三极管的奥秘：如何用小电流控制大电流

双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个引脚的电子元器件。

本文是讲述的是三极管的基础知识。本文涉及到三极管管的基本工作原理、特性曲线以及线性和开关操作。还涉及到了三极管基础应用电路。最后我们进行了一些实验。

三极管基础知识

讲解了NPN和PNP三极管的符号、引脚排列和工作原理。

NPN 和 PNP

三极管有两种基本类型，即NPN型和PNP型。在这两种类型中，NPN型的三极管更为常用，所以我们将主要讨论NPN型的三极管。请记住，我们关于NPN型的三极管的所有内容，实际上和PNP型的三极管基本相同，只是我们要把所有涉及到的极性都反过来。极性是指结的电压极性和流经它们的电流极性。

下面是NPN型和PNP型三极管的原理图符号：

从三极管的符号图中可以看到，三极管的三个引脚分别是：

Collector: 集电极
Base: 基极
Emitter: 发射极

不论是NPN还是PNP, 有箭头的引脚是发射极，箭头总是指向N型半导体材料。NPN型和PNP型的三极管，你可以看到箭头都是指向N型半导体的。

三极管由三种半导体组成：

下面是一些常见的小信号三极管封装的引脚排列方式：

塑料封装的TO-92通常是如上图这样排列的。金属罐封装的TO-18通常也是如上图排列的，靠近伸出来的小金属片的是发射极。SOT-23封装通常是如上图排列的，集电极是单独的一个引脚。【注意】，是通常，并不是所有，具体以三极管数据手册为准。

当然，三极管还有许多其他不同的封装类型，比如 TO-220，这是一种带有金属散热片的塑料封装：

TO-3，是一种用于更高功率应用的封装，以及其他几十种不同的封装类型。所以，当你使用这些三极管时，最好能查看数据手册，以验证引脚的排列方式。

上图，从左到右：SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3

基础知识

复习二极管

复习一下二极管的相关知识：

二极管是一种半导体器件，它有两个电极：正极（阳极）和负极（阴极）。二极管的内部是由n型半导体和p型半导体相接而成的pn结。pn结的两侧存在一个内部电场，它阻碍了电流的流动。

正向偏置是指将电源的正极连接到二极管的p型侧，负极连接到n型侧，这样就使得外部电场与内部电场方向相反，从而降低了pn结的电势差，使得电荷载流子能够跨越pn结，形成电流。

反向偏置是指将电源的正极连接到二极管的n型侧，负极连接到p型侧，这样就使得外部电场与内部电场方向相同，从而增加了pn结的电势差，使得电荷载流子难以跨越pn结，形成很小的电流。

下图是二极管的正向偏置和反向偏置的示意图：

导通和截止

下文中，我们把基极与发射极之间的 PN 结称为发射结, 基极与集电极之间的 PN 结称为集电结：

下面是理解三极管原理的三条关键信息：

首先，发射结的行为就像一个二极管，它可以正向偏置，也可以反向偏置，它可以导通，也可以截止。
其次，当发射结正向偏置时，允许电流在集电极和发射极之间流动。所以，如果我有足够的偏置电压来打开这个二极管，即基极-发射极的 PN 结，电流就可以从集电极流向发射极。
第三，当发射结没有正向偏置，也就是是截止的时候，集电极和发射极之间 没有电流流动。例如，如果基极接地，发射结就没有导通，这个二极管就相当于关闭了，相应的电流就不会从集电极流向发射极。

当发射结正偏时，电流可以在集电极和发射极之间流动, 三极管处于导通状态：

当三极管导通时，发射结的行为就像一个二极管，所以基极和发射极之间的电压降通常在0.6到0.7伏之间，非常类似于硅二极管。

当基极-发射极没有正向偏置，也就是是截止的时候，集电极和发射极之间没有电流流动，三极管处于截止状态:

工作区

工作区定义

根据发射结和集电结的偏置状态，可以定义三极管的几个不同的工作区。

截止区：当发射结电压小于导通电压（约0.6-0.7V），发射结没有导通，集电结处于反向偏置，三极管没有电流放大作用，相当于一个断开的开关。
放大区：当发射结电压大于导通电压，发射结正偏，集电结反偏，三极管的基极电流控制着集电极电流，集电极电流与基极电流近似于线性关系，三极管起到电流放大作用，相当于一个可调的电阻。
饱和区：当集电极电流增大到一定程度时，再增大基极电流，集电极电流也不会增大，集电结也正偏，三极管的电流放大系数变小，相当于一个闭合的开关。

