體想像成守門人。一個小訊號會告訴它是否應該有更大的電流通過。

晶體管可以增強訊號。其輸出功率可以遠大於輸入功率。這就是為什麼收音機、電腦和手機都使用晶體管的原因。

電晶體採用半導體材料。
它有三個端子可以連接到電路。
摻雜會改變半導體，使電晶體正常運作。

在電路中的作用

電晶體在類比和數位電路中發揮多種作用。它們可以增強訊號、切換電流以及建立邏輯閘。在類比電路中，電晶體可以增強弱訊號。例如，揚聲器使用電晶體來增加音樂音量。在數位電路中，電晶體充當開關，控制訊號的開啟和關閉，以便電腦能夠處理資訊。

下表顯示了晶體管在不同類型電路中的工作方式：

電路類型	電晶體的主要作用	應用實例
模擬	放大	音頻放大器、射頻發射器
	過濾	訊號濾波電路
	調製	AM/FM傳輸
數位版	邏輯門	與門、或門、非門
	交換	馬達控制器、微處理器

晶體管極大地改變了電子技術。以前，人們使用真空管。這些真空管體積龐大，耗電量巨大。 1947年貝爾實驗室發明電晶體後，電路變得更小，效能也更好。如今，集成電路整合了許多晶體管。這使得電腦、智慧型手機和太空旅行成為可能。

注意：阿波羅 11 號登月艙配備了帶有晶體管的積體電路。這有助於太空人安全登陸月球。

電晶體有助於使設備運行速度更快、體積更小、能耗更低。使用計算機、聽音樂或發送簡訊時，都會用到電晶體。

電晶體的工作原理

開關功能

晶體管存在於我們日常使用的許多物品中。你看不見它們，但它們確實存在。它們就像設備中的微型開關。當你按下手機上的按鈕時，電晶體會控制設備的開啟或關閉。我們可以把電晶體想像成水龍頭。打開水龍頭，水就流；關上水龍頭，水就停了。在電子學中，電晶體控制電流的流動，就像水龍頭控制水流一樣。

電晶體作為開關主要有兩種工作方式。一種方式稱為截止模式。在這種模式下，電晶體就像一個斷開的開關。集電極和發射極之間沒有電流流動。另一種方式稱為飽和模式。此時，晶體管就像一個閉合的開關。最大電流流過它。這種開關操作可以控制電路中的電訊號。

提示：電晶體開關速度非常快，而且幾乎沒有噪音。這就是為什麼新電子產品用電晶體取代老式開關的原因。

以下是晶體管充當開關的一些現實場合：

電腦處理器使用它們進行快速切換。
它們有助於控制汽車和家用機器中的繼電器。
電晶體開關體積小、重量輕、價格便宜，因此幾乎在所有設備中都有。

如果對NPN電晶體的基極施加一個很小的電壓，它就會導通，電流就能通過。如果移除這個電壓，電晶體就會關閉。這使得我們可以用很小的訊號來控制很大的電流。

放大器功能

晶體管還可以增強微弱訊號。你可以把它們用作擴大機。例如，當你播放音樂時，電晶體會增強聲音，讓你能夠聽到。在收音機中，電晶體可以讓天線訊號夠強，讓你能夠收聽。

一個小訊號進入電晶體的基極或閘極。這個小訊號控制從集電極到發射極的更大電流。輸出訊號強度夠強，可以輸出揚聲器或耳機。你可以在吉他效果器中看到這種效果。單一電晶體就能讓原本微弱的吉他聲音變得更大聲。

注意：晶體管需要合適的電壓才能作為放大器工作。這稱為偏置。對於矽晶體管，基極-射極部分必須具有約 0.6V 至 0.7V 的電壓。集電極-射極電壓必須足夠高，以使訊號上下移動。

下表顯示了共射放大器的增益範圍：

增益類型	最小增益	最大增益
共發射極放大器	-5.32	-218

音訊設備中也用到了晶體管，它們可以增強麥克風訊號，而不會增加噪音。它們還能控制音調，讓你調節低音、中音和高音。

電流控制

電晶體可以幫助你控制電路中的電流量。你可以用它們來管理設備不同部分之間的電流。每個電晶體都有三個端子。對於雙極接面電晶體 (BJT)，它們是射極、基極和集極。對於場效電晶體 (FET)，它們是源極、閘極和汲極。

電晶體控制電流和電壓的方式如下：

您將小電流傳送到 BJT 的基極或將電壓傳送到 FET 的閘極。
這個小輸入控制從集極到射極或從汲極到源極的更大電流。
您可以透過改變輸入來打開或關閉晶體管，就像打開水龍頭來控制水一樣。

