電子元器件—三極管（一篇文章搞懂電路中的三極管）（筆記）（面試考試必備知識點）

三極管的定義及工作原理

1. 定義

三極管（Transistor）是一種具有三層半導體材料（P-N-P 或 N-P-N）構成的半導體器件，用于信號放大、開關控制和信號調制等應用。三極管有三個引腳：發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。

2. 工作原理

三極管是一種具有三層半導體材料（P-N-P 或 N-P-N）構成的電子器件，主要用于放大和開關電路。它的基本工作原理涉及到半導體的PN結特性。下面詳細解釋三極管的工作原理：

1. 基本結構

三極管有三個引腳：

發射極（Emitter）：發射電流的區域。
基極（Base）：控制電流的區域。
集電極（Collector）：收集電流的區域。

三極管的內部結構包括兩個PN結：

發射極-基極結（EB結）
基極-集電極結（BC結）

2. 工作原理

2.1 NPN型三極管

正向偏置：

發射極-基極結（EB結）：基極對發射極的電壓為正（基極電壓高于發射極電壓），這使得發射極-基極結正向導通。
基極-集電極結（BC結）：集電極對基極的電壓為正（集電極電壓高于基極電壓），這使得基極-集電極結反向偏置。

工作過程：

電子注入：當EB結正向偏置時，發射極中的電子被注入到基極。
電子傳輸：基極電流非常小，因為大部分電子穿過基極進入集電極。這是由于基極較薄且摻雜濃度較低。
電流放大：在集電極的電場作用下，進入基極的電子會迅速流向集電極。集電極電流（Ic）是基極電流（Ib）的放大倍數，即 Ic=β×IbIc = \beta \times IbIc=β×Ib（其中β為電流增益）。

工作狀態：

放大狀態：EB結正向偏置，BC結反向偏置，三極管工作在放大區。
飽和狀態：EB結和BC結均正向偏置，三極管工作在飽和區，集電極電流最大。
截止狀態：EB結和BC結均反向偏置，三極管不導電，集電極電流為零。

2.2 PNP型三極管

正向偏置：

發射極-基極結（EB結）：發射極對基極的電壓為正（發射極電壓高于基極電壓），使得發射極-基極結正向導通。
基極-集電極結（BC結）：基極對集電極的電壓為負（基極電壓高于集電極電壓），使得基極-集電極結反向偏置。

工作過程：

空穴注入：當EB結正向偏置時，發射極中的空穴被注入到基極。
空穴傳輸：基極電流非常小，因為大部分空穴穿過基極進入集電極。
電流放大：在集電極電場作用下，進入基極的空穴會迅速流向集電極。集電極電流（Ic）是基極電流（Ib）的放大倍數，即 Ic=β×IbIc = \beta \times IbIc=β×Ib。

工作狀態：

放大狀態：EB結正向偏置，BC結反向偏置，三極管工作在放大區。
飽和狀態：EB結和BC結均正向偏置，三極管工作在飽和區，集電極電流最大。
截止狀態：EB結和BC結均反向偏置，三極管不導電，集電極電流為零。

3. 三極管的工作區域

放大區（Active Region）：在此狀態下，三極管的集電極電流（Ic）與基極電流（Ib）之間存在線性關系。適用于放大應用。
飽和區（Saturation Region）：發射極-基極結和基極-集電極結均正向偏置，三極管導通，集電極電流最大。適用于開關應用。
截止區（Cutoff Region）：發射極-基極結和基極-集電極結均反向偏置，三極管不導通，集電極電流幾乎為零。適用于開關斷開狀態。

4. 應用

放大器：利用三極管的放大作用，將微弱信號放大至可用水平。
開關電路：利用三極管的飽和和截止狀態，實現電路的開關控制。
振蕩器：通過正反饋和放大作用，產生穩定的振蕩信號。

