模拟电子知识总结：三极管原理与应用

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一、三极管是什么？

具有三个引脚的器件其实都可以称为三极管，本文讨论的三极管特指双极型晶体管 BJT （Bipolar Junction Transistor），它是一种具有电流放大作用的流控器件。

二、发展历史

1947年，世界上第一个晶体管于贝尔实验室诞生。发明它的3位博士——巴丁、布莱顿和肖克莱因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的诞生标志着电子管时代的终结，世界从此进入晶体管的时代！

三、结构与原理

1、内部结构

三极管可以想象为一对二极管的P区相连，与二极管不同的是，三极管的三个区掺杂浓度是不一样的，发射区（Emitter）掺杂浓度远高于基区(Base)和集电区(Collector)，集电区的掺杂浓度最低。

故三个区的掺杂浓度大小关系为：E>>B>C。

B区很薄，为什么？为了让发射区的自由电子更容易进入集电区。

B区浓度很低，为什么？是为了形成更小的基极电流。这样才能有更多的自由电子流向集电区。
B区浓度很高的话，发射区的自由电子进入基区流走就会很容易，这样进入集电区的电子就少了。

E区的浓度高，为什么？是为了保证有足够多的自由电子进入BC区。

2、工作原理

首先给CE之间加电压，无论正接还是反接都不能导通，因为从宏观上看，三极管相当于两个背对背的二极管。

为了让CE导通，我们给BE接上电压。

在BE间电压的带动下，E区的自由电子源源不断流向B区。然而B区掺杂浓度很低且B区很薄，基区短时间内吸收不了这么多电子，只有一少部分电子与空穴复合形成基极电流，而大部分被吸引到了C区，形成集电极电流。

基极电流越大，流到基区的自由电子越多，更多的自由电子流向集电极，形成更大的集电极电流。这就是三极管小电流控制大电流的原理。

四、伏安特性

1、三极管输入特性

即VCE不变，iB与VBE之间的关系，由于BE相当于一个二极管，故三极管的输入特性与二极管的正向特性相似：当VBE<0.7V时，IB增长缓慢，当VBE>0.7V时，IB呈指数增加。

2、三极管的输出特性

即iB不变时，IC与VCE之间的关系。

当Ib为0时（或VB<0.7V），三极管截止。VCE再大，IC始终近似为0。

如下图所示，VB=5V,VCC=0V，此时相当于阀门已经打开，但水箱里没有水，此时三极管处于饱和状态。逐渐增大VCC电压（但VCE<VBE），水箱中开始有了水，此时Vce和Ic都随着VCC的增加而增加。在此期间Ic变化很大，Vce变化很小。

VCC继续增大，当VCE超过0.7V，此时Vc>Vb（对硅管而言是如此），三极管进入放大状态，此时Vce变化加剧，Ic则不怎么变化，此时Ic ≈（100~200）Ib。

如果VCC进一步增大，三极管被击穿。

怎么知道三极管能承受多大电压呢？查数据手册。

五、答疑

1、把两个二极管背靠背焊接在一起，能否当三极管用？

答：不能，因为B区太厚，电子还没穿过就被复合了。

2、为什么VB要大于一个电压阈值，三极管才能导通？

答：因为BE相当于组成一个PN结，PN结在扩散和漂移作用下形成一个内建电场，该电场电势差即为阈值电压，只有高于此阈值，电子才有足够的能量跨越势垒区形成电流，有了电流，三极管也才能导通。
对于硅，阈值电压为0.6V~0.8V；
对于锗，阈值电压为0.2V~0.3V；

3、VBE一定时，VCE增加到一定值，为什么IC就几乎不变了？

答：因为在VBE的作用下，被带动的电子是一定的，VCE再大，也最多使全部的被带动电子（还要减去IB）流向C区。因此VCE大到一定程度，IC就几乎不变了。

4、三极管是电流控制型器件体现在哪里？

答：（1）只有产生了基极电流（光有电压还不行，一定得产生电流），三极管才会导通
（2）每一个IB都对应一个饱和IC。
即IB不仅控制了三极管能不能导通，还控制了导通电流上限。

5、为什么硅管比锗管普遍？

答：现在使用的三极管几乎都是硅三极管。因为锗三极管热稳定性差，漏电大（主要是其Iceo这个参数太差）故现在锗三极管已很少使用。锗管的优点就是饱和压降小。这两种管子的显著区别就是锗管的发射结、集电结压降在0.2~0.25V左右，而硅管的上述压降一般都在0.5-0.7V。

6、NPN与PNP的区别？

答：NPN：用 B→E 的电流（IB）控制 C→E 的电流（IC）。E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即 VC > VB > VE；

PNP：用 E→B 的电流（IB）控制 E→C 的电流（IC）。E极电位最高，且正常放大时通常C极电位最低，即 VC < VB < VE。

两种三极管满足相同的基尔霍夫电流定律：
IE=IB+IC

下图中，NPN三极管输入高电平时，三极管导通；PNP三极管输入低电平时，三极管导通。

六、应用

1、三极管开关

如果只是用三极管当开关用，如下图，则让三极管处于截止和饱和状态，饱和状态Vce很小，12V电压能更多地加在风扇上。

这里更加详细地介绍怎么配置参数让三极管处于截止和饱和状态：

假设三极管β=50，最大IC电流为500mA,BE压降为0.6V。

当Vb<0.6V，BE的PN结不导通，三极管截止。

当Vb>0.6V，BE的PN结导通，此时产生基极电流
                            Ib=(Vin-0.6)/R1
如果三极管处于放大区，则
                            Ic=βIb
由于最大IC电流为500mA，即饱和电流为500mA，可得三极管处于临界饱和点时
                            Ib=500/50=10mA
Ib只要小一点，三极管就进入放大区。

在该临界状态下，可以算出相应的限流电阻R1的值（假设Vin=5V）：
                            R1=(Vin-0.6)/Ib=(5-0.6)/10=440Ω
R1只要大一点，Ib就小了，三极管就进入放大区了。

因此R1要选稍小于440Ω的，就可以让三极管处于饱和区。但R1也不能太小，否则电流太大，烧坏三极管。

2、电流放大

如果用于放大电流，则让三极管处于放大状态，放大倍数多少也得看数据手册。

参考资料

1、三极管是如何工作的
https://www.bilibili.com/video/BV12x41187RN?from=search&seid=1704254124699802222&spm_id_from=333.337.0.0
2、三极管是如何导电？超形象动画让你一看就懂！https://www.bilibili.com/video/BV1kv411574Y?from=search&seid=16476055373983643365&spm_id_from=333.337.0.0>
3、三极管应用，控制一个LED灯的开关
https://www.bilibili.com/video/BV1ah411J7Yd?spm_id_from=333.999.0.0
4、《模拟电子学基础》
5、https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/107373558
6、https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTM2NzUxOA==&mid=2651570973&idx=2&sn=72c64c4b87d04252074311b09b39cedf&chksm=844bff2cb33c763a053f15b64f8d2e4e76a064c22a41c0b11520f95306ec60342c6b2d3dcca5&scene=27