三極管的奧秘：如何用小電流控制大電流

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

轉(zhuǎn)自公眾號：飛多學堂

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，是一種具有三個引腳的電子元器件。

本文是講述的是三極管的基礎知識。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操作。還涉及到了三極管基礎應用電路。最后我們進行了一些實驗。

三極管基礎知識

講解了NPN和PNP三極管的符號、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。請記住，我們關于NPN型的三極管的所有內(nèi)容，實際上和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：

從三極管的符號圖中可以看到，三極管的三個引腳分別是：

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型半導體的。

三極管由三種半導體組成：

下面是一些常見的小信號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，集電極是單獨的一個引腳。【注意】，是通常，并不是所有，具體以三極管數(shù)據(jù)手冊為準。

當然，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用的封裝，以及其他幾十種不同的封裝類型。所以，當你使用這些三極管時，最好能查看數(shù)據(jù)手冊，以驗證引腳的排列方式。

上圖，從左到右：SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3

基礎知識

復習二極管

復習一下二極管的相關知識：

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

正向偏置是指將電源的正極連接到二極管的p型側(cè)，負極連接到n型側(cè)，這樣就使得外部電場與內(nèi)部電場方向相反，從而降低了pn結(jié)的電勢差，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)，負極連接到p型側(cè)，這樣就使得外部電場與內(nèi)部電場方向相同，從而增加了pn結(jié)的電勢差，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鍵信息：

首先，發(fā)射結(jié)的行為就像一個二極管，它可以正向偏置，也可以反向偏置，它可以導通，也可以截止。
其次，當發(fā)射結(jié)正向偏置時，允許電流在集電極和發(fā)射極之間流動。所以，如果我有足夠的偏置電壓來打開這個二極管，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，當發(fā)射結(jié)沒有正向偏置，也就是是截止的時候，集電極和發(fā)射極之間 沒有電流流動。例如，如果基極接地，發(fā)射結(jié)就沒有導通，這個二極管就相當于關閉了，相應的電流就不會從集電極流向發(fā)射極。

當發(fā)射結(jié)正偏時，電流可以在集電極和發(fā)射極之間流動, 三極管處于導通狀態(tài)：

當三極管導通時，發(fā)射結(jié)的行為就像一個二極管，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。

當基極-發(fā)射極沒有正向偏置，也就是是截止的時候，集電極和發(fā)射極之間沒有電流流動，三極管處于截止狀態(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不同的工作區(qū)。

截止區(qū)：當發(fā)射結(jié)電壓小于導通電壓（約0.6-0.7V），發(fā)射結(jié)沒有導通，集電結(jié)處于反向偏置，三極管沒有電流放大作用，相當于一個斷開的開關。
放大區(qū)：當發(fā)射結(jié)電壓大于導通電壓，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系，三極管起到電流放大作用，相當于一個可調(diào)的電阻。
飽和區(qū)：當集電極電流增大到一定程度時，再增大基極電流，集電極電流也不會增大，集電結(jié)也正偏，三極管的電流放大系數(shù)變小，相當于一個閉合的開關。

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)，開關電路工作在三極管的截止區(qū)和飽和區(qū)。

特性曲線

對于特性曲線，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，是因為三極管的工作區(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（對于這三種連接方式，不理解沒關系，以后會講）。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，基極電流IB和發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關系。輸入特性曲線的形狀類似于二極管的伏安特性曲線，因為發(fā)射結(jié)是一個正偏的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，集電極電流IC和集電極電壓UCE之間的關系。輸出特性曲線可以分為三個區(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：

藍色虛線左邊的區(qū)域為飽和區(qū)（Saturation）；

由藍色虛線、紅色虛線和棕色虛線包圍的區(qū)域為放大區(qū)（Active），在這個區(qū)域里，發(fā)射極電流與基極電流成近似線性關系；

紅色虛線下方表示三極管尚未導通，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，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 會相應增加。

放大的是啥

在線性工作區(qū)，我們會施加一定的正向偏置電壓到基極，目的是打開發(fā)射結(jié)?；鶚O通常會有一個電阻，用來限制基極電流，因為基極-發(fā)射極之間有一個PN結(jié)，也就是二極管，二極管一般都會加一個限流電阻。有時候這個限流電阻會在基極前面，有時候會在發(fā)射極后面，有時候會兩個地方都有。在這兩種情況下，基極-發(fā)射極兩個引腳之間的壓差通常在0.6到0.7伏之間，當然有些大功率三極管，這個壓差可能會更大一些，但這個值對于小信號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，就像一個典型的二極管一樣：

關于三極管的一個神奇之處是，當你對基極施加電壓，以讓少許基極電流通過發(fā)射結(jié)時，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。這個因子被稱為β，有時它寫成hfe。所以，一小部分基極電流可以導致一個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

對于線性工作區(qū)，一個問題值得思考。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)

