硬件基础（3）：三极管（1）：理论基础

一、背景

二、定义

三、分类

四、工作原理

NPN三极管工作原理

基本工作原理

电流放大倍数（增益）

输入特性

1. 输入特性的基本概念

2. 输入特性曲线的形态

3. 输入特性曲线的具体分析

输出特性

1. 输出特性图的基本概念

2. 输出特性曲线的形态

2.1 截止区（Cutoff Region）

2.2 放大区（Active Region）

2.3 饱和区（Saturation Region）

2.4 斜率变化的原因

3. 输出特性图的实际应用

3.1 工作区选择

3.2 增益计算

4. 输出特性曲线的示例

五、实践应用

六、三极管的工作特性

七、总结

三极管（Transistor）是一种广泛应用于电子电路中的半导体器件，因其具有放大、开关等多种功能，成为现代电子技术的基础组件之一。接下来，我将详细介绍三极管。

一、背景

三极管的发明起源于20世纪40年代，是由美国贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利三位科学家共同发明的。1956年，三位科学家因为这项发明获得了诺贝尔物理学奖。三极管的发明被认为是电子技术的一次革命，它的出现取代了传统的电子管，体积更小、功耗更低、效率更高。

二、定义

三极管（BJT，双极型晶体管）是通过在同一个硅片上利用不同的掺杂方式形成三个区域，并在它们之间形成两个PN结，从而构成的电子元器件，其主要功能是放大信号或开关电子信号（在实际使用中三极管多用于开关功能，一般不做放大使用，因为三极管放大系数不稳定，受温度影响较大）。

三极管有三个端口：基极（B），集电极（C），发射极（E）。根据结构类型，三极管主要有两种类型：NPN型和PNP型。

NPN PNP

三、分类

根据材料和结构，三极管可以分为不同类型，常见的分类方式如下：

分类依据	分类类型	描述
材料类型	硅三极管（Si）	采用硅作为半导体材料，具有较好的稳定性和广泛应用。
材料类型	锗三极管（Ge）	采用锗作为半导体材料，具有较好的电子流动性，但耐热性较差。
工作类型	放大型三极管	主要用于信号放大，如音频放大、射频放大等。
工作类型	开关型三极管	用于信号的开关控制，如继电器、开关电源等。
结构类型	NPN型三极管	基极为P型半导体，发射极为N型半导体，集电极为N型半导体。
结构类型	PNP型三极管	基极为N型半导体，发射极为P型半导体，集电极为P型半导体。

补充：N型半导体带负电（充满自由电子），P型半导体带正电（充满空穴，空穴带正电）。

四、工作原理

三极管的工作原理主要基于半导体的电流控制特性。简言之，三极管的工作依赖于基极电流的控制作用。它的工作区域分为三个：截止区、放大区和饱和区。下面是更详细的分析：

NPN三极管工作原理

基本工作原理

基本构造与工作区域：
- NPN三极管由三个区域组成：发射极（E）、基极（B）和集电极（C），其中发射极和基极之间形成发射结，基极和集电极之间形成集电结。
  
  NPN三极管结构
电流控制：
- 三极管本身不能将小电流直接变为大电流，它的作用是通过基极电流（Ib）控制流过集电极和发射极之间的电流（Ic）。这一过程依赖于基极电流对集电极电流的放大作用。
  
  NPN PNP
  
  NPN三极管工作原理图
发射极电流（Ie）：

发射结加上正向电压（Vbe，即 Power 和 GND 之间的电压），导致发射极的电子扩散到基极区，发射极电流（Ie）是从发射极流出的电子数量。
这些电子经过发射结（发射极与基极之间的PN结）进入基区，形成发射极电流（Ie）。
Ie是由扩散运动形成的。
基极电流（Ib）：

