在电子设计领域，三极管 BJT（双极型晶体管）是一种极为重要的半导体器件，广泛应用于各类电子电路中。本篇将作为手把手教学的电子设计入门教程硬件类博客，侧重针对电子设计中的三极管 BJT 硬件电路进行详细介绍，包含 PNP 型与 NPN 型三极管，希望能给读者朋友的工程项目提供一些帮助。
三极管，全称双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT），是电子电路中常用的半导体器件。它有三个引脚，分别为发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector），能够实现电流放大或者开关控制的功能，是电子技术中的基本组件之一。三极管主要分为两种类型：NPN 型与 PNP 型。NPN 型三极管由一个 P 型半导体夹在两个 N 型半导体之间构成；PNP 型则由一个 N 型半导体夹在两个 P 型半导体之间构成。
图 1 三极管结构示意图
- NPN 型概述
NPN 型三极管是常见的三极管类型之一，由一个 P 型半导体材料夹在两个 N 型半导体材料之间构成。其结构包含三个部分：- 发射极（Emitter）：通常标有箭头的那一端，箭头指向外部，表示电子的流动方向。
- 基极（Base）：位于发射极和集电极之间，非常薄，用于控制从发射极到集电极的电流。
- 集电极（Collector）：接收从发射极穿过基极的电子。
图 2 NPN 型三极管结构
NPN 型三极管工作原理
当在基极和发射极之间施加一个正向偏置电压时，会有基极电流产生。这个基极电流会控制从发射极到集电极的电流，使得集电极电流随着基极电流的变化而变化，从而实现电流放大的功能。
NPN 型电路讲解
在实际电路中，NPN 型三极管可以用于放大电路、开关电路等。例如，在放大电路中，通过合理设置偏置电路，可以使三极管工作在放大状态，将输入的小信号放大为较大的信号。
- PNP 型概述
PNP 型三极管由两个 N 型半导体材料夹着一个 P 型半导体材料构成。与 NPN 型三极管相比，其工作原理类似，但偏置电压和电流的方向相反。其结构同样包含三个部分：- 发射极（Emitter）：通常标有箭头的一端，箭头指向内部，表示空穴的流动方向。
- 基极（Base）：位于发射极和集电极之间，控制从发射极到集电极的电流。
- 集电极（Collector）：接收从发射极穿过基极的空穴。
图 3 PNP 型三极管结构
PNP 型三极管工作原理
当在基极和发射极之间施加一个反向偏置电压时，会有基极电流产生，进而控制集电极电流，实现电流放大或开关控制的功能。
PNP 型电路讲解
PNP 型三极管在电路中的应用与 NPN 型类似，也可用于放大电路和开关电路等。在开关电路中，当三极管处于饱和状态时，相当于开关闭合；当处于截止状态时，相当于开关断开。
- 三极管的工作状态
三极管是以基极 b 电流 Ib 来驱动流过集电极 c 和发射极 e 电流的 IC 器件，其工作状态有四个：放大、截止、饱和、倒置。- 截止状态（Cutoff Region）
特点：基极电流（IB）接近于零，集电极电流（IC）也接近于零，集电极 - 发射极之间相当于开路，几乎没有电流流过。应用：作为开关使用时，截止状态相当于开关断开。 - 放大状态（Active Region）
特点：基极电流（IB）足够大，能控制集电极电流（IC），但不足以使三极管饱和。集电极电流（IC）与基极电流（IB）之间存在一定的比例关系，这个比例称为电流放大系数（β 或 hFE）。集电极 - 发射极之间存在一定的电压降，三极管能够放大输入信号。应用：作为放大器使用，可以放大电流或电压信号。 - 饱和状态（Saturation Region）
特点：基极电流（IB）非常大，三极管的集电极 - 发射极之间的电压降接近于零。集电极电流（IC）达到值，不再随基极电流的增加而增加。三极管失去放大能力，但可以流过较大的电流。应用：作为开关使用时，饱和状态相当于开关闭合。 - 状态转换（State transition）
从截止到放大：当基极电流增加到一定程度，三极管开始导通，进入放大状态。从放大到饱和：继续增加基极电流，三极管的集电极 - 发射极电压降会进一步减小，终进入饱和状态。从饱和到放大：减少基极电流，三极管从饱和状态退出，回到放大状态。从放大到截止：进一步减少基极电流，三极管将进入截止状态。
集 / 基 / 射电压关系为 IE = IB + IC，IC = β * IB。如果 IB = 0，那么 IE = IC = 0。对于 NPN 型三极管，电流从基极 / 集电极流进，发射极流出。当 IB = 0 时，IC→0，三极管处于截止状态，相当于开关断开；当 IB > 0 时，IB 轻微的变化会在 IC 上以几十甚至上百倍放大表现出来；当 IB 很大时，IC 达到值，不能继续随 IB 的增大而增大，三极管失去放大功能，表现为开关导通。
三极管的选型
在选择 PNP 型与 NPN 型三极管时，需要考虑以下几个问题：
- 耐压是否足够，以确保三极管在电路中能够承受相应的电压。
- 负载电流是否够大，满足电路的电流需求。
- 速度是否够快（有时可能需要慢速），适应电路的工作频率。
- B 极控制电流是否足够，保证三极管能够正常工作。
- 有时可能需要考虑功率问题，避免三极管因功率过大而损坏。
- 有时要考虑漏电流问题，确保三极管能够 “完全” 截止。
- 一般情况下，对增益的要求不是很高，但在某些特殊应用中也需要考虑。
三极管放大电路的功率增益
- 3 种放大电路的性能综述：三极管放大电路主要有共发射极、共集电极和共基极三种类型，每种类型都有其独特的性能特点，如电压增益、电流增益、输入输出阻抗等。
- 中国三极管放大倍数的标记方法：在中国，三极管放大倍数通常有特定的标记方法，方便用户在选型时了解三极管的放大性能。
