【硬件】通俗易懂的讲解晶体管（三极管和MOS管）的工作原理

晶体管是一个简单的元器件，可用于构建许多有趣的项目。在本文中，我将用通俗易懂的语言给您讲解晶体管的工作原理，以便您可以在电路设计中更好的使用静态管。一旦你学习这些基础知识，对以后的设计和使用来说，将会变得非常容易。

我们将重点介绍两种最常见的晶体管： 双极型晶体管（三极管）和MOSFET。
晶体管的工作原理其实是类似于电子开关。它可以打开和关闭电路。一个简单的思考方法是将晶体管视为无源的继电器。晶体管类似于继电器，从某种意义上说，您可以使用它来打开和关闭某些东西。 但晶体管也可以部分导通，一般在放大电路中使用，这部分内容不是本文讲解的重点。

三极管的工作原理 （BJT）

让我们从经典的NPN三极管开始。它是一个双极结晶体管（BJT），有三条腿，分别是： 基极 （b） 集电极 （c） 发射极 （e）

三极管处于打开状态时，电流可以从集电极流过三极管到发射器。当它关闭时，没有电流可以流动。 在下面的示例电路中，晶体管是OFF的。这意味着没有电流可以流过它，因此发光二极管（LED）也关闭了。 要打开三极管管，基极和发射极之间需要大约0.7V的电压。 如果你有一个0.7V的电池，你可以把它连接到基极和发射极之间，三极管就会打开。 由于我们大多数人都没有0.7V电池，我们如何打开三极管？ 很简单！三极管的基极至发射极部分的工作方式类似于二极管。二极管具有正向电压，它从可用电压中获取到该正向电压。如果串联添加一个电阻器，则电阻上的其余部分电压会下降。

因此，通过添加电阻，您将自动获得约0.7V的电压。

这其实与用于串联电阻限制通过LED的电流以确保LED不损坏的原理相同。

如果还添加一个按钮，则可以使用按钮控制晶体管，从而控制LED的ON和OFF。

01、选择元件的值

要选择元件值，您还需要了解三极管的工作原理： 当电流从基极流向发射极时，三极管导通，以便更大的电流可以从集电极流向发射极。

两个电流的大小之间存在连接。这称为三极管的增益。

对于通用晶体管，如BC547或2N3904，增益可能是100左右。这意味着，如果有0.1 mA电流从基极流向发射极，则从集电极流向发射器的电流为10 mA（100倍以上）。

02、R1需要多大的电阻值才能获得0.1mA的电流？

如果电池为9V，并且晶体管的基极到发射极为0.7V，则电阻器两端剩下8.3V。

您可以使用欧姆定律来计算电阻值：

因此，您需要一个83 kΩ的电阻，但是这不是一个标准值。但82 kΩ是，而且它足够接近。

R2 用于限制 LED 的电流。如果您要将LED和电阻器直接连接到9V电池，则可以选择的值，而无需三极管。例如，1 kΩ应该工作正常。

03、怎么选择三极管？

NPN晶体管是最常见的三极管（BJT）。但是还有另一种称为PNP晶体管，其工作方式相同，只是所有电流都朝相反的方向。 在选择晶体管时，要记住的最重要的事情是晶体管可以承受多少电流。这称为集电极电流（IC)。例如我们常用的8050三极管的IC电流值为：1.5A。

    

MOSFET 晶体管的工作原理

MOSFET晶体管是另一种非常常见的晶体管类型。它也具有三个引脚：

栅极（G）

漏极（D）

源极（S）

MOSFET的工作原理类似于三极管，但有一个重要的区别：

1、在三极管中，从基极到发射极的电流决定了有多少电流可以从集电极流向发射极。

2、在MOSFET晶体管中，栅极和源极之间的电压决定了有多少电流可以从漏极流向源极。

01、示例：如何打开MOS管

下面是一个用于接通MOSFET的示例电路。

要打开MOSFET晶体管，栅极和源之间的电压需要高于晶体管的阈值电压。例如，BS170的栅源阈值为2.1V。（具体每个MOS管的阈值电压是多少，我们可以在MOS管的数据手册中查到)。 MOSFET的阈值电压实际上是它关闭的电压。因此，要正确打开晶体管，您需要一个比该电压高一点的电压。 高多少取决于您希望流多少电流。如果你比阈值高出几伏，这通常足以满足低电流的事情，比如打开LED。 请注意，即使您使用足够高的电压以使1A电流流动，也不意味着MOS管恒定流过1A电流。它其实是电流流过的最大值，最终实际流过的电流还是取决于所接的电路以及负载。 因此，只要我们确保不超过最大栅源电压限制（BS170为20V），您就可以随心所欲地达到最高电压。