一部分发射极的自由电子在基极区与空穴复合，形成基极电流（Ib）。
因为基极的区域非常薄，而且掺杂浓度较低，所以基极Ib电流是非常小的，通常比集电极电流（Ic）小几个数量级，
Ib是由发射极电子和基区空穴复合形成的。
集电极电流（Ic）：

另一部分发射极的自由电子并不与基极的空穴复合，而是漂移至集电区，并最终流入集电极，这部分电流就是集电极电流（Ic）。
集电结加上反向电压（Vce，即 3.3V 和 GND之间的电压），集电极电流（Ic）由集电极电源提供（3.3V提供），并且由基极电流控制。
虽然集电极电流是由外部电源（Vce）提供的，但其大小受基极电流（Ib）的控制，形成电流放大效应，基极电流越大，集电极电流也越大。
Ic是由电源Vce在Ib的控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。
能量转换作用：

三极管的作用并不是直接产生电流，而是通过对基极电流的控制，实现发射极电流和集电极电流的放大，达到能量转换的效果。集电极电流（Ic）通过电源提供，但其大小受基极电流（Ib）的控制，三极管起到控制和放大的作用。

电流放大倍数（增益）

电流关系（Ib + Ic = Ie）：
- 根据电流的连续性，发射极电流（Ie）是由基极电流（Ib）和集电极电流（Ic）组成的，即： Ie=Ib+Ic
- 这是三极管工作中的基本电流关系，表明基极电流和集电极电流是发射极电流的组成部分。
放大倍数（β）：
- 由于基极电流非常小，而集电极电流则是由基极电流控制的，对于参杂浓度确定的晶体管，发射机扩散出来的自由电子与基极的空穴数量都是固定的个，而且有一定的比例关系，我们可以定义为三极管的放大倍数（增益），通常用β来表示，这个参数称为电流增益，它表示基极电流（Ib）与集电极电流（Ic）之间的比例关系： Ic=β×Ib
- 因此，集电极电流是基极电流的放大倍数，这个倍数是三极管的一个关键特性，通常在几十到几百之间。
发射极电流与基极电流的关系（Ie = (1+β)×Ib）：
- 在NPN型三极管中，发射极电流（Ie）是基极电流（Ib）与集电极电流（Ic）之和。利用上面的公式，我们可以得出： Ie=Ib+β×Ib=(1+β)×Ib
- 这表明，发射极电流比基极电流大很多，且增加的部分正比于β。

输入特性

三极管的输入特性主要描述的是基极与发射极之间的电流-电压关系，输入特性通常是指基极电流 Ib 与基极-发射极电压 Vbe之间的关系，这是理解三极管工作原理的一个关键部分。

1. 输入特性的基本概念

三极管的输入特性反映了基极电流（Ib）与基极-发射极电压（Vbe）之间的关系。在实际应用中，输入特性图一般是在基极-发射极电压（Vbe）的变化下，观察基极电流（Ib）如何变化，这个时候Vce是一定的。

2. 输入特性曲线的形态

输入特性曲线通常为非线性曲线，其大致形态如下：

基极-发射极电压 Vbe 是决定三极管是否导通的关键参数。对于NPN型三极管，当基极-发射极电压 Vbe小于约 0.7V（硅三极管的开启电压）时，三极管的发射结是反向偏置的，几乎没有电流流入基极（即 Ib≈0）。此时，三极管处于截止区。
当 Vbe>0.7 时，发射结开始正向偏置，基极电流 Ib会迅速增加，进入放大区。此时，三极管进入放大区，基极电流与基极-发射极电压之间的关系呈指数型增长。
随着 Vbe的进一步增加，基极电流会增加，但增加的幅度会逐渐变小，因为基极电流在一定范围内受限。
Uce = 0V,曲线类似于PN结的伏安特性曲线
Uce增大时，曲线将右移，因为发射结扩散至基区的自由电子部分漂移至集电极，使得Ib减小，获得同样的lb，需要增大Ube。

