三極管的奧秘：如何用小電流控制大電流

來源：JLE電路保護(hù)與器件更新時(shí)間：2024-07-13 閱讀：

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雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個(gè)引腳的電子元器件。

本文是講述的是三極管的基礎(chǔ)知識(shí)。本文涉及到三極管管的基本工作原理、特性曲線以及線性和開關(guān)操作。還涉及到了三極管基礎(chǔ)應(yīng)用電路。最后我們進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)。

三極管基礎(chǔ)知識(shí)

講解了NPN和PNP三極管的符號(hào)、引腳排列和工作原理。

NPN 和 PNP

三極管有兩種基本類型，即NPN型和PNP型。在這兩種類型中，NPN型的三極管更為常用，所以我們將主要討論NPN型的三極管。請(qǐng)記住，我們關(guān)于NPN型的三極管的所有內(nèi)容，實(shí)際上和PNP型的三極管基本相同，只是我們要把所有涉及到的極性都反過來。極性是指結(jié)的電壓極性和流經(jīng)它們的電流極性。

下面是NPN型和PNP型三極管的原理圖符號(hào)：

從三極管的符號(hào)圖中可以看到，三極管的三個(gè)引腳分別是：

Collector: 集電極
Base: 基極
Emitter: 發(fā)射極

不論是NPN還是PNP, 有箭頭的引腳是發(fā)射極，箭頭總是指向N型半導(dǎo)體材料。NPN型和PNP型的三極管，你可以看到箭頭都是指向N型半導(dǎo)體的。

三極管由三種半導(dǎo)體組成：

下面是一些常見的小信號(hào)三極管封裝的引腳排列方式：

塑料封裝的TO-92通常是如上圖這樣排列的。金屬罐封裝的TO-18通常也是如上圖排列的，靠近伸出來的小金屬片的是發(fā)射極。SOT-23封裝通常是如上圖排列的，集電極是單獨(dú)的一個(gè)引腳。【注意】，是通常，并不是所有，具體以三極管數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)。

當(dāng)然，三極管還有許多其他不同的封裝類型，比如 TO-220，這是一種帶有金屬散熱片的塑料封裝：

TO-3，是一種用于更高功率應(yīng)用的封裝，以及其他幾十種不同的封裝類型。所以，當(dāng)你使用這些三極管時(shí)，最好能查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，以驗(yàn)證引腳的排列方式。

上圖，從左到右：SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3

基礎(chǔ)知識(shí)

復(fù)習(xí)二極管

復(fù)習(xí)一下二極管的相關(guān)知識(shí)：

二極管是一種半導(dǎo)體器件，它有兩個(gè)電極：正極（陽極）和負(fù)極（陰極）。二極管的內(nèi)部是由n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體相接而成的pn結(jié)。pn結(jié)的兩側(cè)存在一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，它阻礙了電流的流動(dòng)。

正向偏置是指將電源的正極連接到二極管的p型側(cè)，負(fù)極連接到n型側(cè)，這樣就使得外部電場(chǎng)與內(nèi)部電場(chǎng)方向相反，從而降低了pn結(jié)的電勢(shì)差，使得電荷載流子能夠跨越pn結(jié)，形成電流。

反向偏置是指將電源的正極連接到二極管的n型側(cè)，負(fù)極連接到p型側(cè)，這樣就使得外部電場(chǎng)與內(nèi)部電場(chǎng)方向相同，從而增加了pn結(jié)的電勢(shì)差，使得電荷載流子難以跨越pn結(jié)，形成很小的電流。

下圖是二極管的正向偏置和反向偏置的示意圖：

導(dǎo)通和截止

下文中，我們把基極與發(fā)射極之間的 PN 結(jié)稱為發(fā)射結(jié), 基極與集電極之間的 PN 結(jié)稱為集電結(jié)：

下面是理解三極管原理的三條關(guān)鍵信息：

首先，發(fā)射結(jié)的行為就像一個(gè)二極管，它可以正向偏置，也可以反向偏置，它可以導(dǎo)通，也可以截止。
其次，當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)，允許電流在集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)。所以，如果我有足夠的偏置電壓來打開這個(gè)二極管，即基極-發(fā)射極的 PN 結(jié)，電流就可以從集電極流向發(fā)射極。
第三，當(dāng)發(fā)射結(jié)沒有正向偏置，也就是是截止的時(shí)候，集電極和發(fā)射極之間 沒有電流流動(dòng)。例如，如果基極接地，發(fā)射結(jié)就沒有導(dǎo)通，這個(gè)二極管就相當(dāng)于關(guān)閉了，相應(yīng)的電流就不會(huì)從集電極流向發(fā)射極。