提示：雙極接面電晶體 (BJT) 中基極電流和集極電流之間的聯繫非常重要。較小的基極電流可以控制更大的集極電流。這被稱為放大，它展示了晶體管如何控制訊號。

電晶體使用半導體材料工作。半導體可以很好地控制電壓和電流。你可以在電腦、手機，甚至太空船中看到它。

使用晶體管，你可以用多種方式控制電壓和電流。你可以切換訊號、增強訊號強度，或是管理電路中的電源。這使得晶體管成為現代電子產品的主要組成部分。

電晶體零件

關鍵組件

每個電晶體由三個主要部分組成。每個部分都發揮著重要的作用。這些部分協同工作，使電流能夠在設備中流動。

元件	產品說明
發射極	發出電子，有大量摻雜，由銅或鋁製成。
台面	控制流量，幾乎沒有摻雜，讓電子從射極移動到集極。
收藏家	收集電子，比發射極和基極大，有一些摻雜，由矽或鋁製成。

發射極釋放電子或電洞。基極很薄，控制電流。只有少量載子可以通過基極。集電極從射極吸收電子或電洞。每個部件的尺寸和材質都會影響電晶體的工作性能。當你將電晶體用作開關時，基極決定電流是否從射極流向集電極。作為放大器，基極的小訊號會在集電極產生更大的訊號。

提示：如何設定這些部件以及它們的組成決定了電晶體是用作開關還是放大器。

半導體材料

電晶體使用稱為半導體的特殊材料。這些材料有助於控制電流。矽是最常見的半導體。由於矽價格低廉且性能良好，幾乎在所有電子設備中都能找到它的身影。

以下是一些用於晶體管的材料：

鍺最早用於半導體。
矽在 20 世紀 50 年代開始流行，因為它易於找到且性能更好。
砷化鎵用於快速電子產品，但製造起來很困難。

矽是很好的材料，因為它耐熱且易於獲取。鍺有助於早期電晶體的製造，但易熔化且不穩定。砷化鎵更適合用於高速電路，例如衛星或手機訊號塔中的電路。

您選擇的材料會影響電晶體的工作速度和性能。高遷移率的材料可以讓電荷快速移動，進而提高設備運作速度。一些新材料，例如磁性半導體，甚至可以在晶體管內部儲存記憶體。

注意：您選擇的半導體類型可以讓設備更快、更小、更強大。

晶體管的類型

電晶體的形狀和種類各有不同。大多數電子產品主要使用兩種類型的電晶體。每種類型的晶體管都有其獨特的用途。了解它們有助於你理解裝置的工作原理。

北京電訊

其中一種主要類型是雙極型電晶體，簡稱BJT。這種電晶體利用電子和電洞來產生電流。透過向基極施加微小電流來控制它。 BJT擅長增強微弱訊號，也可用於開關設備。

下表列出了 BJT 的重要特徵：

特點	產品說明
集電極截止電流（ICBO）	當存在電壓且射極開啟時，集電極中的電流。
射極截止電流（IEBO）	當存在電壓且集極開路時，射極中的電流。
直流電流增益（hFE）	當射極接地時，集極電流除以基極電流。
集電極-射極飽和電壓（VCE(sat)）	電晶體在一定條件下飽和時的電壓。
基極-射極飽和電壓（VBE(sat)）	在一定條件下飽和時基極和射極之間的電壓。
躍遷頻率（fT）	射極接地時電流增益為 1 的頻率。
集電極輸出電容（Cob）	在特定條件下測量的集電極-基極電容。
噪音係數（NF）	透過公式得出的輸入和輸出的信噪比。

您可以在很多地方看到 BJT：

放大器
振盪器
低壓開關
共集電極放大器（射極跟隨器）
共射放大器
共基極放大器
開關電路

提示：如果你想製作一個簡單的擴大機，你可能會使用到雙極接面電晶體。

FET

另一種主要類型是場效電晶體。這種電晶體透過電壓控制。場效電晶體 (FET) 僅使用一種電荷載子。它們的功耗比雙極接面電晶體 (BJT) 更低。場效電晶體常見於數位電路和邏輯閘電路。

以下是場效電晶體和 BJT 的比較表：

獨特之處	場效應管	雙極電晶體
控制類型	電壓控制	電流控制
電流增益	低	高
電壓增益	高	低
切換速度	快	媒材
電源消耗功率	低	高
溫度係數	積極	負
尺寸	較小	較大
輸入阻抗	高	低
應用領域	低電壓應用	低電流應用
製造成本	更高	降低

