BJT晶体管基础：从结构到应用

BJT晶体管基础：从结构到应用

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_51001348/article/details/142779210

双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，在同一个硅片上根据不同的参杂方式形成三个参杂区，构成两个PN结，根据参杂区的不同分为NPN型和PNP型。

一、NPN型三极管

1.NPN三极管构成

NPN型三极管由两块N区夹着一块P区而构成，分为三个区：

• 基区：P形半导体，很薄，杂质浓度低，引出基极b
• 发射区：N型半导体，杂质浓度高，自由电子多，引出发射极e
• 集电区：N型半导体，杂质浓度低，面积大，引出集电极c

2.NPN三极管工作原理

如图所示，是一个NPN的基本共射放大电路。由于E极为N区，自由电子为多子，若想BE导通，则需要添加一个正向电压VBB，当VBB大于开启电压Uon时，PN结导通，此时E极大量自由电子通过PN结到达B区，即通过自由电子的移动形成了电流Ic；由于B极为P区，所以空穴为多子，E极的自由电子抵达B极时，会跟B区的空穴结合，形成电流Ib，此外B极参杂浓度很低，所以Ib的值较小；对于B、C来说，若想导通，则需要一个反向电压Vcc。由于B极空穴为多子，自由电子为少子，在外电场Vcc的作用下，从E极经过扩散运动抵达B区的自由电子会再次从B极流向C极，形成电流Ic至此三极管导通。

对于Ie来说，是E极的自由电子，通过扩散运动形成的；Ib则是E极的自由电子与B极的空穴结合形成的；Ic是B极的少子（E极来的自由电子）通过漂移运动形成的。所以有以下公式：

Ie=Ib+Ic

如果参杂的浓度是确定的，那么B极的空穴数量与E极的自由电子数量是可以确定的，则对应的电流Ie与Ib会呈现一定的比例关系：

Ie=β*Ib

将上述两条公式结合起来，则有：

β*Ib=Ib+Ic

β=1+Ic/Ib

由于Ie>>Ib（B区参杂浓度低），所以有：

β=Ic/Ib

上述内容牵扯PN结内容较多，可以学习 04二极管 后再学习三极管原理。

3.伏安特性曲线

（1）输入特性曲线

输入特性曲线就是三极管压降Uce一定的情况，Ib跟Ube之间的关系。分析上图可知，当Uce为0时，其曲线跟二极管曲线相似。当电压增大时，曲线往右移动，其原因是因为Uce增大，对应C、B之间的反向电压增大，从B极流向C极的自由电子增多，而留在B极的电子数量就会减少，想要Ib电流大小不变，就需要增强BE之间的电压。

（2）输出特性曲线

• 截止区：Ube小于开启电压且集电结反偏，由于漏电流的存在，所以不等于0
• 放大区：发射结正偏，集电结反偏，此时电流Ic=β*Ib。对于IB1曲线来说，当Uce大到一定程度时，再增加Uce电压时，Ic也不会提高，此时Ic只跟Ib相关。当基极电流从IB1提高到IB2时，对应的Ic也增加了
• 饱和区：发射结正偏，集电结正偏，此时Ic跟Ib不成线性关系。此时Ic大小不仅跟Ib相关，跟电压Uce也相关

三极管的三种工作状态需要重点掌握，目前三级管大多数都是只做开关（饱和区和截止区），很少一部分用作放大，原因是因为三极管放大倍数受温度影响较大，抗干扰能力较差。

二、PNP型三极管

1.PNP三极管构成

与NPN型三极管结构相似，不同点在于PNP型三极管是两个P区夹着N区，同时也分为三个区：

• 基区：N形半导体，很薄，杂质浓度低，引出基极b
• 发射区：P型半导体，杂质浓度高，空穴多，引出发射极e
• 集电区：P型半导体，杂质浓度低，面积大，引出集电极c

2.PNP三极管工作原理

PNP三极管的E极为P区，多子为空穴，因而流向B、C极的都是空穴。当发射结正偏时，E极的空穴流向B极（扩散运动），集电结反偏时，B区的少子（空穴）通过漂移运动流向C极（漂移运动），此时三极管结导通。仍然存在Ie=Ib+Ic，但是是由空穴引起的，所以跟NPN三极管相比，电流方向会相反。

三、三极管的仿真（放大篇）

对于三极管的放大作用了解即可，目前基本不用。

如上图所示，是PSpice自带的一个关于NPN三极管放大的一个仿真图。信号源是一个峰值为1.5V，频率为2K的一个交流信号，在上述仿真图中，发射结正偏，集电结反偏，Ic跟Ib成比例关系，仿真图如下。由图可知，输入信号跟输出信号反向，Ic约等于30倍的Ib。

在搭建电路时，要注意静态电压工作点尽量靠近输出曲线的中间值，选取的值过大，放大后的信号可能会出现饱和失真，过小可能会出现截止失真（饱和失真指的是基极电流可能是不失真的正弦波，但是经过放大后，由于相位相反，Uce的最低点可能会失真，截止失真同理）。

四、三极管的应用（开关篇）

在实际应用中，由于三极管处于截止区域时，电流Ic约等于0，所以功率很小；当三极管处于饱和区时，Uce深度饱和电压很小，因此功率也较小，所以三极管常用作开关器件，至于放大电路则选用集成运放。

如图所示，是一个NPN三极管作为一个开关控制LED亮灭的示例。

R2作为一个下拉电阻，具体作用可以查看电阻篇。

关于R1电阻的计算：

若想三极管导通，则需要发射结正偏、集电极正偏。若想集电结正偏，则需要Ub-Uc的值大于开启电压，通过手册查询，LED1的正向电压为2.8V，Uce压降约为0.1V，所以：

Ic=（3.3-2.8-0.1）V/470Ω=0.8mA

若三极管处于饱和状态，则有Ic<<β*Ib，通过查询S8050数据手册可得β等于250，即满足Ib>>0.0032mA即可使Ib处于饱和状态,流过R1的电流Ir1=（3.3-0.6）/R1=2.7mA，R1的电流分别流向了R2和Q1,通过分压公式得，R2两端电压为3V，所以流向R2两端的电流Ir2很小，这里忽略不计。

当单片机输出低电平时，三极管截止

下图是一个PNP型三极管作为一个控制开关，R2作为上拉电阻。若想三极管导通，则需要发射结正偏，集电结反偏，位于E极的空穴才能通过扩散运动流向B、C极。

五、光电三极管

光电三极管的特性跟普通三极管一致，这里不多介绍，感兴趣的可以自己去了解。如上图所示，光电三极管就是通过发光二极管产生的电流代替原来的B极，进而通过光照强度来控制Ic的大小。

三极管在电路设计中，比较少用作放大，基本上都是当成开关来使用，此外，也有一部分电路通过Ib和Ic反向的原理，用作于一个信号反相器。光电三极管了解一下就行，主要是要了解光耦的作用，后面会再介绍