三极管电路有上千万种，总体上分为两种：

放大电路
- 发射结正偏（B-E foreword biased）
- 集电结反偏（C-B reversed biased）
开关电路
- 发射结正偏（B-E foreword biased）
- 集电结正偏（C-B foreword biased）

放大电路工作在三极管的线性工作区，开关电路工作在三极管的截止区和饱和区。

特性曲线

对于特性曲线，你能理解就理解，不能理解，就先放着，本文之所以加上特性曲线这一部分，是因为三极管的工作区来自于特性曲线。

三极管的伏安特性曲线是描述三极管各电极电流和电压之间关系的图形。三极管有三种连接方式：共发射极、共集电极和共基极（对于这三种连接方式，不理解没关系，以后会讲）。不同的连接方式有不同的特性曲线。一般来说，最常用的是共发射极电路，它有两种特性曲线：输入特性和输出特性。

输入特性是指在集电极电压UCE为某一定值时，基极电流IB和发射结电压UBE之间的关系。输入特性曲线的形状类似于二极管的伏安特性曲线，因为发射结是一个正偏的PN结。输入特性曲线可以反映出三极管的输入电阻，即Rin=ΔUBE/ΔIB。输入电阻一般很小，约为几十欧姆到几百欧姆。
输出特性是指在基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC和集电极电压UCE之间的关系。输出特性曲线可以分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。

下图是三极管的输入特性曲线和输出特性曲线：

蓝色虚线左边的区域为饱和区（Saturation）；

由蓝色虚线、红色虚线和棕色虚线包围的区域为放大区（Active），在这个区域里，发射极电流与基极电流成近似线性关系；

红色虚线下方表示三极管尚未导通，处于截止区（Cut-off）；

为开启三极管的最小基极电流；

ps不熟，特性曲线我没有涂上颜色，你可以参照下图，给上图脑补上颜色^_^：

放大区

放大区或者线性工作区域是这样的，集电极-基极的结总是反向偏置的，这意味着通常情况下，集电极电压是等于或大于基极电压的，它甚至可以被稍微比基极电压低一点，但不要降低到足以打开集电极-基极的结的程度。

在特性曲线的放大区，你画一条垂直的线，上图的红色线，含义如下：集电极和发射极之间的电压（UCE）不变，增加基极电流 IB， IC 会相应增加。

放大的是啥

在线性工作区，我们会施加一定的正向偏置电压到基极，目的是打开发射结。基极通常会有一个电阻，用来限制基极电流，因为基极-发射极之间有一个PN结，也就是二极管，二极管一般都会加一个限流电阻。有时候这个限流电阻会在基极前面，有时候会在发射极后面，有时候会两个地方都有。在这两种情况下，基极-发射极两个引脚之间的压差通常在0.6到0.7伏之间，当然有些大功率三极管，这个压差可能会更大一些，但这个值对于小信号处理三极管来说是非常常见的。所以，如果我们忽略了三极管的集电极，只把它看作一个二极管（基极-发射极之间的二极管），这里的特性遵循二极管伏安特性曲线，就像一个典型的二极管一样：

关于三极管的一个神奇之处是，当你对基极施加电压，以让少许基极电流通过发射结时，它允许更大的集电极流流向发射极，而集电极电流将比基极电流高出很多倍，通常是100到200倍。这个因子被称为β，有时它写成hfe。所以，一小部分基极电流可以导致一个较大的集电极电流流，也就是放大。

发射极电流，也就是从发射极流出的电流，是基极电流和集电极电流的总和。

问题来了

对于线性工作区，一个问题值得思考。在线性工作区中，发射结是正向偏置的, 集电结是反偏的。为啥还会有集电极电流流过反偏的集电结？

欲知后事如何，接着往下看。

饱和区

当用作开关时，一般是控制一个负载元器件通电、断电。也许是点亮或者关闭一个 LED，也许是控制蜂鸣器的开启、关闭。这种使用模式中，我们通过正向偏置发射结来打开三极管，但是通常如下图所示的负载产生的电压降会把集电极的电压降低到足以实际打开集电结的程度。所以，此时三极管集电极和发射极之间的电压非常小。这通常被称为开关工作模式，这时三极管处于所谓的饱和工作区。