當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，電流可以在集電極和發(fā)射極之間流動(dòng), 三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)：

當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射結(jié)的行為就像一個(gè)二極管，所以基極和發(fā)射極之間的電壓降通常在0.6到0.7伏之間，非常類似于硅二極管。

當(dāng)基極-發(fā)射極沒有正向偏置，也就是是截止的時(shí)候，集電極和發(fā)射極之間沒有電流流動(dòng)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài):

工作區(qū)

工作區(qū)定義

根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置狀態(tài)，可以定義三極管的幾個(gè)不同的工作區(qū)。

截止區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓小于導(dǎo)通電壓（約0.6-0.7V），發(fā)射結(jié)沒有導(dǎo)通，集電結(jié)處于反向偏置，三極管沒有電流放大作用，相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。
放大區(qū)：當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓大于導(dǎo)通電壓，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管的基極電流控制著集電極電流，集電極電流與基極電流近似于線性關(guān)系，三極管起到電流放大作用，相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)的電阻。
飽和區(qū)：當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，再增大基極電流，集電極電流也不會(huì)增大，集電結(jié)也正偏，三極管的電流放大系數(shù)變小，相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。

三極管電路有上千萬種，總體上分為兩種：

放大電路

發(fā)射結(jié)正偏（B-E foreword biased）
集電結(jié)反偏（C-B reversed biased）

開關(guān)電路

發(fā)射結(jié)正偏（B-E foreword biased）
集電結(jié)正偏（C-B foreword biased）

放大電路工作在三極管的線性工作區(qū)，開關(guān)電路工作在三極管的截止區(qū)和飽和區(qū)。

特性曲線

對(duì)于特性曲線，你能理解就理解，不能理解，就先放著，本文之所以加上特性曲線這一部分，是因?yàn)槿龢O管的工作區(qū)來自于特性曲線。

三極管的伏安特性曲線是描述三極管各電極電流和電壓之間關(guān)系的圖形。三極管有三種連接方式：共發(fā)射極、共集電極和共基極（對(duì)于這三種連接方式，不理解沒關(guān)系，以后會(huì)講）。不同的連接方式有不同的特性曲線。一般來說，最常用的是共發(fā)射極電路，它有兩種特性曲線：輸入特性和輸出特性。

輸入特性是指在集電極電壓UCE為某一定值時(shí)，基極電流IB和發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系。輸入特性曲線的形狀類似于二極管的伏安特性曲線，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)是一個(gè)正偏的PN結(jié)。輸入特性曲線可以反映出三極管的輸入電阻，即Rin=ΔUBE/ΔIB。輸入電阻一般很小，約為幾十歐姆到幾百歐姆。
輸出特性是指在基極電流IB為某一定值時(shí)，集電極電流IC和集電極電壓UCE之間的關(guān)系。輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

下圖是三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線：

藍(lán)色虛線左邊的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)（Saturation）；

由藍(lán)色虛線、紅色虛線和棕色虛線包圍的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)（Active），在這個(gè)區(qū)域里，發(fā)射極電流與基極電流成近似線性關(guān)系；

紅色虛線下方表示三極管尚未導(dǎo)通，處于截止區(qū)（Cut-off）；

為開啟三極管的最小基極電流；

ps不熟，特性曲線我沒有涂上顏色，你可以參照下圖，給上圖腦補(bǔ)上顏色^_^：

放大區(qū)

放大區(qū)或者線性工作區(qū)域是這樣的，集電極-基極的結(jié)總是反向偏置的，這意味著通常情況下，集電極電壓是等于或大于基極電壓的，它甚至可以被稍微比基極電壓低一點(diǎn)，但不要降低到足以打開集電極-基極的結(jié)的程度。

在特性曲線的放大區(qū)，你畫一條垂直的線，上圖的紅色線，含義如下：集電極和發(fā)射極之間的電壓（UCE）不變，增加基極電流 IB， IC 會(huì)相應(yīng)增加。

放大的是啥

在線性工作區(qū)，我們會(huì)施加一定的正向偏置電壓到基極，目的是打開發(fā)射結(jié)。基極通常會(huì)有一個(gè)電阻，用來限制基極電流，因?yàn)榛鶚O-發(fā)射極之間有一個(gè)PN結(jié)，也就是二極管，二極管一般都會(huì)加一個(gè)限流電阻。有時(shí)候這個(gè)限流電阻會(huì)在基極前面，有時(shí)候會(huì)在發(fā)射極后面，有時(shí)候會(huì)兩個(gè)地方都有。在這兩種情況下，基極-發(fā)射極兩個(gè)引腳之間的壓差通常在0.6到0.7伏之間，當(dāng)然有些大功率三極管，這個(gè)壓差可能會(huì)更大一些，但這個(gè) 值對(duì)于小信號(hào)處理三極管來說是非常常見的。所以，如果我們忽略了三極管的集電極，只把它看作一個(gè)二極管（基極-發(fā)射極之間的二極管），這里的特性遵循二極管伏安特性曲線，就像一個(gè)典型的二極管一樣：

