电子元器件—三极管（一篇文章搞懂电路中的三极管）（笔记）（面试考试必备知识点）

三极管的定义及工作原理

1. 定义

三极管（Transistor）是一种具有三层半导体材料（P-N-P 或 N-P-N）构成的半导体器件，用于信号放大、开关控制和信号调制等应用。三极管有三个引脚：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。

2. 工作原理

三极管是一种具有三层半导体材料（P-N-P 或 N-P-N）构成的电子器件，主要用于放大和开关电路。它的基本工作原理涉及到半导体的PN结特性。下面详细解释三极管的工作原理：

1. 基本结构

三极管有三个引脚：

发射极（Emitter）：发射电流的区域。
基极（Base）：控制电流的区域。
集电极（Collector）：收集电流的区域。

三极管的内部结构包括两个PN结：

发射极-基极结（EB结）
基极-集电极结（BC结）

2. 工作原理

2.1 NPN型三极管

正向偏置：

发射极-基极结（EB结）：基极对发射极的电压为正（基极电压高于发射极电压），这使得发射极-基极结正向导通。
基极-集电极结（BC结）：集电极对基极的电压为正（集电极电压高于基极电压），这使得基极-集电极结反向偏置。

工作过程：

电子注入：当EB结正向偏置时，发射极中的电子被注入到基极。
电子传输：基极电流非常小，因为大部分电子穿过基极进入集电极。这是由于基极较薄且掺杂浓度较低。
电流放大：在集电极的电场作用下，进入基极的电子会迅速流向集电极。集电极电流（Ic）是基极电流（Ib）的放大倍数，即 Ic=β×IbIc = \beta \times IbIc=β×Ib（其中β为电流增益）。

工作状态：

放大状态：EB结正向偏置，BC结反向偏置，三极管工作在放大区。
饱和状态：EB结和BC结均正向偏置，三极管工作在饱和区，集电极电流最大。
截止状态：EB结和BC结均反向偏置，三极管不导电，集电极电流为零。

2.2 PNP型三极管

正向偏置：

发射极-基极结（EB结）：发射极对基极的电压为正（发射极电压高于基极电压），使得发射极-基极结正向导通。
基极-集电极结（BC结）：基极对集电极的电压为负（基极电压高于集电极电压），使得基极-集电极结反向偏置。

工作过程：

空穴注入：当EB结正向偏置时，发射极中的空穴被注入到基极。
空穴传输：基极电流非常小，因为大部分空穴穿过基极进入集电极。
电流放大：在集电极电场作用下，进入基极的空穴会迅速流向集电极。集电极电流（Ic）是基极电流（Ib）的放大倍数，即 Ic=β×IbIc = \beta \times IbIc=β×Ib。

工作状态：

放大状态：EB结正向偏置，BC结反向偏置，三极管工作在放大区。
饱和状态：EB结和BC结均正向偏置，三极管工作在饱和区，集电极电流最大。
截止状态：EB结和BC结均反向偏置，三极管不导电，集电极电流为零。

3. 三极管的工作区域

放大区（Active Region）：在此状态下，三极管的集电极电流（Ic）与基极电流（Ib）之间存在线性关系。适用于放大应用。
饱和区（Saturation Region）：发射极-基极结和基极-集电极结均正向偏置，三极管导通，集电极电流最大。适用于开关应用。
截止区（Cutoff Region）：发射极-基极结和基极-集电极结均反向偏置，三极管不导通，集电极电流几乎为零。适用于开关断开状态。

4. 应用

放大器：利用三极管的放大作用，将微弱信号放大至可用水平。
开关电路：利用三极管的饱和和截止状态，实现电路的开关控制。
振荡器：通过正反馈和放大作用，产生稳定的振荡信号。

