在電子設(shè)計領(lǐng)域，三極管 BJT（雙極型晶體管）是一種極為重要的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于各類電子電路中。本篇將作為手把手教學(xué)的電子設(shè)計入門教程硬件類博客，側(cè)重針對電子設(shè)計中的三極管 BJT 硬件電路進行詳細(xì)介紹，包含 PNP 型與 NPN 型三極管，希望能給讀者朋友的工程項目提供一些幫助。
三極管，全稱雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT），是電子電路中常用的半導(dǎo)體器件。它有三個引腳，分別為發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector），能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大或者開關(guān)控制的功能，是電子技術(shù)中的基本組件之一。三極管主要分為兩種類型：NPN 型與 PNP 型。NPN 型三極管由一個 P 型半導(dǎo)體夾在兩個 N 型半導(dǎo)體之間構(gòu)成；PNP 型則由一個 N 型半導(dǎo)體夾在兩個 P 型半導(dǎo)體之間構(gòu)成。
圖 1 三極管結(jié)構(gòu)示意圖
- NPN 型概述
NPN 型三極管是常見的三極管類型之一，由一個 P 型半導(dǎo)體材料夾在兩個 N 型半導(dǎo)體材料之間構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)包含三個部分：- 發(fā)射極（Emitter）：通常標(biāo)有箭頭的那一端，箭頭指向外部，表示電子的流動方向。
- 基極（Base）：位于發(fā)射極和集電極之間，非常薄，用于控制從發(fā)射極到集電極的電流。
- 集電極（Collector）：接收從發(fā)射極穿過基極的電子。
圖 2 NPN 型三極管結(jié)構(gòu)
NPN 型三極管工作原理
當(dāng)在基極和發(fā)射極之間施加一個正向偏置電壓時，會有基極電流產(chǎn)生。這個基極電流會控制從發(fā)射極到集電極的電流，使得集電極電流隨著基極電流的變化而變化，從而實現(xiàn)電流放大的功能。
NPN 型電路講解
在實際電路中，NPN 型三極管可以用于放大電路、開關(guān)電路等。例如，在放大電路中，通過合理設(shè)置偏置電路，可以使三極管工作在放大狀態(tài)，將輸入的小信號放大為較大的信號。
- PNP 型概述
PNP 型三極管由兩個 N 型半導(dǎo)體材料夾著一個 P 型半導(dǎo)體材料構(gòu)成。與 NPN 型三極管相比，其工作原理類似，但偏置電壓和電流的方向相反。其結(jié)構(gòu)同樣包含三個部分：- 發(fā)射極（Emitter）：通常標(biāo)有箭頭的一端，箭頭指向內(nèi)部，表示空穴的流動方向。
- 基極（Base）：位于發(fā)射極和集電極之間，控制從發(fā)射極到集電極的電流。
- 集電極（Collector）：接收從發(fā)射極穿過基極的空穴。
圖 3 PNP 型三極管結(jié)構(gòu)
PNP 型三極管工作原理
當(dāng)在基極和發(fā)射極之間施加一個反向偏置電壓時，會有基極電流產(chǎn)生，進而控制集電極電流，實現(xiàn)電流放大或開關(guān)控制的功能。
PNP 型電路講解
PNP 型三極管在電路中的應(yīng)用與 NPN 型類似，也可用于放大電路和開關(guān)電路等。在開關(guān)電路中，當(dāng)三極管處于飽和狀態(tài)時，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)處于截止?fàn)顟B(tài)時，相當(dāng)于開關(guān)斷開。
- 三極管的工作狀態(tài)
三極管是以基極 b 電流 Ib 來驅(qū)動流過集電極 c 和發(fā)射極 e 電流的 IC 器件，其工作狀態(tài)有四個：放大、截止、飽和、倒置。- 截止?fàn)顟B(tài)（Cutoff Region）
特點：基極電流（IB）接近于零，集電極電流（IC）也接近于零，集電極 - 發(fā)射極之間相當(dāng)于開路，幾乎沒有電流流過。應(yīng)用：作為開關(guān)使用時，截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開關(guān)斷開。 - 放大狀態(tài)（Active Region）
特點：基極電流（IB）足夠大，能控制集電極電流（IC），但不足以使三極管飽和。集電極電流（IC）與基極電流（IB）之間存在一定的比例關(guān)系，這個比例稱為電流放大系數(shù)（β 或 hFE）。集電極 - 發(fā)射極之間存在一定的電壓降，三極管能夠放大輸入信號。應(yīng)用：作為放大器使用，可以放大電流或電壓信號。 - 飽和狀態(tài)（Saturation Region）
特點：基極電流（IB）非常大，三極管的集電極 - 發(fā)射極之間的電壓降接近于零。集電極電流（IC）達到值，不再隨基極電流的增加而增加。三極管失去放大能力，但可以流過較大的電流。應(yīng)用：作為開關(guān)使用時，飽和狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)閉合。 - 狀態(tài)轉(zhuǎn)換（State transition）
從截止到放大：當(dāng)基極電流增加到一定程度，三極管開始導(dǎo)通，進入放大狀態(tài)。從放大到飽和：繼續(xù)增加基極電流，三極管的集電極 - 發(fā)射極電壓降會進一步減小，終進入飽和狀態(tài)。從飽和到放大：減少基極電流，三極管從飽和狀態(tài)退出，回到放大狀態(tài)。從放大到截止：進一步減少基極電流，三極管將進入截止?fàn)顟B(tài)。
集 / 基 / 射電壓關(guān)系為 IE = IB + IC，IC = β * IB。如果 IB = 0，那么 IE = IC = 0。對于 NPN 型三極管，電流從基極 / 集電極流進，發(fā)射極流出。當(dāng) IB = 0 時，IC→0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng) IB > 0 時，IB 輕微的變化會在 IC 上以幾十甚至上百倍放大表現(xiàn)出來；當(dāng) IB 很大時，IC 達到值，不能繼續(xù)隨 IB 的增大而增大，三極管失去放大功能，表現(xiàn)為開關(guān)導(dǎo)通。
三極管的選型
在選擇 PNP 型與 NPN 型三極管時，需要考慮以下幾個問題：
- 耐壓是否足夠，以確保三極管在電路中能夠承受相應(yīng)的電壓。
- 負(fù)載電流是否夠大，滿足電路的電流需求。
- 速度是否夠快（有時可能需要慢速），適應(yīng)電路的工作頻率。
- B 極控制電流是否足夠，保證三極管能夠正常工作。
- 有時可能需要考慮功率問題，避免三極管因功率過大而損壞。
- 有時要考慮漏電流問題，確保三極管能夠 “完全” 截止。
- 一般情況下，對增益的要求不是很高，但在某些特殊應(yīng)用中也需要考慮。
三極管放大電路的功率增益
- 3 種放大電路的性能綜述：三極管放大電路主要有共發(fā)射極、共集電極和共基極三種類型，每種類型都有其獨特的性能特點，如電壓增益、電流增益、輸入輸出阻抗等。
- 中國三極管放大倍數(shù)的標(biāo)記方法：在中國，三極管放大倍數(shù)通常有特定的標(biāo)記方法，方便用戶在選型時了解三極管的放大性能。
