晶体管作为电子领域中一个基础且关键的组件，虽看似简单，却能构建出众多有趣且实用的电路。在本文中，我们将深入了解晶体管的工作原理，以便在后续的电路设计中能合理运用它们。

　　一旦掌握了晶体管的基本知识，其应用其实并非难事。我们将重点探讨两种常见的晶体管：BJT（双极结晶体管）和 MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）。

　　晶体管的工作原理类似于电子开关，能够实现电流的开启和关闭。可以把晶体管想象成没有动作部件的开关，它与继电器有相似之处，都能用于控制某些设备的开启和关闭。此外，晶体管还可以处于部分打开的状态，这一特性在放大器的设计中非常有用。
　　晶体管 BJT 的工作原理

　　让我们从经典的 NPN 晶体管开始。双极结晶体管（BJT）有三个引脚，分别是基极（B）、集电极（C）和发射极（E）。当晶体管打开时，电流可以从集电极流向发射极；当它关闭时，则没有电流通过。在示例电路中，若晶体管处于关闭状态，发光二极管也会随之关闭。

　　要打开晶体管，基极和发射极之间的电压需约为 0.7V。若有 0.7V 的电池，将其连接到基极和发射极之间，晶体管就会开启。但在实际情况中，大多数人并没有 0.7V 的电池，此时可利用晶体管基极到发射极部分类似二极管的特性。二极管有正向电压，会从可用电压中 “抓取” 这部分电压。在串联电路中加入一个电阻器，其余的电压就会在电阻器上分压，从而自动获得约 0.7V 的电压，这与通过 LED 限制电流防止其损坏的原理相同。若添加按键开关，就可以通过按键开关控制晶体管，进而控制 LED。
　　选择元器件的值

　　要选择合适的元器件值，需要了解晶体管的工作原理：当电流从基极流向发射极时，晶体管打开，使更大的电流可以从集电极流向发射极。这两种电流的大小存在联系，即晶体管的增益。对于一般用途的晶体管，如 BC547 或 2N3904，增益可能在 100 左右。例如，若有 0.1mA 的电流从基极流向发射极，那么就可以有 10mA（100 倍以上）的电流从集电极流向发射极。