理解三極管的工作原理和特性，有助于在電路設計中正確應用三極管，實現信號放大、開關控制等功能。

2.1 NPN型三極管

正向偏置：基極（B）相對于發射極（E）具有正電壓，集電極（C）相對于發射極（E）具有更高的正電壓。
電子注入：基極-發射極結正向偏置，電子從發射極注入基極。
電流放大：電子通過基極進入集電極，形成集電極電流（Ic）。基極電流（Ib）控制集電極電流，且Ic = β * Ib，其中β是電流放大倍數。

2.2 PNP型三極管

正向偏置：基極（B）相對于發射極（E）具有負電壓，集電極（C）相對于發射極（E）具有更低的負電壓。
空穴注入：發射極-基極結正向偏置，空穴從發射極注入基極。
電流放大：空穴通過基極進入集電極，形成集電極電流（Ic）。基極電流（Ib）控制集電極電流，且Ic = β * Ib。

三極管的特性曲線及分類

1. 特性曲線

輸出特性曲線（Ic-Vce 曲線）：顯示了集電極電流（Ic）與集電極-發射極電壓（Vce）的關系，通常在不同的基極電流（Ib）下繪制。
轉移特性曲線（Ic-Ib 曲線）：顯示了集電極電流（Ic）與基極電流（Ib）的關系，反映了三極管的放大能力。

2. 分類

按極性分類：
- NPN型：基極電壓高于發射極，適用于常見的電子電路。
- PNP型：基極電壓低于發射極，適用于特定電路設計。
按用途分類：
- 小信號三極管：用于放大小信號，如2N2222。
- 功率三極管：用于處理大功率信號，如2N3055。
- 場效應管（FET）：有不同的工作原理和特性，如MOSFET和JFET

三極管在電子電路中有廣泛的應用，包括放大、開關、振蕩等功能。下面詳細介紹三極管的各種應用及其細節：

1. 放大電路

1.1. 共射極放大電路

工作原理：

結構：輸入信號施加在基極，輸出信號取自集電極。
特性：共射極放大電路具有較高的電壓增益和電流增益。輸入信號通過基極控制集電極電流的變化，從而實現信號的放大。

設計要點：

偏置電路設計：需要適當的偏置電阻，以確保三極管工作在放大區（Active Region）。常用的偏置方式有固定偏置、分壓偏置等。
耦合電容：用于隔離直流分量，只允許交流信號通過。
增益計算：電壓增益 AvA_vAv? 由集電極電阻 RCR_CRC? 和發射極電阻 RER_ERE? 決定。公式為 Av=RCreA_v = \frac{R_C}{r_e}Av?=re?RC??，其中 rer_ere? 是發射極的動態電阻。

1.2. 共集極放大電路（跟隨器）

工作原理：

結構：輸入信號施加在基極，輸出信號取自發射極。
特性：共集極電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，主要用于信號的緩沖和阻抗匹配。

