Transistors Explained - How transistors work

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https://www.youtube.com/watch?v=J4oO7PT_nzQ

Ringkasan

TLDRVideolla käsitellään transistoreita, erityisesti kaksisuuntaisia bipolaaritransistoreita, ja niiden toiminta- sekä käyttötapoja. Transistorit ovat keskeisiä elektronisia komponentteja, jotka toimivat joko kytkiminä tai signaalin vahvistimina. Video esittelee transistorien fyysistä rakennetta, selittää johtamista sekä transistorin toimintaa eri jännitteillä. Siinä kuvataan NPN- ja PNP-tyyppisten transistoreiden toiminta ja eroavaisuudet, sekä elektronien käyttäytyminen puolijohteissa. Transistorit voivat merkittävästi vahvistaa signaaleita pienen jännitteen ohjatessa suurempaa virran kulkua. Videossa korostetaan myös eroa elektronivirran ja yleisesti suunnitellun virtavirtauksen välillä elektroniikkapiireissä.

Takeaways

  • 🔍 Transistorit ovat keskeisiä elektronisia komponentteja elektronisessa maailman hallinnassa.
  • 🌀 Kaksisuuntaiset bipolaaritransistorit ja kenttävaikutustransistorit ovat transistorien päätyypit.
  • 💡 Transistorit toimivat kytkiminä ja signaalinvahvistimina, kaksi olennaista toimintoa.
  • 📏 Transistorimallit ja -parametrit ovat tärkeitä sähköpiirien suunnittelussa.
  • 🔋 NPN- ja PNP-transistorit toimivat eri polariteetilla ja tarvitsevat erilaista kytkentää.
  • 📉 Elektronit liikkuvat negatiivisesta positiiviseen, vastoin tavanomaista virtausta.
  • 🔋 PN-liitäntä luo tyhjennysalueen, joka estää sähkövirran liikkumisen ilman jännitettä.
  • 🌡️ Transistorit vaativat usein jäähdytystä suuren virran kuljetuksessa.
  • 🔧 Transistorit voivat vahvistaa signaaleja pienellä ohjausjännitteen muutoksella.
  • 📘 Puhtaan ja seostetun piin käsittely on olennaista transistoriteknologiassa.

Garis waktu

  • 00:00:00 - 00:05:00

    Videon alussa esitellään transistori, joka on yksi merkittävimmistä keksinnöistä elektroniikassa. Päätavoitteena on selittää, miten bipolaariset transistorit, erityisesti NPN- ja PNP-tyyppiset transistorit, toimivat virtapiirissä. Transistoria käytetään virtakytkimenä tai signaalin vahvistimena, ja eri tyyppiset transistorit kestävät erilaisia jännitteitä ja virratasoja riippuen niiden mallista. Alkuperäinen esimerkki osoittavat transistorin toiminnan virtapiirissä, kun se toimii kytkimenä automaattisesti lampun sytyttämiseksi.

  • 00:05:00 - 00:10:00

    NPN- ja PNP-transistorityypit selitetään; ne eroavat toisistaan virtapiirin kytkennän ja virran suunnan perusteella. NPN-transistorissa pää- ja ohjauspiiri ovat yhteydessä virtalähteeseen. Kun pääpiiri on auki, ohjauspiirin LED voi syttyä. Samoin PNP-transistorissa mutta emissio on yhteydessä pariston positiiviseen napaan. Transistorin työskentelyä verrataan vesiputkeen, jossa venttiilin avaaminen mahdollistaa virtauksen. Transistori ohjaa suurta virtaa pienellä ohjausvirralla, ja virran suunnan voidaan nähdä eroavan elektronien todellisesta liikesuunnasta.

