三極管工作原理及 NPN 和 PNP 型三極管介紹

一、三極管的工作原理

三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，也用作無觸點(diǎn)開關(guān)，是電子電路的核心元件。

三極管由兩個(gè) PN 結(jié)組成，這兩個(gè) PN 結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有 PNP 和 NPN 兩種。

三極管的工作原理基于對(duì)電流的控制。以 NPN 三極管為例，當(dāng)基極（B）有電流流入時(shí)，會(huì)引起發(fā)射極（E）到集電極（C）之間的電流導(dǎo)通。這是因?yàn)榛鶚O電流的存在，會(huì)改變發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置狀態(tài)，使得大量的電子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，然后這些電子在基區(qū)中擴(kuò)散，其中一部分會(huì)到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流。而 PNP 三極管的工作原理與 NPN 三極管類似，只是電流的方向相反，即基極電流流出，發(fā)射極的空穴注入到基區(qū)，然后空穴在基區(qū)擴(kuò)散，部分到達(dá)集電區(qū)形成集電極電流。

三極管有三種工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。

在截止?fàn)顟B(tài)下，加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于 PN 結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時(shí)失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)。

在放大狀態(tài)下，加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于 PN 結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。這時(shí)基極電流對(duì)集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，即集電極電流的變化量是基極電流變化量的 β 倍（β 為電流放大倍數(shù)）。

在飽和狀態(tài)下，當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于 PN 結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí)，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化。這時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。

二、NPN 型三極管

（一）原理圖

NPN 型三極管的電路符號(hào)中，箭頭從基極（B）指向發(fā)射極（E），表示電流的流向是從基極到發(fā)射極。

（二）各個(gè)引腳介紹

• 基極（B）：基極是控制三極管導(dǎo)通和截止的關(guān)鍵引腳。通過在基極施加合適的電壓或電流信號(hào)，可以控制發(fā)射極到集電極之間的電流導(dǎo)通情況。
• 發(fā)射極（E）：發(fā)射極是三極管中發(fā)射載流子（對(duì)于 NPN 三極管為電子）的電極。在工作時(shí)，電子從發(fā)射極注入到基區(qū)。
• 集電極（C）：集電極是收集從發(fā)射極經(jīng)過基區(qū)擴(kuò)散過來的載流子（電子）的電極。集電極電流的大小受基極電流的控制，當(dāng)三極管處于放大狀態(tài)時(shí)，集電極電流遠(yuǎn)大于基極電流。

（三）工作特點(diǎn)

• 當(dāng)基極電壓低于發(fā)射極電壓一定程度（通常硅管為 0.7V 左右）時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極和發(fā)射極之間基本沒有電流通過。
• 當(dāng)基極電壓高于發(fā)射極電壓且在合適范圍內(nèi)時(shí)，三極管處于放大狀態(tài)，基極電流的微小變化會(huì)引起集電極電流較大的變化。
• 當(dāng)基極電壓進(jìn)一步升高，使得集電極電流不再隨基極電流的增加而明顯增加時(shí)，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。

例如，在一個(gè)簡單的共發(fā)射極放大電路中，NPN 三極管的基極通過一個(gè)電阻連接到輸入信號(hào)源，集電極連接到負(fù)載電阻，發(fā)射極接地。當(dāng)輸入信號(hào)使基極電壓變化時(shí)，三極管的集電極電流相應(yīng)變化，從而在負(fù)載電阻上產(chǎn)生放大后的信號(hào)電壓。

三、PNP 型三極管

（一）原理圖

PNP 型三極管的電路符號(hào)中，箭頭從發(fā)射極（E）指向基極（B），表示電流的流向是從發(fā)射極到基極。

（二）各個(gè)引腳介紹

• 基極（B）：功能與 NPN 三極管的基極類似，通過控制基極的電壓或電流來影響發(fā)射極到集電極的電流。
• 發(fā)射極（E）：是發(fā)射載流子（對(duì)于 PNP 三極管為空穴）的電極，空穴從發(fā)射極注入到基區(qū)。
• 集電極（C）：收集從基區(qū)過來的載流子（空穴），集電極電流受基極電流控制。

（三）工作特點(diǎn)

• 當(dāng)發(fā)射極電壓低于基極電壓一定程度（通常硅管為 0.7V 左右）時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。
• 當(dāng)發(fā)射極電壓高于基極電壓且在合適范圍內(nèi)時(shí)，三極管處于放大狀態(tài)，此時(shí)發(fā)射極電流的變化會(huì)導(dǎo)致集電極電流相應(yīng)變化。
• 當(dāng)發(fā)射極電壓繼續(xù)升高，使集電極電流不再明顯隨發(fā)射極電流增加而變化時(shí)，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。

例如，在一個(gè) PNP 三極管的開關(guān)電路中，發(fā)射極連接到電源正極，基極通過一個(gè)電阻連接到控制信號(hào)源，集電極連接到負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)使基極電壓降低時(shí)，三極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作；當(dāng)基極電壓升高到一定程度，三極管截止，負(fù)載停止工作。

總之，NPN 和 PNP 型三極管在工作原理上相似，但在電流流向和電壓偏置條件等方面存在相反的特點(diǎn)，這使得它們?cè)诓煌碾娐分杏兄髯缘膽?yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際的電子電路設(shè)計(jì)和分析中，需要根據(jù)具體的要求和電路條件來正確選擇和使用這兩種類型的三極管。