3. 输入特性曲线的具体分析

对于NPN型三极管来说，输入特性可以分为以下几个区间：

截止区（Cutoff Region）：
- 电压 Vbe<0.7（对于硅材料的三极管），此时三极管的发射结反向偏置，基极电流非常小（近似为零），三极管几乎不导电，处于关闭状态。此时，Ib≈0。
放大区（Active Region）：
- 电压 Vbe>0.7 时，基极-发射极结进入正向偏置，基极电流会随 Vbe增加而呈指数型增加。在这个区域，基极电流与基极-发射极电压之间的关系是非线性的，呈现出指数增长的特点。三极管此时处于工作状态，可以实现信号的放大。
饱和区（Saturation Region）：
- 当基极电流达到一定值，进一步增大 Vbe对基极电流的影响变小。此时，三极管处于饱和状态，电流增益不再有效，增大 Vbe也不能显著增加 Ib。
- 饱和区指的是基极电流 IbI_bIb 在一定的基极-发射极电压 VbeV_{be}Vbe 下，由于基极区域的载流子浓度逐渐达到饱和，基极电流的增加幅度变得非常缓慢或几乎停止。
- 在这个区域，尽管基极-发射极电压继续增大，基极电流的增加幅度会逐渐减小，最终趋于一个常数值。

输出特性

三极管的输出特性是指在基极电流 Ib 一定的情况下集电极电流 Ic 与集电极-发射极电压 Vce 之间的关系，并且这个关系受到基极电流 Ib 的控制。

1. 输出特性图的基本概念

输出特性图通常是画出集电极电流 Ic 与集电极-发射极电压 Vce的关系。对于一个固定的基极电流 Ib，在不同的 Vce下，集电极电流 Ic会有不同的变化规律。
输出特性图的横轴是集电极-发射极电压 Vce，纵轴是集电极电流 Ic，而不同的曲线代表不同的基极电流 Ib 的值。
对于每一个确定的Ib，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。
对于某一条曲线，当Uce从0逐渐增大时，集电极电场随之增强，收集基区非平衡少子（电子）的能力逐渐增强，因此Ic也逐渐增大。
当Uce增大到一定数值时，集电极电场足以将基区的非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，Uce再增大，收集能力已不能明显提高，曲线几乎平行于横轴，此时Ic几乎仅仅决定于Ib，表现出放大特性。
NPN型三极管：基极电压大于发射极，集电极电压大于基极，就是发射结正偏集电结反偏

PNP型三极管：基极电压小于发射极，集电极电压小于基极，就是发射结正偏集电结反偏

2. 输出特性曲线的形态

输出特性曲线通常会分为几个区域，主要包括：

2.1 截止区（Cutoff Region）

工作点：当基极电流 Ib非常小（接近 0），Ube < Uon，此时lb ≈ 0，Ic ≈ 0，即使集电极-发射极电压 Vce很大，集电极电流 Ic 也几乎为零。此时三极管处于“关闭”状态。
特点：集电极电流 Ic几乎不随 Vce变化，属于截止区。通常在这种情况下，三极管无法导通。

2.2 放大区（Active Region）

工作点：当基极电流 Ib达到一定值时，三极管进入放大区，即 Ube > Uon 且 Uce > Ube。此时 Ic 仅仅取决于 Ib ，Ic = β * Ib。
在放大区，集电极电流 Ic与集电极-发射极电压 Vce大致成线性关系，但集电极电流Ic在 Vce 增大到一定程度会趋于稳定。
特点：
- 当 Vce 足够大时，集电极电流 Ic 基本上不会再随着 Vce 继续增加，因为三极管已经进入了饱和区的前期。
- 集电极电流与基极电流的关系：Ic ≈ β × Ib，即集电极电流大致等于基极电流的放大倍数。