場效電晶體有兩種常見類型：

FET型	產品說明	典型用途
場效應管	一個簡單的 FET，其通道由 pn 接面製成的閘極控制。	由於輸入阻抗高，因此用於放大器和開關。
MOSFET	最常用的具有絕緣柵的場效電晶體 (FET)，用於低功率控制。	存在於數位電路、電力電子和邏輯閘中。

注意：場效電晶體可以幫助你的設備提高工作速度並降低能耗。你可以在電腦、手機和汽車中找到它們。

每種晶體管都有其各自的用途。有些電晶體擅長增強訊號，有些則擅長快速切換。了解它們之間的差異有助於你為專案選擇合適的晶體管。

電晶體的重要性

對技術的影響

晶體管改變了我們所生活的世界。這些微型裝置使科技變得更好、更易於使用。 1947年，科學家們製造出第一台電晶體，開啟了許多新的想法。在電晶體出現之前，人們使用的是真空管。真空管體積龐大，而且經常損壞。晶體管使電子產品更小巧、更可靠。

晶體管的出現使電子設備的體積大大縮小。如今，我們擁有電腦、智慧型手機和智慧型手錶，這都歸功於它們。
數位時代始於晶體管。它們讓我們能夠儲存和使用大量資訊。
晶體管取代了真空管。這使得通訊、娛樂、醫療保健和科學領域得到了極大的發展。
人工智慧和物聯網需要電晶體。隨著電晶體尺寸越來越小、性能越來越強，這些領域也不斷發展。

透過觀察這些重大時刻，你可以看到晶體管是如何改變事物的：

每年	里程碑	產品說明
1947	第一個電晶體	貝爾實驗室的科學家製造了第一個可工作的電晶體。
1955	表面鈍化	這使得製造大量積體電路成為可能。
1959	第一個MOSFET	現在，一塊晶片上可以容納數千個電晶體。
1963	CMOS的發明	這有助於製造電腦晶片和電腦記憶體。

日常用途

即使你沒有註意到，晶體管也無所不在。家裡或學校裡幾乎所有的電子產品裡都有電晶體。以下是一些例子：

電腦晶片中有數百萬甚至數十億個電晶體。
智慧型手機使用晶體管來快速運行並保存您的圖片和應用程式。
電視需要晶體管來增強訊號並改變頻道。
收音機使用晶體管來使聲音更響亮並幫助您選擇電台。
數位相機的感光元件和晶片中都有電晶體。

現代晶片可以包含數十億個電晶體。有些新型晶片甚至擁有超過60億個電晶體。 CPU中的電晶體數量可能達到數百萬或數十億，具體取決於其用途。

每次你傳簡訊、看影片或玩遊戲時，你都會用到電晶體。這些小零件讓你最喜歡的設備運作起來。

晶體管以多種方式改變著你的生活。你使用的每台數位設備中都有它們的身影。

晶體管透過快速開啟和關閉來幫助電腦工作。
它們使弱信號變得更強，以便您可以更好地聽到音樂或聲音。
它們保證許多機器的電源安全。
它們將電池電量轉化為您可以使用的能量。

晶體管有助於使設備變得更小、更快，也能讓設備運作得更好。
他們開創了數位時代，並推動了醫學、通訊和日常生活領域的技術發展。

當您使用手機或電腦時，請記住晶體管幫助其工作。

常見問題

晶體管在手機中扮演什麼角色？

晶體管讓你的手機處理資訊並儲存數據。它能非常快速地打開和關閉訊號。每次打開應用程式或發送訊息時，都會使用到電晶體。

為什麼電晶體可以讓裝置變得更小？

電晶體比老式真空管佔用空間更小。一塊晶片上可以整合數十億個晶體管。這使得你可以將功能強大的設備裝進口袋。

你能在日常物品中找到電晶體嗎？

是的！電腦、電視、收音機甚至玩具裡都有電晶體。它們能幫助這些設備更好地工作，並降低能耗。

如何知道晶體管是否運作？

你可以用萬用電表測試電晶體。如果看到端子之間的電壓正常，表示電晶體正常運作。如果電壓正常，則可能需要更換電晶體。

BJT 和 FET 之間有什麼區別？

類型	控制者	一般用途
北京電訊	電流測試棒	放大器
FET	電壓	數位電路

提示：選擇 BJT 可獲得強訊號。選擇 FET 可獲得快速開關。

晶體管如何運作以及它是什麼

什麼是電晶體