  • 00:10:00 - 00:18:19

    Transistorin toiminta perustuu puolijohdemateriaaleihin, kuten piihin, ja niiden päällekkäisiin N- ja P-tyyppisten kerrosten muodostamiin liitoksiin. Transistorissa on kolektori, emiteri ja peruskerros, ja se on valmistettu N-tyypin ja P-tyypin materiaaleista. Piinatomien korvaaminen tarkoittaa eri atomilajien lisäämistä, jotta saadaan aikaan ylimääräisiä elektroneja tai aukkoja. NPN-tyypin transistorissa juoksevat elektronit liittimet läpi, kun niille annetaan riittävä energia ylittääkseen liitosesteen. Tämä johtaa jatkuvaan virtapiiriin, joka vahvistaa signaalia. Loppuosa videosta selittää transistorin elektronisen rakenteen ja niiden toiminnan yksityiskohtaisemmin sekä antaa esimerkkejä niiden käytöstä.

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Pertanyaan yang Sering Diajukan

  • Mitä transistori on?

    Transistori on pieni elektroninen komponentti, joka voi toimia kytkimenä tai signaalin vahvistimena.

  • Mitkä ovat kaksi päätyyppiä transistoreissa?

    Kaksi päätyyppiä ovat kaksisuuntaiset transistorit ja kenttävaikutustransistorit.

  • Mitä tarkoittaa transistorin johtaminen?

    Transistorin johtaminen tarkoittaa, että se sallii virran kulkea läpi, mikä voi tapahtua, kun emittorielektrodille kohdistetaan pieni jännite.

  • Mikä on transistorin vahvistus?

    Vahvistus on kollektorivirran ja päätevirran välinen suhde, joka kertoo, kuinka paljon transistori voi vahvistaa syötettyä signaalia.

  • Miten NPN-tyyppinen transistori toimii?

    NPN-tyyppisessä transistorissa päävirta- ja ohjausvirtapiirit ovat kytketty virran lähteen positiiviseen napaan ja se johtaa, kun piirin perusnapa saa tarpeeksi jännitettä.

  • Mitä ovat N- ja P-tyypin puolijohteiden eroavaisuudet?

    N-tyypin puolijohteissa on ylimääräisiä elektroneja, kun taas P-tyypin puolijohteilla on elektronien puuttumista, eli aukkoja.

  • Mikä on PN-liitäntä?

    PN-liitäntä on puolijohdekappale, joka yhdistelee N- ja P-tyypin materiaaleja, ja toimii periaatteessa diodina.

  • Mikä on tyhjennysalue transistoreissa?

    Tyhjennysalue on alue PN-liitännässä, jossa elektronit ja aukot ovat diffusoituneet luomaan varauksellisia alueita.

  • Mikä ero on elektronivirralla ja tavanomaisella virtavirralla?

    Elektronivirta virtaa akkujen negatiivisesta navasta positiiviseen, kun taas tavanomainen virtavirta kulkee päinvastaiseen suuntaan.

  • Mikä on bipolaarisen transistorin yleinen symboli?

    Bipolaarisella transistorilla on symboli, joka sisältää emitterille piirretty nuoli, mikä osoittaa virran kulkusuunnan.

