专题：手把手学习硬件基础——5、三极管[通俗易懂]

一、基本概述

定义：根据不同的参杂方式在同一个硅片上制造出三个参杂区域，并形成两个PN结，即构成BJT晶体管

类型：

a.NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧

三个区的特点：

基区：P型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

发射区：N型半导体，杂质浓度很高，自由电子很多，引出发射极

集电区：N型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极

b.PNP型三极管，由三块半导体构成，其中两块P和一块N型半导体组成，N型半导体在中间，两块P型半导体在两侧；

三个区的特点：

基区：N型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

发射区：P型半导体，杂质浓度很高，空穴很多，引出发射极

集电区：P型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极

回顾PN结的概念

N区：四价的硅原子参杂5价的元素形成N型半导体，自由电子为多子，空穴为少子

P区：四价的硅原子参杂3价的元素形成P型半导体，空穴为多子，自由电子为少子

扩散电流——多子扩散形成扩散电流

漂移电流——少子漂移形成漂移电流

二、BJT晶体管工作原理

1、发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流Ie

由于发射结加正向电压，导致PN结的内电场缩小，增强扩散运动，且又因为发射区的杂质浓度高，自由电子很多，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区，形成发射极电流Ie；

2、扩散到基极的自由电子与基极的空穴复合形成基极电流Ib

由于基区很薄，杂质浓度很低，就是空穴浓度很低，所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与空穴符合，形成微弱的基极电流Ib；

3、集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic

由于集电结加反向电压且结面积很大，基区的非平衡少子（主要为发射极扩散过来的，未与空穴复合的大量自由电子）在外电场的作用下越过集电结达到集电区，形成漂移电流Ic；

4、电流放大倍数

分析可知，发射极扩散出的自由电子，一部分与基极的空穴复合，一部分漂移至集电区，因此，Ie = Ib + Ic；

如此，得出下面的公式

β*Ib = Ib + Ic => β = 1+Ic/Ib => 由于Ic/Ib远远大于1 => β = Ic/Ib

5、输入特性曲线

输入特性曲线描述管压降Uce一定的情况下，基极电路Ib与发射结压降Ube之间的函数关系，即

Ib = f (Ube)，Ube = 常数；

分析：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Uce增大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Ib，需增大Ube

6、输出特性曲线

输出特性曲线描述基极电流Ib一定的情况下，集电极电流Ic与管压降Uce之间的函数关系

Ic = f(Uce)，Ib = 常数

对于每一个确定的Ib，都有一条曲线，所以输出特性是一簇曲线，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的能力逐渐增强，因此Ic也逐渐增大。但是，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。

从输出特性曲线看，晶体管有三个工作区间：

a.截止区

发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，即UbeUbe。此时，Ib = 0,Ic=0;

b.放大区

发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置，即Ube>Uon且Uce>Ube，此时Ic仅仅取决于Ib，Ic = βIb

c.饱和区

发射结电压大于开启电压且集电结正向偏置，即Ube>Uon且Uce

7、简要介绍PNP三极管

NPN三极管靠自由电子导电，而PNP型三极管靠空穴导电，输入输出曲线都一样

NPN三极管放大电路简要了解即可，项目中几乎不采用，因为晶体管的放大系数不稳定，受温度影响较大。应用电路通常需要确定的放大倍数且不受环境影响，需要引入反馈回路，我们一般使用集成运放，可以满足这个要求；

8、产品应用

晶体管用作开关使用，工作在截止区以及饱和区

截止区，Ic≈0，功率P=Ic*Uce很小

饱和区，Uce饱和电压很小，一般取值0.1V，功率P=Ic*Uce很小

a.NPN三极管用于信号开关

需要Q1工作在饱和电压，取值Uce≈0.1，蓝灯为2V，可计算集电极路的电流(3.3-0.1-2)/470 = 2.5mA,Ic等于2.5mA；根据饱和工作条件

Ib*β>Ic，所以上图中的电路

Ib = （3.3-0.7）/1K = 2.6mA;

查手册可得s8050的β值为120-400，我们取值120可得2.6*120 = 312mA,远远大于Ic,即可R52取值10K,Ib= 0.26mA，0.26*120 = 31.2，也是处于饱和状态的

b.PNP用于信号开关

同样的，要满足上述NPN作为开关信号

再说说上下拉电阻的选择，这个一般是经验值，一般取值10K，见不同的电路

三、光电三极管

概念：光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能等效为一只光电二极管与一只晶体管的相连。

光耦的使用与三极管设计是相同的，要使三极管的Uce保持在0.1V;

一般电流控制在5~20mA,最大50mA。

用5V电源驱动，可以串联电阻R=5/0.01=500R，所以你可以选择电阻200R~1K，建议取值330~510R.

在驱动电压恒定的情况下，串联电阻越大，电流越小。

上图中3.3/510 = 6.5mA,大于Ic=3.3mA

四、光电二极管

光电二极管依据光照的强度来控制PN结，与普通二极管一样，具有单方向导电特性。

白天的时候，CD5光电二极管会有一个大的亮电流6-15uA,就会将U3NMOS管导通，到时U13截止，0V，GS不通，灯就形不成回路，不亮；

晚上的时候，形成暗电流，U3截止，6V的电压就会使得U13 GS端导通，灯亮

五、产品应用

a、驱动有源蜂鸣器

C1起储能的作用，扬声器发声的时候输出大电流，以防干扰别的5V电源电路

b、驱动无源蜂鸣器

c、与PMOS组成电源开关

d、图腾柱驱动电路

（1）PWM为高电平，Q4导通，Q3截止，U8的寄生电容Cgs通过Q2与R6放电，U8关闭；

（2）PWM为低电平，Q4截止，Q2截止，12V电压通过Q3给U8的寄生电容Cgs充电，U8导通

（3）R3为限流电阻，避免Cgs的充放电电流过大；

（4）R6的作用，Cgs放电时，通过Q2与放电，只能放到0.7V左右，加上R6，就可以放到0V，确保关闭MOS

（5）此电路可以用于有刷直流电机的PWM调速

e、NPN输出与PNP输出

d、控制继电器输出

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