關(guān)于三極管的一個(gè)神奇之處是，當(dāng)你對(duì)基極施加電壓，以讓少許基極電流通過發(fā)射結(jié)時(shí)，它允許更大的集電極流流向發(fā)射極，而集電極電流將比基極電流高出很多倍，通常是100到200倍。這個(gè)因子被稱為β，有時(shí)它寫成hfe。所以，一小部分基極電流可以導(dǎo)致一個(gè)較大的集電極電流流，也就是放大。

發(fā)射極電流，也就是從發(fā)射極流出的電流，是基極電流和集電極電流的總和。

問題來了

對(duì)于線性工作區(qū)，一個(gè)問題值得思考。在線性工作區(qū)中，發(fā)射結(jié)是正向偏置的, 集電結(jié)是反偏的。為啥還會(huì)有集電極電流流過反偏的集電結(jié)？

欲知后事如何，接著往下看。

飽和區(qū)

當(dāng)用作開關(guān)時(shí)，一般是控制一個(gè)負(fù)載元器件通電、斷電。也許是點(diǎn)亮或者關(guān)閉一個(gè) LED，也許是控制蜂鳴器的開啟、關(guān)閉。這種使用模式中，我們通過正向偏置發(fā)射結(jié)來打開三極管，但是通常如下圖所示的負(fù)載產(chǎn)生的電壓降會(huì)把集電極的電壓降低到足以實(shí)際打開集電結(jié)的程度。所以，此時(shí)三極管集電極和發(fā)射極之間的電壓非常小。這通常被稱為開關(guān)工作模式，這時(shí)三極管處于所謂的飽和工作區(qū)。

四兩如何撥千斤

我們來回答前面的問題：電流是如何流過一個(gè)反向偏置的 PN 結(jié)的呢？

為了回答這個(gè)問題，我們必須必須深入三極管內(nèi)部：

三極管是由三種半導(dǎo)體材料組成的，上圖中，從上往下看依次是：N型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體材料中有很多自由電子，對(duì)于三極管來說，特別是發(fā)射極，制造環(huán)節(jié)會(huì)進(jìn)行重度摻雜，是三極管三個(gè)區(qū)中最多摻雜的，意味著有很多自由電子，很容易被移動(dòng)并轉(zhuǎn)化為電流。三極管的基區(qū)通常非常！非常！非常！薄！現(xiàn)代三極管基區(qū)的厚度可能是10納米到20納米，而N區(qū)的厚度可能為 100納米以上。基區(qū)還有一個(gè)特點(diǎn)，非常非常輕度摻雜，意味著由于它是P型的，但是空穴很少。基區(qū)的 非常薄和非常輕摻雜的特性是三極管工作的關(guān)鍵。

這個(gè)非常薄的基區(qū)的創(chuàng)意想法就來自于三位老前輩 76 年前發(fā)明的點(diǎn)接觸式三極管：

在此之前，半導(dǎo)體二極管已經(jīng)存在了，電子三極管已經(jīng)存在了，人們想制作半導(dǎo)體三極管的想法也已經(jīng)很久了，但是沒人想到，問題的關(guān)鍵在這個(gè)薄上。

我們復(fù)習(xí)一下二極管耗盡區(qū)。

二極管耗盡區(qū)（diode depletion region）是指PN結(jié)中的無載流子區(qū)域，它是由PN結(jié)中的空穴和電子再結(jié)合而形成的。在這個(gè)區(qū)域中，電子和空穴被吸引到PN結(jié)的反向偏置區(qū)域，形成一個(gè)帶有凈正電荷的中性區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的存在使得PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，阻止了電流的流動(dòng)。

三極管內(nèi)部基極-集電極之間的PN結(jié)，就像任何PN結(jié)一樣，會(huì)在兩種半導(dǎo)體結(jié)合地方得到一個(gè)沒有任何載流子的耗盡區(qū)。當(dāng)我們打開NPN三極管時(shí)（把它想成一個(gè)開關(guān)），我們實(shí)際上是通過在基極-發(fā)射極之間施加一個(gè)偏置電壓來克服這個(gè)耗盡區(qū)，這樣就開始把電子吸引到 P 型材料構(gòu)成的基區(qū)，從而產(chǎn)生基極電流。結(jié)合二極管的導(dǎo)通的相關(guān)知識(shí)，這是比較容易理解的。