2.3 饱和区（Saturation Region）

工作点：当集电极-发射极电压 Vce较小，Ube > Uon 且 Uce < Ube，此时 Ic 不仅仅与 Ib 有关，而且随 Uce 的增大而增大，lc < β * Ib。这时，三极管进入饱和区。
特点：
- 集电极电流 Ic不再与 Vce线性变化，而是趋于饱和，三极管无法进一步增加集电极Ic电流。
- 三极管在此区域内表现为“开关”状态，无法用于精确的放大。

2.4 斜率变化的原因

在放大区，集电极电流 Ic 几乎是常数，但当 Vce 增大到一定值时，集电极电流 Ic 不再增加，这是因为电流已经进入饱和区。尽管基极电流依然在变化，但由于电流通路的限制（如集电结的反向偏置增大），集电极电流保持稳定。

3. 输出特性图的实际应用

3.1 工作区选择

根据输出特性图，我们可以选择三极管的工作区以实现不同的功能：

放大器设计：对于三极管放大器，通常需要将三极管工作在放大区。放大区内，集电极电流与基极电流有稳定的比例关系，且集电极电流不随 Vce的增加而受到显著影响，适合用于信号放大，但是在实际工程应用中，三极管基本不做放大作用，因为他的增益受温度会发生变化，放大作用不稳定。
开关电路：当三极管作为开关使用时，通常工作在饱和区或截止区。在饱和区时，三极管导通，表现为“开关”状态；在截止区时，三极管“关闭”，不导电。

3.2 增益计算

输出特性可以帮助我们理解三极管的增益。通过基极电流 Ib 和集电极电流 Ic 的关系，可以计算出三极管的电流增益 β：

β=Ic \ Ib

在放大区，增益 β 大致保持不变，可以用来设计信号放大电路。

4. 输出特性曲线的示例

假设我们有一个NPN型三极管的输出特性图，图中表现如下几个特征：

集电极电流 Ic随 Vce增加的趋势：在基极电流Ib一定的情况下，集电极电流 Ic 会逐渐增加，并趋于一个稳定值。
集电极电流的饱和：当 Vce达到一定值后，集电极电流 Ic 不再增加，表示三极管进入饱和区。
基极电流的不同：不同的基极电流曲线在图上会呈现出不同的斜率，基极电流越大，集电极电流也越大。
截止区对应的是低 Vce 时集电极电流 Ic 为零的区域。
饱和区发生在集电极电压 Vce 较小（接近或低于一定临界值）时，集电极电流趋于稳定。
放大区则对应的是较高的 Vce，集电极电流 Ic随 Vce 增加而线性增加的区域。
截止区（很低的 Vce时，集电极电流基本为零）
饱和区（随着 Vce增加，集电极电流趋于饱和）
放大区（进一步增加 Vce 时，集电极电流会与基极电流成线性关系）

五、实践应用

三极管由于其优良的放大和开关特性，在电子电路中有广泛的应用，具体包括：

放大器（前面分析过了，实际很少在工程中应用）：
- 用于音频放大、电信号放大、无线通信等领域。三极管能将弱小的电信号通过一定电流放大成较大的信号。
开关电路（用的多）：
- 在数字电路、继电器、开关电源中，三极管用作信号的开关。通过基极的电流控制集电极与发射极之间的导通或关断。
振荡器：
- 三极管振荡电路被广泛应用于无线电发射机和接收机的频率生成、脉冲生成等方面。
调制与解调：
- 三极管可用于模拟和数字信号的调制和解调，尤其是在无线通信中。

六、三极管的工作特性

性能指标	描述
输入阻抗	反映三极管对信号源的阻抗，通常较高，有利于信号的传输。
输出阻抗	影响集电极电流与电压之间的关系，通常较低。
增益	反映基极电流对集电极电流的放大倍数，常用符号表示为β（直流电流增益）。
饱和电压	集电极与发射极之间的电压降，表示三极管在导通时的最小电压。
频率响应	三极管的工作频率范围，决定其在高频信号中的放大能力。