當用作開關時，一般是控制一個負載元器件通電、斷電。也許是點亮或者關閉一個 LED，也許是控制蜂鳴器的開啟、關閉。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載產(chǎn)生的電壓降會把集電極的電壓降低到足以實際打開集電結(jié)的程度。所以，此時三極管集電極和發(fā)射極之間的電壓非常小。這通常被稱為開關工作模式，這時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反向偏置的 PN 結(jié)的呢？

為了回答這個問題，我們必須必須深入三極管內(nèi)部：

三極管是由三種半導體材料組成的，上圖中，從上往下看依次是：N型半導體，P型半導體和一個N型半導體。N型半導體材料中有很多自由電子，對于三極管來說，特別是發(fā)射極，制造環(huán)節(jié)會進行重度摻雜，是三極管三個區(qū)中最多摻雜的，意味著有很多自由電子，很容易被移動并轉(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?；鶇^(qū)還有一個特點，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鍵。

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

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

我們復習一下二極管耗盡區(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，形成一個帶有凈正電荷的中性區(qū)域。這個區(qū)域的存在使得PN結(jié)處于截止狀態(tài)，阻止了電流的流動。

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，會在兩種半導體結(jié)合地方得到一個沒有任何載流子的耗盡區(qū)。當我們打開NPN三極管時（把它想成一個開關），我們實際上是通過在基極-發(fā)射極之間施加一個偏置電壓來克服這個耗盡區(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)合二極管的導通的相關知識，這是比較容易理解的。

當我們談論電子的移動時，有一點要記住，他們是沿著傳統(tǒng)電流流動的相反方向移動的。當我們打開基極-發(fā)射極的結(jié)，就像一個二極管一樣，電子被吸引穿過了這個耗盡區(qū)，并且與基區(qū)的空穴復合。

由于基區(qū)特別薄，有少許空穴，而發(fā)射區(qū)又進行了重度摻雜，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)，但是實際上只有很少的電子會與空穴復合并形成基極電流。其余的電子，它們進入薄薄的基區(qū)后（這個薄很關鍵），被集電極的正電勢吸引。也就是說，大量的電子，到達基區(qū)，它們找不到一個空穴結(jié)合，因為很少，并且基區(qū)很薄，它們被正的集電極電勢吸引，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。事實是，只有大約百分之一的電子到達基區(qū)，形成基極電流，其余的電子突破耗盡區(qū)到達了集電極，所以到達集電極的電子，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，基極很像一個閥門，可以打開，也可以關閉，還可以調(diào)節(jié)流量。0.6-0.7 基極電壓吸引大量電子進來，只有一少部分形成基極電流，大多數(shù)電子到達了集電極，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

模擬電路的學習需要理論和實踐相結(jié)合，這兩者彼此相輔相成，互相促進，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！

放大電路實驗

實驗電路如下：

實驗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：

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

測量儀表：

電流表：測量基極電流
電流i包：測量集電極電流
電壓表：測量基極基極電壓
電壓表：測量集電極電壓

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系。我們可以把基極電流認為是輸入，集電極電流認為是輸出。

搭建好的實驗電路如下：

從左到右四塊表分表測量如下：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。漢泰的電源很不錯推薦購買。

實驗開始

實驗開始，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，此時基極-發(fā)射極之間的 PN 結(jié)是關閉的。

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，當開始提高基極-發(fā)射極的電壓時，即使我在0.436伏左右，仍然沒有集電極或基極電流流動，因為，發(fā)射結(jié)就像一個二極管，我們需要達到大約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，當基極電壓達到：0.622V, 此時基極電流是 10uA, 集電極電流是 2.64mA, 放大倍數(shù)= 2.64mA/10uA = 264 倍。

20uA

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

30uA

當基極電壓達到 0.642V, 此時基極電流是 30uA, 集電極電流是 8.75 mA?；鶚O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

當基極電壓達到 0.643V, 此時基極電流是 40uA, 集電極電流是 12.07 mA?；鶚O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。

線性關系

基極（Base）電流和集電極(Collector)電流統(tǒng)計數(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

實驗技巧

基極電流取整。有利于速算出和集電極電流的關系。
萬用表貼標簽。知道哪個表是測哪個項目的。
電流表用指針表。方便看變化關系。
如果探討的是兩個變量之間的關系，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變量的關系。

集電極電壓變化

當集電極電壓是 10V ，基極電流是 30uA 時，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（early effect）造成的。我們改期再講。

在這里，我們忽略集電極電壓對集電極電流的影響，認為集電極電流只與基極電流有關。

開關電路實驗

用作開關時，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，你就會得到一個增大的基極電流，因為現(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。

你會發(fā)現(xiàn)，當放大到某個程度，飽和的三極管的集電極電流實際上只受到負載和電源的限制。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，因為通常在飽和狀態(tài)下，這個集電極和發(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，你幾乎可以認為這個三極管是短路的，集電極電流只由電源和負載決定。進一步增加基極電壓只會導致更多的基極電流，這對我們沒有任何用處。

實驗電路：