三极管原理介绍

三极管

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不同封装

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基本定义

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管(BJT)、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。

三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

实质上就是一块半导体基片上的两个PN结将其隔成基区、发射区和集电区，从而引出基极、发射极和集电极三个电极。

分类

按结构可将其分为NPN型和PNP型。

按材质分可以分为硅管和锗管

按照频率分为低频管和高频管

按照功率分为小功率管、中功率管和大功率管

示意图

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三个区的特点

NPN：

基区：P型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

发射区：N型半导体，杂质浓度很高，自由电子很多，引出发射极e

集电区：N型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极c

PNP：

基区：N型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

发射区：P型半导体，杂质浓度很高，空穴很多，引出发射极e

集电区：P型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极c

PN结的概念

N区：四价的硅晶体中掺入五价元素形成N型半导体，自由电子为多子，空穴为少子

P区：四价的硅晶体中掺入三价元素形成N型半导体，空穴为多子，自由电子为少子

扩散电流：多子扩散形成扩散电流

漂移电流：少子漂移形成漂移电流

理解NPN三极管工作原理

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1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流le

由于发射结加正向电压，又因为发射区的杂质浓度高，自由电子很多，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区，形成发射极电流le

（若加反向电压，则发射结截止，没有电流通过，电流为0）

2、扩散到基区的自由电子与空穴复合形成基极电流lb

由于基区很薄，杂质浓度很低，所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与空穴符合，形成微弱的基极电流lb

3、集电结加反向电压，飘移运动形成集电极电流lc

由于集电结加反向电压且结面积很大，基区的非平衡少子(主要为发射极扩散过来的，未与空穴复合的大量自由电子)在外电场的作用下越过集电结达到集电区，形成漂移电流lc

（少子靠漂移运动到集电结，所以要加反向电压）

电流放大关系

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分析上面工作原理可知，发射极扩散出的自由电子，一部分与基极的空穴复合，一部分漂移至集电区，因此，le= lb+lc

此外，对于掺杂浓度确定的晶体管，发射极扩散出的自由电子与基极的空穴数量都是固定的，而且有一定的比例关系，我们可以定义为晶体管的放大倍数β，则 le = β * lb

如此，得出这样的公式：β* lb = lb+lc >> β =1 +lc/lb 由于 lc/lb >> 1 得出 β = Ic/lb

当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Eb。

集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：

β1= △Ic/△Ib

式中β1–称为交流电流放大倍数

β的值并不是越大越好

从c到e存在一个有害电流，称为I_ceo ，只要β值增大，I_ceo的值就会增大，且I_ceo不受Ib控制，I_ceo受温度影响较大，当温度升高时会对放大电路造成很大的影响

输入特性曲线

输入特性曲线：描述的是Uce一定时，Ib与Ube之间的函数关系

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分析：

Uce = 0V，曲线类似于PN结的伏安特性曲线

Uce增大时，曲线将右移，因为发射结扩散至基区的自由电子部分漂移至集电极，使得lb减小，获得同样的lb，需要增大Ube。

输出特性曲线（应用较多）

描述基极电流lb一定的情况下，集电极电流lc与管压降Uce之间的函数关系,

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对于每一个确定的lb，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当Uce从0逐渐增大时，集电极电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因此Ic也逐渐增大。但是，当Uce增大到一定数值时，集电极电场足以将基区的非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，Uce再增大，收集能力已不能明显提高，曲线几乎平行于横轴，此时Ic几乎仅仅决定于与lb，表现出放大特性。

从输出特性曲线看，晶体管有三个工作区间:

1、截止区：

发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，即Ube<Uon且Uce>Ube。此时lb≈0，lc≈0

2、放大区：

发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置，即Ube>Uon且Uce>Ube。此时lc仅仅取决于lb, lc =β * lb

当Ib一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的，当Uce超过1V时，这些电子的大部分已经被集电极收集形成了Ic，当Uce继续增加，Ic也不再有明显的增加，具有恒流特性。在此区域，Ib跟Ic是呈线性放大关系的，也就是三级管的放大作用

3、饱和区：

发射结电压大于开启电压且集电结正向偏置，即Ube>Uon且Uce<Ube。此时Ic不仅仅与lb有关，而且随Uce的增大而增大，lc < β * lb

当Ube大于零且大于死区电压时，三极管的Ib开始出现了。当Uce<Ube时集电极处于正偏，不利于基区电子的收集，所以此时基本上不随基极电流而变化，这种现象称为饱和。在饱和区失去了放大作用。

注意：放大区一般用在模拟电路，对信号进行放大；截止区和饱和区一般用在数字电路，类似开关

PNP三极管工作原理

PNP晶体管与NPN晶体管的工作原理基本类似，区别是PNP晶体管靠空穴导电，电流方向不同，应用电路也不同。

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1、发射结加正向电压，发射区E的空穴非常多，便会通过扩散运动到基区B，形成电流IE（注意电流方向）