當(dāng)我們談?wù)撾娮拥囊苿?dòng)時(shí)，有一點(diǎn)要記住，他們是沿著傳統(tǒng)電流流動(dòng)的相反方向移動(dòng)的。當(dāng)我們打開基極-發(fā)射極的結(jié)，就像一個(gè)二極管一樣，電子被吸引穿過了這個(gè)耗盡區(qū)，并且與基區(qū)的空穴復(fù)合。

由于基區(qū)特別薄，有少許空穴，而發(fā)射區(qū)又進(jìn)行了重度摻雜，有大量的自由電子，一旦我們打開基極-發(fā)射極的 PN 結(jié)，很多這些電子就被吸引到基區(qū)，但是實(shí)際上只有很少的電子會(huì)與空穴復(fù)合并形成基極電流。其余的電子，它們進(jìn)入薄薄的基區(qū)后（這個(gè)薄很關(guān)鍵），被集電極的正電勢(shì)吸引。也就是說，大量的電子，到達(dá)基區(qū)，它們找不到一個(gè)空穴結(jié)合，因?yàn)楹苌伲⑶一鶇^(qū)很薄，它們被正的集電極電勢(shì)吸引，然后它們突破了基極和集電極之間的耗盡區(qū)，被集電極收集起來。事實(shí)是，只有大約百分之一的電子到達(dá)基區(qū)，形成基極電流，其余的電子突破耗盡區(qū)到達(dá)了集電極，所以到達(dá)集電極的電子，到基極引腳的電子多得多，這就是β因子，集電極電流大約是基極電流的100到200倍。

從上面這一段話也可以看出集電極為什么叫集電極，收集電子的意思。發(fā)射極為什么叫發(fā)射極，發(fā)射電子的意思。

最后形成的效果就是，基極很像一個(gè)閥門，可以打開，也可以關(guān)閉，還可以調(diào)節(jié)流量。0.6-0.7 基極電壓吸引大量電子進(jìn)來，只有一少部分形成基極電流，大多數(shù)電子到達(dá)了集電極，形成了比基極電流大大約100-200倍的集電極電流。

以上就是我們對(duì)小電流如何控制大電流，四兩如何撥千斤的解釋！

兩手都要硬

模擬電路的學(xué)習(xí)需要理論和實(shí)踐相結(jié)合，這兩者彼此相輔相成，互相促進(jìn)，缺一不可。用鄧爺爺?shù)囊痪湓拋碚f就是：兩手都要抓，兩手都要硬！

放大電路實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路如下：

實(shí)驗(yàn)電路用到的器件如下：

元器件：

三極管：S8050
基極限流電阻 RB: 10k 到 100k 之間即可，用于限制基極電流。我使用 20k

供電：

一個(gè)可調(diào)電源：用于給基極供電
一個(gè)可調(diào)電源：用于給集電極供電

測(cè)量?jī)x表：

電流表：測(cè)量基極電流
電流i包：測(cè)量集電極電流
電壓表：測(cè)量基極基極電壓
電壓表：測(cè)量集電極電壓

基極電流變化

可調(diào)電源 9V 固定，接到三極管集電極（Collector）, 看基極電流和集電極電流的關(guān)系。我們可以把基極電流認(rèn)為是輸入，集電極電流認(rèn)為是輸出。

搭建好的實(shí)驗(yàn)電路如下：

從左到右四塊表分表測(cè)量如下：基極電流，基極電壓、集電極電壓、集電極電流。最左邊電流表的量程是50uA, 也就是右擺到頭是50uA; 最左邊電流表的擋位是 20mA 。

兩臺(tái)可調(diào)電源：

左邊的漢泰可調(diào)電源用于給集電極供電，右邊的用于用于給基極供電。漢泰的電源很不錯(cuò)推薦購買。

實(shí)驗(yàn)開始

實(shí)驗(yàn)開始，我打開 9V 可調(diào)電源，基極電壓調(diào)到0V。

上圖可以看到，集電極（Collector）電壓是 8.99V，但是幾乎沒有集電極電流（指針左到頭），基極電流是零，此時(shí)基極-發(fā)射極之間的 PN 結(jié)是關(guān)閉的。

