电子元器件与电路之-三极管的介绍和作用

一、基本概念

1.三极管是一种控制电流的半导体器件，也称为双极型三极管、半导体三极管，由三个电极（引脚），即基极（b）、发射极（e）和集电极（c）组成，在一块半导体基片上制成两个相距很近的 PN 结，将整块半导体分成三部分。

2.其半导体排列方式有 PNP 和 NPN 两种，箭头方向表示发射极正偏时发射极电流的实际方向。

二、三极管的工作原理

首先三级管在电路中有三个工作状态：截止区、放大区和饱和区。因此在电路中路通常用作电信号的放大（三极管工作在放大区），或者无触点开关等用途（三极管工作在截止区和饱和区）。

下面以NPN为例来描述三极管各个状态的工作原理：

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e 、基极b 和集电极c ，如下图所示：

关于PN结可以参考 ：电子元器件与电路之-二极管的介绍和作用 ，里面有对PN结原理的详解。

1.截止区

定义：当发射结电压 小于其导通电压时，发射结未导通，集电结处于反向偏置状态，此时三极管处于截止区。

条件：对于硅管，一般当 时，可认为三极管进入截止区；对于锗管，时进入截止区 。

电流特点：基极电流，集电极电流几乎等于 ，仅有极微小的反向穿透电流 流过，硅三极管的通常都在以下。

工作原理：发射结未导通，发射极无法向基区注入足够的电子，基区无法形成有效的电流放大作用。同时，集电结的反向偏置使得集电极对基区电子的吸引力减弱，进一步限制了电流的放大，所以三极管在截止区无法对输入信号进行放大。

应用场景：截止区通常用于电子开关电路中，通过控制基极电压的开关状态来控制三极管的导通与截止，从而实现电路的通断控制。

2.放大区

定义：当发射结加正向电压（发射结处于正向偏置状态），集电结加反向电压时（集电结处于反向偏置状态），三极管进入放大区，此时基极电流 能够控制集电极电流，且 与 之间近似于线性关系，从而实现信号的放大。

条件：对于硅管，发射结正向电压约为 ，锗管约为 时，且集电结反向偏置，三极管工作在放大区。

电流特点： ，其中是三极管的电流放大系数，一般在几十到几百之间。当 增大时， 也会随之增大，且二者呈线性关系，这是三极管能够实现信号放大的基础。

工作原理：在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子(电子)浓度大于基区的，同时基区做得很薄，这样，一旦接通电源后，发射结正偏使得发射极能够向基区注入大量电子，形成发射极电流（电流和电子移动方向相反），而基区的多数载流子（正电荷）越过发射结形成基极电流。集电结反偏使得集电极对基区电子的吸引力增强（PN结反偏有利于电子从P区向N区漂移），由于基区很薄且掺杂浓度较低，电子在基区内的扩散速度较慢，大部分从发射极注入基区的电子会被集电极收集形成集电极电流 ，从而实现了电流的放大。

这就是说，在基极补充一个很小的，就可以在集电极上得到一个较大的，这就是所谓电流放大作用，与是维持一定的比例关系，即：

应用场景：放大区是三极管在电子电路中应用最广泛的区域之一，广泛用于各种放大电路中，如音频放大器、射频放大器、功率放大器等，以实现信号的放大和增益控制。

3.饱和区

定义：当集电极电流 增大到一定程度时，即使再增大基极电流 ， 也不会再增大，此时发射结处于正向偏置状态，集电结也处于正向偏置状态，三极管进入饱和区。

条件：当 增大到使 降低到一定程度，一般 时，三极管进入饱和区 。

电流特点：集电极电流达到最大值，且不再随基极电流的增大而增大，集电极和发射极之间的内阻很小。

工作原理：在晶体管的放大区，集电结是反向偏置的。当基极电流增大到一定程度时，集电极电流会随着的增大而增大。但是当继续增大，集电极电流会趋近于一个最大值，进入饱和状态。 这是因为随着的增大，集电极电流增大使得集电结的正向电压降增大。当这个正向电压降增大到足以使集电结也处于正向偏置状态时，集电结的内电场被削弱，影响基区的电子向集电区 移动。