四两如何拨千斤

我们来回答前面的问题：电流是如何流过一个反向偏置的 PN 结的呢？

为了回答这个问题，我们必须必须深入三极管内部：

三极管是由三种半导体材料组成的，上图中，从上往下看依次是：N型半导体，P型半导体和一个N型半导体。N型半导体材料中有很多自由电子，对于三极管来说，特别是发射极，制造环节会进行重度掺杂，是三极管三个区中最多掺杂的，意味着有很多自由电子，很容易被移动并转化为电流。三极管的基区通常非常！非常！非常！薄！现代三极管基区的厚度可能是10纳米到20纳米，而N区的厚度可能为 100纳米以上。基区还有一个特点，非常非常轻度掺杂，意味着由于它是P型的，但是空穴很少。基区的 非常薄和非常轻掺杂的特性是三极管工作的关键。

这个非常薄的基区的创意想法就来自于三位老前辈 76 年前发明的点接触式三极管：

在此之前，半导体二极管已经存在了，电子三极管已经存在了，人们想制作半导体三极管的想法也已经很久了，但是没人想到，问题的关键在这个薄上。

我们复习一下二极管耗尽区。

二极管耗尽区（diode depletion region）是指PN结中的无载流子区域，它是由PN结中的空穴和电子再结合而形成的。在这个区域中，电子和空穴被吸引到PN结的反向偏置区域，形成一个带有净正电荷的中性区域。这个区域的存在使得PN结处于截止状态，阻止了电流的流动。

三极管内部基极-集电极之间的PN结，就像任何PN结一样，会在两种半导体结合地方得到一个没有任何载流子的耗尽区。当我们打开NPN三极管时（把它想成一个开关），我们实际上是通过在基极-发射极之间施加一个偏置电压来克服这个耗尽区，这样就开始把电子吸引到 P 型材料构成的基区，从而产生基极电流。结合二极管的导通的相关知识，这是比较容易理解的。

当我们谈论电子的移动时，有一点要记住，他们是沿着传统电流流动的相反方向移动的。当我们打开基极-发射极的结，就像一个二极管一样，电子被吸引穿过了这个耗尽区，并且与基区的空穴复合。

由于基区特别薄，有少许空穴，而发射区又进行了重度掺杂，有大量的自由电子，一旦我们打开基极-发射极的 PN 结，很多这些电子就被吸引到基区，但是实际上只有很少的电子会与空穴复合并形成基极电流。其余的电子，它们进入薄薄的基区后（这个薄很关键），被集电极的正电势吸引。也就是说，大量的电子，到达基区，它们找不到一个空穴结合，因为很少，并且基区很薄，它们被正的集电极电势吸引，然后它们突破了基极和集电极之间的耗尽区，被集电极收集起来。事实是，只有大约百分之一的电子到达基区，形成基极电流，其余的电子突破耗尽区到达了集电极，所以到达集电极的电子，到基极引脚的电子多得多，这就是β因子，集电极电流大约是基极电流的100到200倍。

从上面这一段话也可以看出集电极为什么叫集电极，收集电子的意思。发射极为什么叫发射极，发射电子的意思。

最后形成的效果就是，基极很像一个阀门，可以打开，也可以关闭，还可以调节流量。0.6-0.7 基极电压吸引大量电子进来，只有一少部分形成基极电流，大多数电子到达了集电极，形成了比基极电流大大约100-200倍的集电极电流。