突破

我們將逐漸調(diào)大基極電壓，在 0.4 V之前，基本沒有電流：

我們可以看到，當(dāng)開始提高基極-發(fā)射極的電壓時(shí)，即使我在0.436伏左右，仍然沒有集電極或基極電流流動(dòng)，因?yàn)椋l(fā)射結(jié)就像一個(gè)二極管，我們需要達(dá)到大約0.6伏，才能產(chǎn)生一些基極電流。

10uA

我們繼續(xù)調(diào)大基極電壓，當(dāng)基極電壓達(dá)到：0.622V, 此時(shí)基極電流是 10uA, 集電極電流是 2.64mA, 放大倍數(shù)= 2.64mA/10uA = 264 倍。

20uA

當(dāng)基極電壓達(dá)到 0.636V, 此時(shí)基極電流是 20uA, 集電極電流是 5.75mA。此時(shí)基極電流翻倍，集電極電流也基本翻倍了。放大倍數(shù)：286。

30uA

當(dāng)基極電壓達(dá)到 0.642V, 此時(shí)基極電流是 30uA, 集電極電流是 8.75 mA。基極電流三倍，集電極電流也基本基本也是三倍了。放大倍數(shù)：292。

40uA

當(dāng)基極電壓達(dá)到 0.643V, 此時(shí)基極電流是 40uA, 集電極電流是 12.07 mA。基極電流是最初的四倍，集電極電流也基本基本也是四倍了。放大倍數(shù)：291。

線性關(guān)系

基極（Base）電流和集電極(Collector)電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)填寫到 Excel 表格中，然后轉(zhuǎn)成曲線圖：

從上面的曲線圖可以看出：集電極電流和基極電流具有 很明顯的線性關(guān)系。該直線的斜率即為放大倍數(shù)β。這也是三極管線性（Linear）工作區(qū)命名的來由。

如何將兩列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線圖，請(qǐng)參考飛多的另一篇小文：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkxMDIyNzA1MQ==&mid=2247485869&idx=1&sn=bee70b2b33f91e1e2e35d35fe6d8039f&chksm=c12feaa9f65863bfc5efe6368277034996b850c3233121a3582dd99b7d43dc2282a8b6118b78&token=66223005&lang=zh_CN#rd

實(shí)驗(yàn)技巧

基極電流取整。有利于速算出和集電極電流的關(guān)系。
萬用表貼標(biāo)簽。知道哪個(gè)表是測(cè)哪個(gè)項(xiàng)目的。
電流表用指針表。方便看變化關(guān)系。
如果探討的是兩個(gè)變量之間的關(guān)系，考慮將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為曲線圖。曲線圖有利于直觀的查看兩個(gè)變量的關(guān)系。

集電極電壓變化

當(dāng)集電極電壓是 10V ，基極電流是 30uA 時(shí)，集電極電流是 7.98 mA：

我們保持基極電壓或者電流不變，將集電極電壓由 10V 改為 5V, 集電極電流為 6.8mA:

集電極電壓變?yōu)樵瓉淼?1/2，集電極電流基本保持不變，仍為原來的：85%。

可見，集電極電壓對(duì)集電極電流的影響，很小。這種小的集電極電流變化是由一種早期效應(yīng)（early effect）造成的。我們改期再講。

在這里，我們忽略集電極電壓對(duì)集電極電流的影響，認(rèn)為集電極電流只與基極電流有關(guān)。

開關(guān)電路實(shí)驗(yàn)

用作開關(guān)時(shí)，我們把三極管置于飽和狀態(tài)，和放大區(qū)是一樣的，發(fā)射結(jié)是正向偏置的，但是在飽和區(qū)，，負(fù)載兩邊的壓差是如此之大，以至于能夠把集電極的電壓降低到基極和集電極之間的 PN 結(jié)被打開的程度。

一旦發(fā)生這種情況，你就會(huì)得到一個(gè)增大的基極電流，因?yàn)楝F(xiàn)在基極和集電極之間也有電流了。這使得看起來 β下降了。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大到某個(gè)程度，飽和的三極管的集電極電流實(shí)際上只受到負(fù)載和電源的限制。也就是說在這種情況下，主要的電壓降發(fā)生在LED和限流電阻上，因?yàn)橥ǔＴ陲柡蜖顟B(tài)下，這個(gè)集電極和發(fā)射極之間的電壓可能只有幾百毫伏，甚至更小，可能只有幾十毫伏。所以一旦發(fā)生這種情況，你幾乎可以認(rèn)為這個(gè)三極管是短路的，集電極電流只由電源和負(fù)載決定。進(jìn)一步增加基極電壓只會(huì)導(dǎo)致更多的基極電流，這對(duì)我們沒有任何用處。

實(shí)驗(yàn)電路：