电子设计入门教程硬件篇之三极管BJT（四）

前言：本文为手把手教学的电子设计入门教程硬件类的博客，该博客侧重针对电子设计中的硬件电路进行介绍。本篇博客将根据电子设计实战中核心器件之一的三极管进行详细讲解，包含：PNP型与NPN型三极管。电子设计实践中的三极管是嵌入式工程师绘制功能性电路时很常见的电子器件，希望这篇博文能给读者朋友的工程项目给予些许帮助，Respect！

一、三极管简述

三极管，全称双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT），是一种广泛应用于电子电路中的半导体器件。它具有三个引脚，分别称为发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。三极管能够实现电流放大或者开关控制的功能，是电子技术中的基本组件之一。三极管的类型主要有两种：NPN 型与 PNP 型三极管。其中，NPN 型三极管：由一个P型半导体夹在两个N型半导体之间构成，PNP型：由一个N型半导体夹在两个P型半导体之间构成。

★三极管核心作用：

1、放大功能：小电流微量变化，在大电流上放大表现出来；

2、开关功能：以小电流控制大电流的通断；

二、NPN 型三极管

2.1 NPN 型概述

NPN 型三极管是由一个 P 型半导体材料夹在两个 N 型半导体材料之间构成的，它是最常见的三极管类型之一。以下是 NPN 型三极管的结构包含 3 个部分：1、发射极 Emitter：通常标有箭头的那一端，箭头指向外部，表示电子的流动方向；2、基极 Base：位于发射极和集电极之间，非常薄，控制从发射极到集电极的电流；3、集电极 Collector：接收从发射极穿过基极的电子，如下图所示：

NPN 型三极管常用型号：8050、9013、9014 与 9018 等；

2.2 NPN 型三极管工作原理

★NPN 三极管的工作原理是利用基极 b 来的微小电流来控制整个三极管的输出的！

当存在微小电流从基极 b 流到发射极 e 时，则 NPN 型三极管的集电极 c 到发射极 e 这条路成功导通，大电流将能从集电极 c 流到发射极 e；

2.3 NPN 型电路讲解

如上图所示为十分常见的 NPN 型三极管控制 LED 灯亮灭的简单电路，内容如下：当基极 b 处的电路导通时候，电流将成功从基级 b 流向发射极 e（利用存在的 1k 电阻控制该电流大小），从而使得电流可以从集电极 c 流向发射极 e ，这样的情况下 LED 灯将被成功点亮！注：这里的 LED 灯亮灭以及点亮程度直接收到电阻阻值的影响！

三、PNP 型三极管

 3.1 PNP 型概述

PNP 型三极管是由两个N型半导体材料夹着一个P型半导体材料构成的晶体管。与 NPN 型三极管相比，PNP 型三极管的工作原理类似，但是其偏置电压和电流的方向是相反的。 以下是 PNP 型三极管的结构包含 3 个部分：1、发射极Emitter：通常标有箭头的端，箭头指向内部，表示空穴的流动方向。2、基极Base：位于发射极和集电极之间，非常薄，控制从发射极到集电极的电流。3、集电极Collector：接收从发射极穿过基极的空穴。

PNP 型三极管常用型号：2N4403、2N3906、BC557 与 BC516等；

3.2 PNP 型三极管工作原理

★PNP 三极管的工作原理是利用基极 b 来的微小电流来控制整个三极管的输出的！

当存在微小电流从发射极 e 流到基极 b 时，则 PNP 型三极管的发射极 e 到集电极 c 这条路成功导通，大电流将能从发射极 e 成功流向集电极 c；

★PNP 型与 NPN 型三极管的区别： 

1、结构上的区别： NPN型三极管：由一个P型半导体（基极）夹在两个N型半导体（发射极和集电极）之间构成。 PNP型三极管：由一个N型半导体（基极）夹在两个P型半导体（发射极和集电极）之间构成。

2、偏置电压的区别： NPN型三极管：需要正偏置电压加在基极和发射极之间，而基极和发射极之间是反向偏置。 PNP型三极管：需要负偏置电压加在基极和发射极之间，而基极和集电极之间是正向偏置。

3、电流方向的区别： NPN型三极管：电流从集电极流向发射极（外部电路），基极电流是从基极流向发射极。 PNP型三极管：电流从发射极流向集电极（外部电路），基极电流是从发射极流向基极。

4、电源连接的区别： NPN型三极管：集电极通常连接到正电源，发射极连接到负电源或地。 PNP型三极管：集电极通常连接到负电源，发射极连接到正电源。

5、应用上的区别： NPN型三极管：在数字电路中更常见，因为它们通常与正地（GND）连接，这使得电路设计更为简单。 PNP型三极管：在某些特定的应用中更为合适，例如需要从正电源拉出电流的场合，或者与NPN型三极管构成互补对称电路。