2、空穴与基区B的电子复合，产生电流IB

3、由于基区B未与电子复合的空穴还很多，所以在集电结加反向电压时，空穴会往集电区移动，形成电流IC

注意：因为NPN和PNP三极管的电流方向不同，所以应用也不同，NPN三极管发射极e一般接GND，称为低端驱动；PNP三极管发射机e一般接VCC，称为高端驱动

参数

1、Icm是集电极最大允许电流。三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数β将下降。为此规定三极管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。所以在使用中当集电极电流IC超过ICM时不至于损坏三极管，但会使β值减小，影响电路的工作性能。

2、Vceo是三极管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压。如果在使用中加在集电极与发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的集电极电流，这种现象叫击穿。三极管击穿后会造成永久性损坏或性能下降。

3、Pcm悬集电极最大允许耗散功率。三极管在工作时，集电极电流在集电结上会产生热量而使三极管发热。若耗散功率过大，三极管将烧坏。在使用中如果三极管在大于PCM下长时间工作，将会损坏三极管。需要注意的是大功率三极管给出的最大允许耗散功率都是在加有一定规格散热器情况下的参数。使用中一定要注意这一点。

4、特征频率ft。随着工作频率的升高，三极管的放大能力将会下降，对应于β=1时的频率ft叫作三极管的特征频率

封装形式

TO-92 SOT-23 SOT-223 TO-220等

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用万用表判断三极管的类别和极性

1、判断集电极和发射极

判断集电极c和发射极e：仍将万用表欧姆挡置"R×1k"处，以NPN管为例，把红表笔接在假设的集电极c上，黑表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极（不能使b、c直接接触)，通过人体，相当b、c之间接入偏置电阻，读出万用表所示的阻值，然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小，说明原假设成立，因为c、e间电阻值小说明通过万用表的电流大，偏置正常。万用表都有测三极管放大倍数(Hfe）的接口，可以估测一下三极管的放大倍数。

2、判断类别（NPN型还是PNP型）

用数字式万用表判断基极b和三极管的类型：将万用表欧姆挡置"R×1k"处，先假设三极管的某极为"基极"，并把红表笔接在假设的基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧)，则假设的基极是正确的，且被测三极管为NPN 型管；如果两次测得的电阻值都很大(约为几千欧至几十千欧)，则假设的基极是正确的，且被测三极管为 PNP型管。如果两次测得的电阻值是一大一小，则原来假设的基极是错误的，这时必须重新假设另一电极为"基极"，再重复上述测试。

三极管的放大电路

共基极电路

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共射极电路

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共集电极电路

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共射极电路放大电路的电流增益和电压增益均较其它两种放大电路大因此多用作信号放大使用。

三极管用作信号开关

实际应用时，三极管常作开关使用，放大电路使用集成运放。

此时，用作开关时，三极管工作在截止区与饱和区。因为开关是有损耗的，所以要求开关工作时的功率要尽可能的小

截止区，Ic≈0，此时，功率P=lc * Uce，功率P很小

饱和区，Uce深度饱和电压很小，功率P=lc * Uce相对也很小（Ic电流如果太大，功率也会变大，电流太大的话可以考虑用MOS管作开关）

1、NPN三极管用作信号开关

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S8050工作在截止区，要求Uce < Uon（0.7V，管压降），单片机GPIO口输出低电平，则可以工作在截止区

S8050工作在饱和区，要求饱和压降Uc为0.1V，LED灯压降为2.1V，则流过电阻R63的电流Ic为：（3.3V - 2.1V - 0.1V）/470Ω = 0.0023A = 2.3mA

工作在饱和区要求Ic要远小于β * lb，β值一般根据型号而固定，8050可认为是100，则Ib = Ic / β = 0.0023A/100 = 0.000023A=0.023mA

GPIO口电压为3.3V，电阻R52为1K，三极管压降为0.7V，则流过电阻R52的电流为I = (3.3V - 0.7V) / 1k = 2.6mA，由于电阻R53与三极管Q1并联，并联分流，所以有一部分电流流向可三极管，一部分流向了电阻R53，因为并联，所以R53的电压与三极管同为0.7V，那流过电阻R53的电流 I = U/R = 0.7V / 10k = 0.00007A = 0.07mA，所以流向三极管的电流Ib = 2.6mA - 0.07mA = 2.53mA

而β * lb = 100 * 2.53mA = 253mA，远大于Ic的2.3mA，所以限流电阻R52取1K可以让三极管工作在饱和区，可根据电路需求调整限流电阻的阻值

2、PNP三极管用作信号开关

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