以上就是我们对小电流如何控制大电流，四两如何拨千斤的解释！

两手都要硬

模拟电路的学习需要理论和实践相结合，这两者彼此相辅相成，互相促进，缺一不可。用邓爷爷的一句话来说就是：两手都要抓，两手都要硬！

放大电路实验

实验电路如下：

实验电路用到的器件如下：

元器件：

三极管：S8050
基极限流电阻 RB: 10k 到 100k 之间即可，用于限制基极电流。我使用 20k

供电：

一个可调电源：用于给基极供电
一个可调电源：用于给集电极供电

测量仪表：

电流表：测量基极电流
电流i包：测量集电极电流
电压表：测量基极基极电压
电压表：测量集电极电压

基极电流变化

可调电源 9V 固定，接到三极管集电极（Collector）, 看基极电流和集电极电流的关系。我们可以把基极电流认为是输入，集电极电流认为是输出。

搭建好的实验电路如下：

从左到右四块表分表测量如下：基极电流，基极电压、集电极电压、集电极电流。最左边电流表的量程是50uA, 也就是右摆到头是50uA; 最左边电流表的挡位是 20mA 。

两台可调电源：

左边的汉泰可调电源用于给集电极供电，右边的用于用于给基极供电。汉泰的电源很不错推荐购买。

实验开始

实验开始，我打开 9V 可调电源，基极电压调到0V。

上图可以看到，集电极（Collector）电压是 8.99V，但是几乎没有集电极电流（指针左到头），基极电流是零，此时基极-发射极之间的 PN 结是关闭的。

突破

我们将逐渐调大基极电压，在 0.4 V之前，基本没有电流：

我们可以看到，当开始提高基极-发射极的电压时，即使我在0.436伏左右，仍然没有集电极或基极电流流动，因为，发射结就像一个二极管，我们需要达到大约0.6伏，才能产生一些基极电流。

10uA

我们继续调大基极电压，当基极电压达到：0.622V, 此时基极电流是 10uA, 集电极电流是 2.64mA, 放大倍数= 2.64mA/10uA = 264 倍。

20uA

当基极电压达到 0.636V, 此时基极电流是 20uA, 集电极电流是 5.75mA。此时基极电流翻倍，集电极电流也基本翻倍了。放大倍数：286。

30uA

当基极电压达到 0.642V, 此时基极电流是 30uA, 集电极电流是 8.75 mA。基极电流三倍，集电极电流也基本基本也是三倍了。放大倍数：292。

40uA

当基极电压达到 0.643V, 此时基极电流是 40uA, 集电极电流是 12.07 mA。基极电流是最初的四倍，集电极电流也基本基本也是四倍了。放大倍数：291。

线性关系

基极（Base）电流和集电极(Collector)电流统计数据填写到 Excel 表格中，然后转成曲线图：

从上面的曲线图可以看出：集电极电流和基极电流具有 很明显的线性关系。该直线的斜率即为放大倍数β。这也是三极管线性（Linear）工作区命名的来由。

实验技巧

基极电流取整。有利于速算出和集电极电流的关系。
万用表贴标签。知道哪个表是测哪个项目的。
电流表用指针表。方便看变化关系。
如果探讨的是两个变量之间的关系，考虑将数据转换为曲线图。曲线图有利于直观的查看两个变量的关系。

集电极电压变化

当集电极电压是 10V ，基极电流是 30uA 时，集电极电流是 7.98 mA：

我们保持基极电压或者电流不变，将集电极电压由 10V 改为 5V, 集电极电流为 6.8mA:

集电极电压变为原来的 1/2，集电极电流基本保持不变，仍为原来的：85%。

可见，集电极电压对集电极电流的影响，很小。这种小的集电极电流变化是由一种早期效应（early effect）造成的。我们改期再讲。

在这里，我们忽略集电极电压对集电极电流的影响，认为集电极电流只与基极电流有关。

开关电路实验

用作开关时，我们把三极管置于饱和状态，和放大区是一样的，发射结是正向偏置的，但是在饱和区，，负载两边的压差是如此之大，以至于能够把集电极的电压降低到基极和集电极之间的 PN 结被打开的程度。

一旦发生这种情况，你就会得到一个增大的基极电流，因为现在基极和集电极之间也有电流了。这使得看起来 β下降了。

你会发现，当放大到某个程度，饱和的三极管的集电极电流实际上只受到负载和电源的限制。也就是说在这种情况下，主要的电压降发生在LED和限流电阻上，因为通常在饱和状态下，这个集电极和发射极之间的电压可能只有几百毫伏，甚至更小，可能只有几十毫伏。所以一旦发生这种情况，你几乎可以认为这个三极管是短路的，集电极电流只由电源和负载决定。进一步增加基极电压只会导致更多的基极电流，这对我们没有任何用处。

实验电路：