6、开关行为的区别： NPN型三极管：在截止状态下，集电极和发射极之间相当于开路；在饱和状态下，相当于闭合的开关。 PNP型三极管：在截止状态下，集电极和发射极之间相当于开路；在饱和状态下，相当于闭合的开关，但电流方向与NPN型相反。

3.3 NPN 型电路讲解

如上图所示为十分常见的 PNP 型三极管控制 LED 灯亮灭的简单电路，内容如下：（1）当发射极 e与基极 b 之间存在微小电流时候（利用存在的 1k 电阻控制该电流大小），可以使得大电流从发射极 e 成功流向集电极 c，这样的情况下 LED 灯将被成功点亮！注：这里的 LED 灯亮灭以及点亮程度直接收到电阻阻值的影响！（2）当电阻被至于另一侧时候，无法使得发射极 e 与基极 b 之间产生微小电流，此时 LED 灯将不能被点亮！

四、三极管的电气属性

4.1 三极管的工作状态

三极管是一个以基极 b 电流 Ib 来驱动流过集电极 c 和发射极 e 电流的 IC 器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门，三极管的工作状态有四个：放大、截止、饱和、倒置。

截止状态（Cutoff Region）

• 特点：
  • 基极电流（IB）接近于零。
  • 集电极电流（IC）也接近于零，因为几乎没有基极电流来控制从发射极到集电极的电流。
  • 集电极-发射极之间相当于开路，没有或几乎没有电流流过。
• 应用：
  • 作为开关使用时，截止状态相当于开关断开。

放大状态（Active Region）

• 特点：
  • 基极电流（IB）足够大，可以控制集电极电流（IC），但不足以使三极管饱和。
  • 集电极电流（IC）与基极电流（IB）之间存在一定的比例关系，这个比例称为电流放大系数（β或hFE）。
  • 集电极-发射极之间存在一定的电压降，三极管能够放大输入信号。
• 应用：
  • 作为放大器使用，可以放大电流或电压信号。

饱和状态（Saturation Region）

• 特点：
  • 基极电流（IB）非常大，以至于三极管的集电极-发射极之间的电压降接近于零。
  • 集电极电流（IC）达到最大值，不再随基极电流的增加而增加。
  • 三极管失去放大能力，但可以流过较大的电流。
• 应用：
  • 作为开关使用时，饱和状态相当于开关闭合。

状态转换（State transition）

• 从截止到放大：当基极电流增加到一定程度，三极管开始导通，进入放大状态。
• 从放大到饱和：继续增加基极电流，三极管的集电极-发射极电压降会进一步减小，最终进入饱和状态。
• 从饱和到放大：减少基极电流，三极管从饱和状态退出，回到放大状态。
• 从放大到截止：进一步减少基极电流，三极管将进入截止状态。

集/基/射电压关系

IE = IB + IC
IC = β * IB
如果 IB = 0, 那么 IE = IC = 0
(注意：NPN型三极管，电流从基极/集电极流进，发射极流出，即：IE = IB + IC)

当IB=0时, IC→0 ,称为三极管处于截止状态，相当于开关断开;
当IB>0时, IB轻微的变化,会在IC上以几十甚至百多倍放大表现出来;
当IB很大时，IC变得很大，不能继续随IB的增大而增大，三极管失去放大功能，表现为开关导通。

工作状态	发射结电压Ube	集电结电压Ubc
放 大	正 偏	反 偏
截 止	反 向	反 向
饱 和	正 向	正 向
倒 置	反 向	正 向

4.2 三极管的选型

PNP 型与 NPN型三极管需要考虑的问题： 
1）耐压够不够 
2）负载电流够不够大 
3）速度够不够快（有时却是要慢速） 
4）B极控制电流够不够 
5）有时可能考虑功率问题 
6）有时要考虑漏电流问题（能否“完全”截止）。
7）一般都不怎么考虑增益（我的应用还没有对此参数要求很高）

4.3 三极管放大电路的功率增益

1、3种放大电路的性能综述

2、中国三极管放大倍数的标记方法

五、粉丝交流群

嵌入式交流群 1 群：958820627（可能已满）；嵌入式交流群 2 群：876919359（可能已满）；嵌入式交流群 3 群：957431539（推荐加入）。欢迎加群，有问题可以群内分享技术交流，秋招和春招会有诸多大厂内推码或者内推名额推荐。希望大家友好讨论技术知识！！！ 

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