硬件基础知识补全计划【六】BJT 晶体管（三极管）

崔佳宇_

已于 2024-11-08 18:22:22 修改

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分类专栏：硬件设计文章标签：嵌入式硬件单片机

于 2024-11-07 22:07:09 首次发布

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一、三极管理论

1.1 三极管是什么？

晶体三极管（Transistor）是一种半导体电子器件，也是电子工程中最基本的元件之一。它有三个区域，分别是 P 型半导体，N 型半导体和 P 型半导体，从而形成 PNP 型晶体三极管或者 NPN 型晶体三极管。

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。我们可以给他等效的看作为一个电流控制的电阻。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP 和 NPN 两种。

在原理图符号中，箭头指向则是 P 半导体。

三极管导通的条件是 PN 结正向偏置，即 P 和 N 形成电势差（P 电压比 N 大），具体电压取决于 Vbe 导通电压。

导通后，至于具体的放大倍数，则取决于 b 端的电流。我们可以等效看作三极管是一个电流控制的电阻。电流越大，CE 之间的电阻越低。

二、三极管状态详解

代称	概念
Ib	流过 B 极的电流
Ic	流过 C 极的电流
Ie	流过 E 极的电流
Vbe	BE 极之间的电压
Vcb	CB 极之间的电压
Vce	CE 极之间的电压

在其中，Ie 电流等于 Ib 和 Ic 的总和。如下图所示：

2.1 截至状态

当 Vbe 电压为 < Uon，而且Vbe < Vce 时，此时处于截至状态，三极管完全不导通。

Uon 指的是导通电压，一般为 0.7v

2.2 放大状态

Ube<Vce 而且 Vbe>Von 处于放大状态，此时IC的电流等于 IB*160，三极管使用小电流推动了大电流。

2.3 饱和状态

Vbe > Vce 时，三极管处于饱和状态，这也是我们最常用的状态，此时三极管被完全打开，IC 的则完全取决于供给端的电流，不在做限流。

而且此时三极管的压降非常小，也就是 Vce 会很小，只有零点几伏，相当于开关闭合，很适合驱动一些电路。

2.4 区间图解析

横轴是Vce的电压，纵向是Lc的的电流。

最终决定的 Lc 的电流其实是 Ib 的电流，我们可见，在 Ib = 80uA 的时候，与之对应的 Ic 是 4mA，电流放大倍数是五十倍。

三、参数解读

高特公司 S8050 二极管参数解读

所示是S8050的极限参数表，它反映了三极管极间电压的最大值、集电极电流持续最大值、使用以及储藏温度等信息，这些参数就是S8050的“生命线”，如果在使用中超过这些极限，那三极管就会损坏。

极限参数我们主要关注：

3.1 BVceo 集电极-发射极反向击穿电压

BVceo 是三级管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压。如果在使用中加载集电极与发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的集电电流，这种现象叫击穿。三极管击穿后会造成永久性损坏或性能下降。

电器性能参数我们主要关注：

3.1 Icm 集电极最大允许电流

三极管工作时，当它的集电极电流超过一定数值时，他的电流放大系数β将下降。为此规定三级电流放大系数 β 变化不超过允许值时的集电极最大电流称为Icm。所以在使用中当集电极电流 Ic 超过Icm 时不至于损坏三级管，但会使 β 值减小，影响电路的工作性能。

3.2 fT 特征频率

随着工作频率的升高，三极管的放大能力将会下降，对应β=1时的频率fT叫作三极管的特征频率。

3.3 hFE 直流增益

基极的电流推动发射极的增益倍数，并不是一个常数，他也由集电极电流影响有关。

曲线如下图，可见在Ic电流大于 100mA 后放大倍数骤减

四、使用案例

4.1 NPN 三极管开关

GPIO 引脚一般供给 3.3V 电压，三极管 Vce 电压经过 R63 和 D11 压降后，应该低于 3.3V。所以三极管工作在饱和状态，三极管被完全打开，所有的电流施加到 Vce 上。

4.2 PNP 三极管开关

4.3 腾图驱动电路

如果选择MOS管寄生电容比较大，电源IC内部的驱动能力又不足时，需要在驱动电路上增强驱动能力，常使用图腾柱电路增加电源IC驱动能力，其电路如图 2虚线框所示。

这种驱动电路作用在于，提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。

4.4 稳压电路

R1 和 Z1 构成简单的稳压电路，当 VIN(V15) 的电压高于 z1 的稳压值 Vz 时，Z1 的负极被稳压在
Vz。

Z1 的负极连接到三极管的基极，三极管发射极 E 是输出，形成了一个射极跟随器，也就是说E极的电压随着 B 电压变化而变化，但 BE 之间有一个压降，一般硅管 0.7V 左右，假设 B 极是 6.7V，那 E 极就是 6.7-0.7=6V，所以就有一个公式 VOUT=Vz-Vbe，可以根据 VOUT 来选择合适的稳压管。