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    这是一个晶体管
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    被发明的最重要的元器件之一。
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    在这个视频我们将学习它是怎样运作的。
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    什么是晶体管？
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    晶体管有不同的类型和大小.
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    其中两个主要的类型是双极型晶体管和场效应晶体管.
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    这个视频将主要讲解双极型晶体管.
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    晶体管是小型电子元件，它主要有两个功能.
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    它可以作为开关来控制电路
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    也可以用作信号放大.
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    Small low power transistors are enclosed部分低功率晶体管会有树脂盒子封装保护。
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    但功率大点的晶体管还会加上一部分金属
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    用作散热以损坏晶体管
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    我们一般看到的是附着在散热片上的
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    以达到更好的散热效果.
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    看看实物，在这个直流电源内部
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    有些场效应晶体管是附着在金属散热片上的.
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    如果不用散热片，仅仅是1.2安培的电流.
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    温度很快就会升高到45摄氏度（华氏113度）.
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    电流越高，温度会越更加高.
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    但在电子板上的这些小电流晶体管
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    就不需要额外的散热片了.
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    在晶体管外面
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    会看见一串字符.
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    这是晶体管的型号
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    根据型号可以找到晶体管的具体参数.
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    不同型号的晶体管所能承受的电流电压是不同的
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    查阅这些参数是很重要的.
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    晶体管有三个针脚 分别标为E, B , C.
  • 00:01:55
    E代表发射极 B代表基极 C代表集电极
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    一般这种树脂封装型的晶体管
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    边缘是平的,
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    左边的针脚是发射极,
  • 00:02:06
    中间是基极，右边是集电极
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    但不是所有的晶体管都一样.
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    以说明书为准.
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    把灯泡接上电池，灯泡就会亮.
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    我们可以在电路中加一个开关
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    接通或断开电路来控制灯泡.
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    但这需要人工来操作.