理解三极管的工作原理和特性，有助于在电路设计中正确应用三极管，实现信号放大、开关控制等功能。

2.1 NPN型三极管

正向偏置：基极（B）相对于发射极（E）具有正电压，集电极（C）相对于发射极（E）具有更高的正电压。
电子注入：基极-发射极结正向偏置，电子从发射极注入基极。
电流放大：电子通过基极进入集电极，形成集电极电流（Ic）。基极电流（Ib）控制集电极电流，且Ic = β * Ib，其中β是电流放大倍数。

2.2 PNP型三极管

正向偏置：基极（B）相对于发射极（E）具有负电压，集电极（C）相对于发射极（E）具有更低的负电压。
空穴注入：发射极-基极结正向偏置，空穴从发射极注入基极。
电流放大：空穴通过基极进入集电极，形成集电极电流（Ic）。基极电流（Ib）控制集电极电流，且Ic = β * Ib。

三极管的特性曲线及分类

1. 特性曲线

输出特性曲线（Ic-Vce 曲线）：显示了集电极电流（Ic）与集电极-发射极电压（Vce）的关系，通常在不同的基极电流（Ib）下绘制。
转移特性曲线（Ic-Ib 曲线）：显示了集电极电流（Ic）与基极电流（Ib）的关系，反映了三极管的放大能力。

2. 分类

按极性分类：
- NPN型：基极电压高于发射极，适用于常见的电子电路。
- PNP型：基极电压低于发射极，适用于特定电路设计。
按用途分类：
- 小信号三极管：用于放大小信号，如2N2222。
- 功率三极管：用于处理大功率信号，如2N3055。
- 场效应管（FET）：有不同的工作原理和特性，如MOSFET和JFET

三极管在电子电路中有广泛的应用，包括放大、开关、振荡等功能。下面详细介绍三极管的各种应用及其细节：

1. 放大电路

1.1. 共射极放大电路

工作原理：

结构：输入信号施加在基极，输出信号取自集电极。
特性：共射极放大电路具有较高的电压增益和电流增益。输入信号通过基极控制集电极电流的变化，从而实现信号的放大。

设计要点：

偏置电路设计：需要适当的偏置电阻，以确保三极管工作在放大区（Active Region）。常用的偏置方式有固定偏置、分压偏置等。
耦合电容：用于隔离直流分量，只允许交流信号通过。
增益计算：电压增益 AvA_vAv 由集电极电阻 RCR_CRC 和发射极电阻 RER_ERE 决定。公式为 Av=RCreA_v = \frac{R_C}{r_e}Av=reRC，其中 rer_ere 是发射极的动态电阻。