对于NPN型晶体管，在正常放大状态下，电子从发射区（N区）扩散到基区（P区），然后大部分电子在集电结反向电场的作用下漂移到集电区（N区）形成。当集电结正向偏置后，PN结正偏阻碍了电子从P区（基区）向N区（集电区）的正常漂移，此时集电极对电子的收集能力达到极限，即使再增大，也无法再增大。

饱和状态下的和内阻 ：当晶体管处于饱和状态时，由于集电结和发射结都接近于正向偏置状态，根据晶体管的输出特性曲线（对于共射极电路，是电源电压，是集电极电阻），接近最大值，变得很小，通常在零点几伏的范围，此时>。

从等效电路的角度看，此时集电极和发射极之间的内阻也很小，因为变化很小而相对较大。

应用场景：饱和区通常用于电子开关电路中作为开关元件使用，当三极管工作在饱和区时，其相当于一个闭合的开关，可以用于控制电路的通断。此外，在数字电路中，三极管也常被用作逻辑门电路的开关元件来实现逻辑运算功能。

三、三极管的分类

1.按材质分：可分为硅管和锗管，硅管的温度稳定性等性能相对锗管更优异，因此在现代电子电路中硅管应用更为广泛。

2.按极性结构分：主要有 NPN 型和 PNP 型两大类。

3.按功率分：可分为小功率管、中功率管、大功率管。小功率三极管功率一般小于 0.3W，常用于放大交、直流信号或应用在振荡器、变换器等电路，如用来放大音频、视频信号；中功率三极管功率一般在 0.3W-1W 之间，主要用于驱动电路和激励电路中，或为大功率放大器提供驱动信号；大功率三极管功率一般在 1W 之上，由于耗散功率大，工作时容易引起芯片内温度过高，通常需要安装散热片。

4.按工作频率分：可分为低频管、高频管、超频管。低频三极管的特征频率 ft 小于 3MHz，多用于低频放大电路，如收音机的功放电路；高频三极管的特征频率 ft 大于 3MHz，多用于高频放大电路、混频电路或高频振荡等电路。

5.按塑封形式分：可分为贴片分装型、金属封装型和塑料封装型。贴片封装型三极管体积小巧，多应用于数码电子产品中。

四、三极管的主要参数

1.集 - 射最大反向电压（VCEO）：基极开路时，集电极与发射极间能承受的最大反向电压值，超过此值会击穿三极管。

2.集电极工作电流（ICRM）：集电极允许长期工作的电流，实际工作电流应小于此值，否则可能导致三极管损坏。

3.集电极最大功率（PCM）：最大允许耗散功率，实际功率过大，三极管会因过热而烧坏.

4.电流放大倍数（HFE）：共射电路中集电极与基极电流的比值，β=IC/IB，表示三极管的放大能力。

5.特征频率（FT）：频率升高时，电流放大倍数 β 下降到 1 时对应的频率值。选用三极管时，一般管子的特征频率要比电路的工作频率至少高出 3 倍以上，但也不是越高越好，过高可能会引起电路振荡。

五、三级管在电路中的作用

1.放大电路：如音频放大器、视频放大器等，能够将微弱的电信号放大到所需的幅度，实现声音的放大、图像的清晰显示等。

2.开关电路：利用其截止和饱和两种状态实现开关作用，广泛应用于数字电路、计算机电路等，如作为逻辑门电路的基本组成元件，控制电路的通断。

3.振荡电路：与电容、电感等元件配合，产生各种频率的振荡信号，用于无线电通信、电子时钟等电路中，为系统提供稳定的时钟信号或载波信号等。

4.功率放大电路：用于对功率要求较高的电路中，如音响的功率放大器，将音频信号的功率放大到足以驱动扬声器发声的程度。

5.稳压电路：通过调整三极管的工作状态，稳定输出电压，为电子设备提供稳定的电源。