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    那我们如何将它自动化?
  • 00:02:36
    此时，晶体管就派上用场了.
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    此时晶体管是阻断电流通过的.
  • 00:02:41
    所以灯泡是熄灭状态.
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    但如果在中间的基极上施加一个小电压,
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    这可以使得晶体管允许电路上的电路通过.
  • 00:02:52
    灯泡就亮着了.
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    我们可以加一个开关以实现远程控制
  • 00:02:57
    或者加一个传感器来让它自动控制.
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    一般而言，至少需要施加0.6-0.7伏电压到基极
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    来使晶体管导通.
  • 00:03:12
    以这个简易电路为例
  • 00:03:14
    在主电路上有一个红色led灯泡和9伏的电源
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    晶体管基极连接在直流电源上
  • 00:03:23
    电路图看起来是这样的.
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    当给基极的电源电压为0.5伏时
  • 00:03:30
    晶体管关闭
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    所以灯泡也是关闭的
  • 00:03:35
    在0.6伏的时候，晶体管导通，但不完全.
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    灯泡不怎么亮，因为晶体管没有完全让电流通过它。
  • 00:03:49
    在0.7伏的时候灯泡更亮了，晶体管几乎让所有电流通过它.
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    在0.8伏的时候，灯泡也达到最亮
  • 00:04:01
    晶体管完全打开.
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    这么下来的结果是
  • 00:04:07
    我们在用小电流小电压来控制大电流大电压
  • 00:04:11
    我们得以看见，在基极上改变很小的电压
  • 00:04:14
    在主电路上却改变了比较大的电压.
  • 00:04:18
    因此，如果我们输入一个信号到基极,
  • 00:04:22
    晶体管就如一个放大器.
  • 00:04:24
    我们连接一个可以改变小电压的麦克风到基极
  • 00:04:27
    电压信号可以在主电路放到喇叭处
  • 00:04:33
    以此制作成最一个简单的喇叭
  • 00:04:35
    一般而言，基极上的电流非常小,
  • 00:04:39
    可能还不到1毫安.
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    集电极的电流就高得多, 比如 100毫安这么高.
  • 00:04:47
    这两者的比率我们称之为增益 ，符号写作β
  • 00:04:53
    在参数表可以找到这个比率.
  • 00:04:56
    在这个例子里, 集电极电流为 100毫安
  • 00:04:59
    基极电流为1毫安.
  • 00:05:02
    比率就是100毫安除以1毫安, 得出就是100.
  • 00:05:07
    把公式变形一下，就可以用来计算电流.
  • 00:05:13
    NPN 和 PNP 晶体管
  • 00:05:15
    双极型晶体管主要有两种,
  • 00:05:19
    NPN型 和 PNP型, 这两种看起来几乎是一样的.
  • 00:05:24
    所以需要通过型号来区分.
  • 00:05:28
    在NPN型晶体管
  • 00:05:30
    有主电路和控制电路.
  • 00:05:33
    都连接在电池的正极上.
  • 00:05:37
    在按下开关之前，主电路是断开状态的
  • 00:05:42
    可以到看到电流通过两条线到晶体管
  • 00:05:46
    我们可以断开主电路
  • 00:05:51
    但仍然可以通过开关打开控制电路的led灯泡
  • 00:05:53
    此时电流通过晶体管回到电池负极
  • 00:05:58
    在这个简单版的例子,
  • 00:06:00
    按下开关时，基极处有5毫安电流通过
  • 00:06:05
    集电极有20毫安电流通过
  • 00:06:08
    发射极则流出25毫安电流
  • 00:06:11
    此时电流在晶体管是内合并流出的
  • 00:06:15
    在PNP型 晶体管.
  • 00:06:17
    同样是有主电路和控制电路
  • 00:06:21
    但发射极是连接电池正极的
  • 00:06:25
    在按下控制电路的开关前，主电路是断开的
  • 00:06:30
    此时可以看到部分电流流出基极并回到电池
  • 00:06:36
    剩余电流流过晶体管和主电路led灯
  • 00:06:38
    最后回到电池
  • 00:06:43
    如果同时断开主电路和控制电路，led灯还是会亮
  • 00:06:48
    在这个例子，按下开关时
  • 00:06:51
    有25毫安电流通过发射极
  • 00:06:54
    20毫安电流流出集电极，5毫安电流流出基极
  • 00:07:00
    此时电流在晶体管内是被分割的
  • 00:07:03
    我会把两者放一起让你看到他们的区别
  • 00:07:07