　　假设电池电压为 9V，晶体管基极到发射极的电压为 0.7V，那么电阻器上的电压为 8.3V。根据欧姆定律可计算出所需电阻值为 83kΩ，实际中 82kΩ 也能满足要求。R2 用于限制 LED 上的电流，可选择在没有晶体管时，将 LED 和电阻直接连接到 9V 电池时所用的阻值，如 1kΩ 通常能使 LED 正常工作。
　　如何选择晶体管
　　NPN 晶体管是常见的双极结晶体管（BJT），此外还有 PNP 晶体管，其工作方式与 NPN 晶体管类似，只是电流方向相反。在选择晶体管时，重要的是要考虑晶体管能承受的电流大小，即集电极电流（iC）。
　　MOSFET 的工作原理
　　MOSFET 晶体管也是一种常见的晶体管，它有三个引脚：栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。MOSFET 的工作原理与 BJT 晶体管类似，但有一个重要区别：对于 BJT 晶体管，从基极到发射极的电流决定了从集电极到发射极的电流大小；而对于 MOSFET 晶体管，栅极和源极之间的电压决定了从漏极到源极的电流大小。
　　如何打开 MOSFET
　　要打开 MOSFET 晶体管，需要在栅极和源极之间施加高于晶体管阈值电压的电压。例如，BS170 的栅源阈值电压为 2.1V（数据手册中有注明）。MOSFET 的阈值电压实际上是其关闭的电压，因此要正确打开晶体管，需要稍高一点的电压。具体电压值取决于想要通过的电流大小（数据手册中会有注明）。对于低电流的设备，如打开一个 LED，比阈值高出几伏通常就足够了。需要注意的是，即使施加足够高的电压使 1A 电流可以通过，实际电路中的连接特性才决定了实际的电流大小。只要确保不超过的栅极源电压限制（如 BS170 为 20V），就可以根据需要控制电流大小。在示例电路中，按下按钮时，栅极连接到 9V，从而打开晶体管。
　　选择元器件的值
　　R1 的值并非关键，大约 10kΩ 通常能使 MOSFET 正常工作，其作用是关闭 MOSFET。R2 用于设置 LED 的亮度，对于大多数 LED 来说，1kΩ 通常能满足要求。Q1 几乎可以选择任何 N 沟道 MOSFET，如 BS170。
　　如何关闭 MOSFET
　　MOSFET 的一个重要特性是，其栅极和源极部分有点像电容器。当在栅极和源极之间施加电压时，这个电压会一直保持到放电为止。如果没有示例电路中的电阻（R1），晶体管将无法关闭。有了电阻 R1，栅极源极电容就有了放电的闭环回路，从而使晶体管再次关闭。
　　如何选择 MOSFET 晶体管
　　示例中使用的 N 通道 MOSFET 和 P 通道 MOSFET 的工作方式类似，只是电流流向相反，并且栅极到电源电压必须为负值才能打开 P 通道 MOSFET。市场上有数千种不同的 MOSFET 可供选择，若要搭建示例电路，BS 170 和 IRF 510 是常用的选择。在选择 MOSFET 时，需要记住两个重要参数：栅 - 源阈值电压，需要更高的电压才能打开晶体管；连续漏电流，即流经晶体管的电流。当然，根据具体应用，还有其他重要参数需要考虑，但本文暂不涉及。记住这两个参数，就能有一个良好的开端。
　　MOSFET 栅电流
　　如果想通过单片机、Arduino 或 Raspberry PI 等设备控制 MOSFET，还需要考虑当晶体管打开时，流进栅极的电流。如前所述，MOSFET 的栅到源部分相当于电容器，一旦充电完成，就不会有更多电流流过。但在 MOSFET 刚打开时，会有一个瞬间的电流，就像给电容器充电一样，在极短时间内可能会有大量电流流动。为了保护单片机不受过多电流的影响，需要添加一个 MOSFET 栅极电阻，通常 1000Ω 是一个合适的值，可根据具体情况结合欧姆定律进行调整。
　　为什么需要晶体管
　　一个常见的问题是，为什么需要晶体管？为什么不直接将 LED 和电阻连接到电池上呢？晶体管的优点在于可以用较小的电流或电压来控制更大的电流和电压。这在控制电机、大功率 LED、扬声器、继电器等设备时非常有用。例如，从 Raspberry PI、Arduino 或微控制器等板卡的输出引脚通常只能提供几毫安的电流和 5V 的电压，若要控制 110V 的室外露台灯，不能直接从引脚供电，此时可以通过继电器来实现，但继电器通常需要比引脚所能提供的更多电流，因此需要一个晶体管来控制继电器。此外，晶体管在更简单的传感器电路中也很有用，如光传感器电路、触摸传感器电路或 H 桥电路等。可以说，晶体管几乎应用于所有电路中，是电子学中重要的部件之一。
　　晶体管作为放大器
　　晶体管不仅可以处于开 / 关两种状态，还可以在 “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（或漏源）部分产生更强的信号，从而实现小信号的放大。例如，一个简单的放大器可以驱动扬声器，输入电压越高，从基极到发射极的电流越高，通过扬声器的电流也越高。不同的输入电压会使扬声器中的电流发生变化，从而产生不同高低的声音。
　　BJT 和 MOSFET 的区别
　　控制类型：BJT 晶体管是电流型器件，而 MOSFET 是电压型器件。
　　功耗：BJT 功耗较大，这极大地限制了其在集成电路中的应用；场效应管（MOSFET）功耗小，在集成电路中得到广泛应用。
　　输入电阻：场效应管栅极基本不取电流，而 BJT 的基极总要吸取一定的电流，因此场效应管的输入电阻比 BJT 晶体管的输入电阻高。
　　导通电阻：BJT 晶体管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧，在现代用电器件中，场效应管常用作开关，效率较高。
　　噪声系数：场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比高的电路中，通常选择场效应管。
　　导电方式：BJT 晶体管是双极性的，内部导电方式包括空穴和载流子；场效应管是单极性的，导电方式为空穴或载流子。