設計要點：

電流增益：主要由三極管的 β 決定，增益通常接近 β 值。
輸出電阻：由于發射極接地，輸出電阻較低，適用于阻抗匹配。

1.3. 共基極放大電路

工作原理：

結構：輸入信號施加在發射極，輸出信號取自集電極。
特性：共基極電路具有高頻響應，適用于高頻放大。

設計要點：

頻率響應：共基極電路適用于高頻信號放大。
輸入阻抗：相對較低。

2. 開關電路

2.1. 電子開關

工作原理：

結構：在飽和區工作，基極電流控制集電極-發射極間的電流。
特性：三極管在飽和區時，集電極電流與基極電流成比例關系。

設計要點：

飽和電流：選擇適當的基極電流，確保三極管完全導通（飽和）。
防止過熱：在開關電路中，三極管可能會發熱，適當的散熱設計是必要的。

2.2. 繼電器驅動

工作原理：

結構：三極管控制繼電器的線圈，作為開關使用。
特性：通過控制三極管的導通與截止，實現對繼電器的開關控制。

設計要點：

繼電器的電流：選擇能夠承受繼電器線圈電流的三極管。
保護二極管：在繼電器線圈上并聯一個二極管，以吸收感應電流，防止對三極管造成損害。

3. 振蕩電路

3.1. LC振蕩器

工作原理：

結構：由三極管和電感、電容組成，形成LC振蕩器。
特性：通過三極管的放大作用，LC電路產生穩定的振蕩信號。

設計要點：

頻率選擇：通過調整電感和電容的值來設定振蕩頻率。
穩定性：需要適當的電源電壓和偏置電路，以保證振蕩頻率的穩定性。

3.2. RC振蕩器

工作原理：

結構：由三極管和電阻、電容組成，形成RC振蕩器。
特性：生成固定頻率的方波信號。

設計要點：

頻率計算：振蕩頻率由RC網絡決定。公式為 f=12πRCf = \frac{1}{2 \pi R C}f=2πRC1?。
穩定性：RC振蕩器的頻率穩定性較差，需要控制好電阻和電容的值。

4. 穩壓電路

4.1. 簡單穩壓器

工作原理：

結構：利用三極管和齊納二極管組成的穩壓電路。
特性：三極管在穩壓電路中作為反饋元件，以維持輸出電壓的穩定。

設計要點：

反饋回路：設計合適的反饋回路，確保輸出電壓的穩定性。
齊納二極管：選擇適當的齊納電壓，以設定輸出電壓。

4.2. 調整型穩壓器

工作原理：

結構：使用三極管和調整電阻（或電位器）來實現穩壓功能。
特性：可以調節輸出電壓，根據需要提供不同的電壓值。

設計要點：

調節范圍：選擇合適的電阻范圍和三極管，以實現所需的輸出電壓調節。

5. 三極管的封裝形式

5.1. TO-92

描述：常見的小型塑料封裝，適用于低功率應用。
特點：引腳間距小，適合較小的電路板布局。

5.2. TO-220

描述：適用于較高功率應用，具有較大的散熱片。
特點：提供良好的散熱性能，適用于功率三極管和穩壓器。

5.3. SOT-23

描述：表面貼裝封裝，適用于小型化電路板。
特點：適合高密度封裝要求，節省空間。

6. 用萬用表判斷三極管的類別和極性

6.1. 判斷三極管類型

測量：使用萬用表的二極管測試檔，測量三極管的各個引腳之間的電壓降。
判定：通過測量結果確定三極管的類型（NPN 或 PNP）。NPN型三極管在基極到發射極的方向上具有正向導通特性，而PNP型則相反。

6.2. 判斷極性

測試：使用萬用表測量發射極、基極和集電極之間的電壓降，確定每個引腳的功能和連接方式。

7. 結論

三極管是電子電路中的重要元件，能夠用于多種應用，包括放大、開關、振蕩和穩壓等。理解其工作原理、應用場景以及參數選擇對于設計和調試電子電路至關重要。通過適當的電路設計和正確的使用三極管，可以實現各種功能和應用需求。

三極管的參數及封裝形式

1. 主要參數

直流電流增益（β 或 hFE）：集電極電流（Ic）與基極電流（Ib）的比值。
集電極飽和電壓（Vce(sat)）：三極管在飽和狀態下的集電極-發射極電壓。
基極-發射極電壓（Vbe）：正向偏置時的基極-發射極電壓，通常為0.6V到0.7V（硅三極管）。
最大集電極電流（Ic(max)）：三極管所能承受的最大集電極電流。
最大集電極-發射極電壓（Vce(max)）：三極管所能承受的最大集電極-發射極電壓。

2. 封裝形式

TO-92：常見的小信號三極管封裝，適用于低功率應用。
TO-220：常見的功率三極管封裝，適用于高功率應用。
SOT-23：小型表面貼裝封裝，適用于空間受限的應用。

用萬用表判斷三極管的類別和極性

1. 判斷三極管的類型（NPN 或 PNP）

NPN三極管：將萬用表設置為二極管檔，分別測量基極-發射極（B-E）和集電極-基極（C-B）的正向電壓。如果B-E和C-B的正向電壓相近且有明顯正向電壓（約0.7V），則為NPN型。
PNP三極管：將萬用表反向連接（即紅表筆接發射極，黑表筆接基極），如果B-E和C-B的正向電壓都出現，且電壓方向與NPN型相反，則為PNP型。

2. 判斷極性