1.2. 共集极放大电路（跟随器）

工作原理：

结构：输入信号施加在基极，输出信号取自发射极。
特性：共集极电路具有高输入阻抗和低输出阻抗，主要用于信号的缓冲和阻抗匹配。

设计要点：

电流增益：主要由三极管的 β 决定，增益通常接近 β 值。
输出电阻：由于发射极接地，输出电阻较低，适用于阻抗匹配。

1.3. 共基极放大电路

工作原理：

结构：输入信号施加在发射极，输出信号取自集电极。
特性：共基极电路具有高频响应，适用于高频放大。

设计要点：

频率响应：共基极电路适用于高频信号放大。
输入阻抗：相对较低。

2. 开关电路

2.1. 电子开关

工作原理：

结构：在饱和区工作，基极电流控制集电极-发射极间的电流。
特性：三极管在饱和区时，集电极电流与基极电流成比例关系。

设计要点：

饱和电流：选择适当的基极电流，确保三极管完全导通（饱和）。
防止过热：在开关电路中，三极管可能会发热，适当的散热设计是必要的。

2.2. 继电器驱动

工作原理：

结构：三极管控制继电器的线圈，作为开关使用。
特性：通过控制三极管的导通与截止，实现对继电器的开关控制。

设计要点：

继电器的电流：选择能够承受继电器线圈电流的三极管。
保护二极管：在继电器线圈上并联一个二极管，以吸收感应电流，防止对三极管造成损害。

3. 振荡电路

3.1. LC振荡器

工作原理：

结构：由三极管和电感、电容组成，形成LC振荡器。
特性：通过三极管的放大作用，LC电路产生稳定的振荡信号。

设计要点：

频率选择：通过调整电感和电容的值来设定振荡频率。
稳定性：需要适当的电源电压和偏置电路，以保证振荡频率的稳定性。

3.2. RC振荡器

工作原理：

结构：由三极管和电阻、电容组成，形成RC振荡器。
特性：生成固定频率的方波信号。

设计要点：

频率计算：振荡频率由RC网络决定。公式为 f=12πRCf = \frac{1}{2 \pi R C}f=2πRC1。
稳定性：RC振荡器的频率稳定性较差，需要控制好电阻和电容的值。

4. 稳压电路

4.1. 简单稳压器

工作原理：

结构：利用三极管和齐纳二极管组成的稳压电路。
特性：三极管在稳压电路中作为反馈元件，以维持输出电压的稳定。

设计要点：

反馈回路：设计合适的反馈回路，确保输出电压的稳定性。
齐纳二极管：选择适当的齐纳电压，以设定输出电压。

4.2. 调整型稳压器

工作原理：

结构：使用三极管和调整电阻（或电位器）来实现稳压功能。
特性：可以调节输出电压，根据需要提供不同的电压值。

设计要点：

调节范围：选择合适的电阻范围和三极管，以实现所需的输出电压调节。

5. 三极管的封装形式

5.1. TO-92

描述：常见的小型塑料封装，适用于低功率应用。
特点：引脚间距小，适合较小的电路板布局。

5.2. TO-220

描述：适用于较高功率应用，具有较大的散热片。
特点：提供良好的散热性能，适用于功率三极管和稳压器。

5.3. SOT-23

描述：表面贴装封装，适用于小型化电路板。
特点：适合高密度封装要求，节省空间。

6. 用万用表判断三极管的类别和极性

6.1. 判断三极管类型

测量：使用万用表的二极管测试档，测量三极管的各个引脚之间的电压降。
判定：通过测量结果确定三极管的类型（NPN 或 PNP）。NPN型三极管在基极到发射极的方向上具有正向导通特性，而PNP型则相反。

6.2. 判断极性

测试：使用万用表测量发射极、基极和集电极之间的电压降，确定每个引脚的功能和连接方式。

7. 结论

三极管是电子电路中的重要元件，能够用于多种应用，包括放大、开关、振荡和稳压等。理解其工作原理、应用场景以及参数选择对于设计和调试电子电路至关重要。通过适当的电路设计和正确的使用三极管，可以实现各种功能和应用需求。

三极管的参数及封装形式

1. 主要参数

直流电流增益（β 或 hFE）：集电极电流（Ic）与基极电流（Ib）的比值。
集电极饱和电压（Vce(sat)）：三极管在饱和状态下的集电极-发射极电压。
基极-发射极电压（Vbe）：正向偏置时的基极-发射极电压，通常为0.6V到0.7V（硅三极管）。
最大集电极电流（Ic(max)）：三极管所能承受的最大集电极电流。
最大集电极-发射极电压（Vce(max)）：三极管所能承受的最大集电极-发射极电压。

2. 封装形式

TO-92：常见的小信号三极管封装，适用于低功率应用。
TO-220：常见的功率三极管封装，适用于高功率应用。
SOT-23：小型表面贴装封装，适用于空间受限的应用。

用万用表判断三极管的类别和极性

1. 判断三极管的类型（NPN 或 PNP）

NPN三极管：将万用表设置为二极管档，分别测量基极-发射极（B-E）和集电极-基极（C-B）的正向电压。如果B-E和C-B的正向电压相近且有明显正向电压（约0.7V），则为NPN型。
PNP三极管：将万用表反向连接（即红表笔接发射极，黑表笔接基极），如果B-E和C-B的正向电压都出现，且电压方向与NPN型相反，则为PNP型。

2. 判断极性