在上面的示例中，当我们按下按钮时，栅极连接到9V。这将打开晶体管。

02、元器件选择

上图中R1的值其实并不重要，但大约10 kΩ应该可以正常工作。其目的是关闭MOSFET。 R2 设置 LED 的亮度。对于大多数 LED，1 kΩ 应该工作正常。

Q1几乎可以是任何N沟道MOSFET，例如BS170。

03、怎么关闭MOSFET？

关于MOSFET的另一件重要事情是：它的作用也有点像电容器 。即栅源部分。当您在栅极和电源之间施加电压时，该电压将保持在那里，直到电容完全放电。

如果没有上述示例中的电阻（R1），晶体管将无法关闭。对于电阻器，栅源电容器有一条放电路径，以便晶体管再次关闭。

详情可以参考本公众号的另一篇文章：

04、如何选择MOS管

以上示例使用 N 沟道 MOSFET。P 通道MOSFET的工作方式相同，只是电流沿相反方向流动，并且栅极到源极的电压必须为负才能将其打开。

选择MOSFET时要记住的两件事是： 栅源至源极阈值电压。您需要高于此值的电压才能打开晶体管。 连续漏极电流。这是可以流过晶体管的最大电流量。

还有其他重要参数需要牢记，具体取决于您制作的内容。但这超出了本文的范围。请记住上面的两个参数，您将有一个很好的起点。

05、MOSFET栅极电流

如果你想使用单片机如STM32控制MOSFET，那么你需要记住另一件事：打开晶体管时流入栅极的电流。

如上所述，MOSFET的栅极到源极充当电容器。. 这意味着一旦充电，就没有更多的电流流过它。因此，当MOSFET导通时，没有电流流过栅极。 但是，当MOSFET导通时，会产生电流，就像为电容器充电一样。在一小分之一秒内，可能会有很多电流流动。 为了保护我们的单片机不受流过的较大电流的影响，您需要添加一个MOSFET栅极电阻器。

上图中栅极电阻 通常选择1000 Ω就可以。

为什么需要晶体管？

可能有一些新手小白会问：为什么我们需要晶体管？为什么不将 LED 和电阻器直接连接到电池上？

1、晶体管的优点是可以使用小电流或电压来控制更大的电流和电压。

例如我们想要用单片机IO引脚控制电机、大功率LED、扬声器、继电器等，这就必须使用到晶体管。由于单片机的输出引脚在 5V或3.3V 时通常只能提供几毫安。因此，如果您想控制110V户外庭院灯，则无法直接从接到单片机的引脚上。 您可以会想到可以通过继电器来完成。但即使是继电器通常也需要比引脚所能提供的电流更多的电流。所以我们就需要一个晶体管来控制继电器。

当然，晶体管也可用于更简单的传感器电路，例如光传感器电路，触摸传感器电路或H桥电路。 我们几乎所有的电路都会使用到晶体管。它确实是电子产品中最重要的组件。

晶体管作为放大器

晶体管可以作为放大器工作的原因是：它不仅可以有两个状态（ON/OFF），还可以介于“完全打开”和“完全关闭”之间的任何位置。 这意味着一个几乎没有能量的小信号可以控制晶体管，在晶体管的集电极-发射极（或漏极-源极）部分产生该信号的更强的版本。因此，晶体管可以放大小信号。 下面是一个简单的放大器来驱动扬声器。输入电压越高，从基极到发射极的电流越高，通过扬声器的电流越高。 变化的输入电压使扬声器中的电流发生变化，从而产生声音。

通常，您需要再添加几个电阻器来偏置晶体管。否则，你会得到很多失真。我们可以在后面的文章中再详细介绍。

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