    晶体管在电子元件符号表示里这样的
  • 00:07:10
    箭头是放在发射极上
  • 00:07:15
    箭头方向表示电流方向。
  • 00:07:17
    我们就知道改如何把它连接到电路上了
  • 00:07:23
    晶体管是如何工作的
  • 00:07:24
    想要理解晶体管是怎样工作的，
  • 00:07:27
    请想象当水流流过水管
  • 00:07:32
    在放入闸盘前，它是自由流动的
  • 00:07:36
    现在，在这条水管上接上一根小管，再加上一个掩闸
  • 00:07:41
    在这条小管，我们可以用滑轮来移动闸盘
  • 00:07:45
    掩闸开得越大
  • 00:07:47
    流向主水管上的水就越多
  • 00:07:51
    这个掩闸是有点重量的，
  • 00:07:53
    少量的水不足以令它打开
  • 00:07:57
    需要一定量的水才够力量打开阀门
  • 00:08:02
    小水管流过的水越多
  • 00:08:05
    阀口就开得越大，流向主水管的水也越多
  • 00:08:11
    nPN型晶体管基本上就是这样运作的。
  • 00:08:15
    可能你已经知道在设计电路时
  • 00:08:20
    用的是电流的方向
  • 00:08:21
    所以，在这个NPN型晶体管电路里
  • 00:08:25
    我们假定电流流向是从电池的正极
  • 00:08:29
    流向集电极和基极 然后从发射极流出
  • 00:08:34
    我们一直根据这个方向来设计电路的。
  • 00:08:38
    然而，实际并不是这样运作的。
  • 00:08:41
    在现实中，电子是从电池负极流向正极
  • 00:08:47
    Joseph Thompson已经证明了这一点,
  • 00:08:51
    他从实验中发现电子以及电子是流向相反方向的。
  • 00:08:56
    所以 在现实中
  • 00:08:58
    电子从电池负极流向发射极
  • 00:09:03
    然后从集电极和基极流出，我们称这电子流
  • 00:09:07
    我会把它们放在一起，你就能看到它们的区别
  • 00:09:12
    请记住，我们设计电路时一定是根据电流流向的。
  • 00:09:17
    而科学家和工程师知道电子流是怎样的原理
  • 00:09:21
    顺带一提，我们已经在之前的视频详细讲解过电池是如何运作的
  • 00:09:28
    如有需要请看一下
  • 00:09:29
    链接在下方描述栏里
  • 00:09:32
    oK，我们知道电是电子通过线在流动
  • 00:09:38
    铜线是导体，而橡胶层是绝缘体
  • 00:09:42
    电子能够在铜里轻易流动
  • 00:09:44
    但电子不能流过橡胶绝缘体。
  • 00:09:48
    如果我们看一下这个金属导体的原子的基础模型
  • 00:09:51
    中间是原子核
  • 00:09:55
    围绕它的是若干层电子
  • 00:09:59
    每层都带着最大数量的电子
  • 00:10:02
    每个电子都需要一定的能量
  • 00:10:05
    来维持电子在各层轨道上
  • 00:10:09
    离原子核最远的电子拥有最多的能量
  • 00:10:14
    最外的电子层我们称为价电子
  • 00:10:17
    一个导电体的最外电子层有1-3个电子。
  • 00:10:22
    原子核把电子束缚在相应的位置
  • 00:10:25
    但有一层我们称之为导带
  • 00:10:29
    如果一个电子能到达此处，它就可以从一个原子移动到另一个原子
  • 00:10:34
    在比如铜这样的金属原子
  • 00:10:38
    最外电子层和导带重叠了
  • 00:10:42
    这样使得电子非常容易移动
  • 00:10:45
    在绝缘体上 电子最外层已经被填充满了
  • 00:10:49
    几乎没有空间容得下一个电子T
  • 00:10:52
    绝缘体的原子核对电子的束缚力很大
  • 00:10:54
    导带离得也远
  • 00:10:58
    所以电子不能够到达导带从而逃逸
  • 00:11:01
    因此，电流就不能够流过这种绝缘体材料
  • 00:11:05
    然而，有另一种材料叫半导体
  • 00:11:09
    其中一个例子就是硅
  • 00:11:13
    在这种材料
  • 00:11:14
    在最外电子层有太多电子 而不能使它成为导体
  • 00:11:19
    所以此时它是绝缘体
  • 00:11:21
    但它的导带是比较靠近最外层电子的
  • 00:11:25
    如果我们提供一些外部能量，电子就会有足够的能量
  • 00:11:30
    而跳跃到导带上并获得自由
  • 00:11:34
    因此，这种材料可以同时是绝缘体和导体
  • 00:11:39
    纯净的硅是几乎没有自由电子的
  • 00:11:43
    工程师就把硅掺杂上另一种物质
  • 00:11:46
    使其改变电性质
  • 00:11:51
    我们称这为P型掺杂和N型掺杂.
  • 00:11:55
    结合这些材料就能得到PN结。
  • 00:11:59
    再把它们夹成三明治就能做出NPN型或PNP型晶体管
  • 00:12:04
    在晶体管内部 有集电极和发射极
  • 00:12:09
    在NPN型晶体管内
  • 00:12:12
    有两层N型材料和一层P型材料。基极的导线连接在P层
  • 00:12:21
    在PNP型晶体管里则是相反而已
  • 00:12:25
    其整体被封装在树脂里以保护内部的材料
  • 00:12:30
    想象一下，硅在没有掺杂之前
  • 00:12:33
    它就是纯净的硅
  • 00:12:36
    每个硅原子有另外四个硅原子包围
  • 00:12:41
    每个硅原子想要8个电子在它的最外层
  • 00:12:45
    但每个硅原子最外层只有4个电子
  • 00:12:50
    所以它们巧妙地分别与周边的4个硅原子
  • 00:12:52
