【硬件介绍】三极管工作原理（图文+典型电路设计）

news2025/1/31 8:06:17

什么是三极管？

三极管，全称为双极型晶体三极管，是一种广泛应用于电子电路中的半导体器件。它是由三个掺杂不同的半导体材料区域组成的，这三个区域分别是发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。

三极管全称是“晶体三极管”，也被称作“晶体管”，是一种具有放大功能的半导体器件。通常指本征半导体三极管，即BJT管。

三极管有哪三极？

基极：用于激活晶体管。（名字的来源，最早的点接触晶体管有两个点接触放置在基材上，而这种基材形成了底座连接。）
集电极：三极管的正极。（因为收集电荷载体）
发射极：三极管的负极。（因为发射电荷载流子）

三极管的分类

三极管的应用十分广泛，种类繁多，分类方式也多种多样。

分类方式	三极管
根据结构	PNP型三极管
根据结构	NPN型三极管
根据功率	小功率三极管
	中功率三极管
	大功率三极管
根据工作频率	低频三极管
根据工作频率	高频三极管
根据封装形式	金属封装型
根据封装形式	塑料封装型
根据PN结材料	锗三极管
根据PN结材料	硅三极管

三极管工作原理

PNP

PNP是一种BJT，其中一种n型材料被引入或放置在两种p型材料之间。在这样的配置中，设备将控制电流的流动。PNP晶体管由2个串联的晶体二极管组成。二极管的右侧和左侧分别称为集电极-基极二极管和发射极-基极二极管。

NPN

NPN中有一种 p 型材料存在于两种 n 型材料之间。NPN晶体管基本上用于将弱信号放大为强信号。在 NPN 晶体管中，电子从发射极区移动到集电极区，从而在晶体管中形成电流。这种晶体管在电路中被广泛使用。

三极管的三种状态

三极管的三种基本工作状态分别是截止状态、放大状态和饱和状态。

状态	集电极电流 (I_C)	集电极-发射极电压 (V_CE)	基极电流 (I_B)	功能用途
截止状态 (Cut-off)	接近于0	高（接近电源电压）	接近于0	开关“关闭”，不导电
放大状态 (Active)	依赖于I_B，且I_C = β * I_B	中等（不为0，也不饱和）	足够大以维持放大状态	信号放大
饱和状态 (Saturation)	最大值	接近于0	足够大以使三极管饱和	开关“打开”，几乎完全导通

截止状态

当三极管处于截止状态时，就像是一个完全关闭的水龙头，不管电源电压有多高，由于基极没有足够的电流来“打开”三极管，集电极和发射极之间几乎不会有电流流过。这就好比水龙头关闭后，水管内虽然有水压，但水不会流出一样。

水龙头（三极管）：完全关闭，没有水流（电流）通过。
水源（电源）：即使水压（电压）很高，由于水龙头关闭，水（电流）还是无法流出（流过三极管）。
水龙头把手（基极）：没有转动（没有足够的电流输入），因此水龙头保持关闭状态（三极管保持截止状态）。

截止状态下，集电极与发射极之间是不导通的，相当于开关的断开。

放大状态

当三极管处于放大状态时，就像是一个部分开启的水龙头，基极电流就像是控制水龙头把手的力量。即使基极电流很小，它也能有效地控制集电极电流的大小。这意味着，通过基极的微小变化，可以放大并控制流过集电极和发射极之间的电流。这就好比通过轻微转动水龙头把手，可以控制大量的水流一样。在放大状态下，三极管能够将基极的小电流变化转换成集电极的大电流变化，实现信号的放大。

水龙头（三极管）：部分开启，允许水流（电流）通过，但流量（电流大小）可以通过水龙头把手（基极电流）来调节。
水源（电源）：提供恒定的水压（电压），水龙头的开启程度决定了水流（集电极电流）的大小。
水龙头把手（基极）：轻微转动（输入较小的基极电流），可以显著改变水龙头开启的程度（放大并控制集电极电流）。

在处于放大状态下，流过集电极的电流 $I_{C}$ 大小受到基级电流 $I_{B}$ 控制，他们具体关系如下：

$I_{C}=\beta I_{B}$

放大状态下，集电极与发射极之间会有一定电压降，压降大小，需要具体分析电路

饱和状态

在饱和状态下，三极管的基极电流足够大，以至于它使得三极管的集电极和发射极之间的通道完全导通，就像水龙头完全打开一样。这时候，集电极电流达到了由外部电路（如电源电压和负载电阻）决定的极限值，不再随基极电流的增加而增加。在电子电路中，这通常意味着三极管已经不能再放大信号，因为它已经处于最大导通状态，就像水龙头不能再提供更大的水流一样。饱和状态常用于开关电路中，用来实现“开”或“关”的控制。

水龙头（三极管）：完全打开，水流（集电极电流）达到最大值，无法通过进一步打开水龙头（增加基极电流）来增加水流。
水源（电源）：提供的水压（电压）是恒定的，但是水龙头的最大开启程度限制了水流的最大值。
水龙头把手（基极）：即使你继续旋转把手（增加基极电流），水流（集电极电流）也不会再增加，因为水龙头已经完全打开，达到了它的饱和状态。

饱和状态下，集电极与发射极之间压降 $U_{CE}$ 很小，约0.1V，相当于开关闭合。

三极管的功能应用

三极管是一种电流放大器件，可制成交流或直流信号放大器，由基极输入一个很小的电流从而控制集电极输出很大的电流，如下图所示：

NPN三极管放大电路

PNP三极管放大电路

三极管开关电路

开启过程：当基极B接收到一个高电平信号时，基极电流通过R1流到三极管的基极，三极管进入饱和状态，集电极和发射极之间导通，负载工作。
关闭过程：当基极B接收到一个低电平信号时，基极电流被切断，三极管进入截止状态，集电极和发射极之间断开，负载停止工作。

注意事项

三极管开关电路的设计需要考虑三极管的电流和电压规格，确保不会超过最大额定值。
基极电阻的选择很重要，它决定了三极管导通和截止的灵敏度。
在实际应用中，可能还需要考虑电路的噪声、温度变化等因素对三极管开关性能的影响。

典型电路设计（以S8050为例）

S8050是一款常见的NPN型双极晶体三极管，广泛应用于各种电子电路中。以下是S8050三极管的一些主要参数和特点：

类型：NPN型。
集电极-基极电压（Vcbo）：最大40V。
集电极-发射极电压（Vceo）：最大25V。
发射极-基极电压（Vebo）：最大6V。
集电极电流（Ic）：最大1.5A。
总功耗（Ptot）：625mW。
电流增益（hFE）：在100mA时，介于120至400之间。
转换速度：可达300MHz。
工作温度范围：从-55℃至150℃。
丝印：通常标记为J3Y。