    共用一个电子，以达到8个电子
  • 00:12:56
    这称之为共价键
  • 00:12:59
    当掺杂N型材料比如磷
  • 00:13:02
    它会取代某些硅原子的位置
  • 00:13:06
    磷原子有5个电子在它的最外电子层
  • 00:13:10
    所以当硅原子通过共用它们的电子以达到8个
  • 00:13:15
    它们就不需要这多出来的这一个
  • 00:13:20
    这多出来的一个电子就能够自由流动
  • 00:13:24
    在P型掺杂比如添加铝
  • 00:13:29
    铝原子只有3个电子在最外层
  • 00:13:34
    它就无法提供足够的共用电子给它周围的4个原子
  • 00:13:38
    所以某些原子就不能得到足够的电子
  • 00:13:41
    这意味着多出了一个能放置电子的空穴
  • 00:13:47
    现在我们有两块掺杂过的硅
  • 00:13:50
    一块有太多电子，另一块则不够电子
  • 00:13:54
    放在一起形成一个PN结.
  • 00:13:58
    在这个结上有一个耗尽区
  • 00:14:02
    在这个耗尽区内
  • 00:14:05
    N区处部分多出的电子会移动到P区的空穴上
  • 00:14:10
    这种迁移形成了一个屏障
  • 00:14:12
    屏障里是迁移后互为相对的电子和空穴
  • 00:14:17
    当中的电子带负电，空穴则带正电
  • 00:14:23
    这种迁移产生了一个带少量负电的区域
  • 00:14:27
    和带少量正电的区域
  • 00:14:30
    这在中间也产生了电场
  • 00:14:32
    这个电场阻止更多的电子迁移
  • 00:14:35
    一般 穿过这个区域的电势差大约是0.7伏特
  • 00:14:41
    当我们在两端加上一个电压源
  • 00:14:45
    且正极连接在P型材料上。
  • 00:14:48
    这会产生一个正向偏置，电子开始移动
  • 00:14:53
    电压源必须大于0.7伏特
  • 00:14:58
    否则电子不能够进行跃迁
  • 00:15:01
    当我们调转电源正负极，正极连接在N型材料上时
  • 00:15:07
    在屏障里的电子会被拉回到正极池里
  • 00:15:12
    空穴也会被拉回负极池里
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    这在NPN型晶体管里形成一个反向偏置
  • 00:15:21
    这里有两层N型材料，所以有两个结、两个屏障区域,
  • 00:15:28
    所以一般的电流并不能流过它
  • 00:15:31
    发射极的N型材料是深度掺杂的
  • 00:15:35
    所以有非常多溢出的电子在此处
  • 00:15:38
    基极的P型材料是轻度掺杂的，所以有少量的空穴在此处
  • 00:15:44
    集电极的N型材料是中度掺杂的
  • 00:15:47
    所以有一定量的溢出电子在此处
  • 00:15:50
    如果我们在基极和发射极之间接上一个电池
  • 00:15:54
    且正极接上P型材料
  • 00:15:57
    这会产生一个正向偏置.
  • 00:15:59
    只要电压超过0.7伏特
  • 00:16:02
    这个正向偏置会使屏障崩塌
  • 00:16:06
    最终屏障消失
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    电子填充了P型材料的空间
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    其中部分电子会填补空穴
  • 00:16:16
    并且会被推向电池正极
  • 00:16:20
    为了减少电子掉进空穴里，
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    P层是设计成纤薄而轻度掺杂的
  • 00:16:29
    其余电子则会在材料中自由移动
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    所以，只有少部分电流流出基极
  • 00:16:36
    而留下了多余的电子则在皮托材料内
  • 00:16:41
    如果我们在发射极和集电极间接入另一个电池
  • 00:16:46
    正极连接集电极
  • 00:16:49
    在集电极带负电的电子会被拉向正极
  • 00:16:52
    从而产生一个反向偏置
  • 00:16:57
    如果你还记得，在反向偏置的情况下
  • 00:17:02
    屏障内的电子和空穴会被拉回去
  • 00:17:07
    屏障内的P块的电子被拉回N块处
  • 00:17:11
    N块内的空洞被拉回P块处。
  • 00:17:15
    在P型材料处已经有多余的电子
  • 00:17:20
    所以它们会填补空穴，另外一些则被拉到对面
  • 00:17:26
    因为电池的电压比较大
  • 00:17:29
    其吸引力也大得多
  • 00:17:31
    随着这些电子被拉到对面，然后流进电池
  • 00:17:36
    因而形成电流贯穿正向偏置结
  • 00:17:40
    在基极有更大的电压能完全打开晶体管
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    意味着更多电流和电子流进P块层
  • 00:17:49
    所以 更多的电子被反向偏置拉着
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    我们也能看到，相比于集电极
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    流进晶体管发射极的电子也更多
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    oK，这个视频就讲到这里
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