33、电子晶体管：原理、应用与类型解析

电子晶体管：原理、应用与类型解析

1. 单结晶体管（UJT）与可编程单结晶体管（PUT）

单结晶体管（UJT）和可编程单结晶体管（PUT）在电子电路中有着独特的应用。

1.1 简单振荡器电路

简单的振荡器电路可以基于UJT或PUT构建。在电源电压的作用下，电容器开始充电，当UJT的发射极或PUT的阳极电位达到阈值电压时，电容器通过发射极或阳极放电，然后整个周期重新开始。为了使LED灯有明显闪烁，可使用电容值为2.2 μF的电容器；若电容值较小，电路将产生更快的振荡。在PUT电路中，修改R1和R2的值可以精确控制触发电压。

以下是UJT和PUT振荡器电路的工作流程：

graph LR
    A[电源电压开始] --> B[电容器充电]
    B --> C{UJT发射极或PUT阳极电位达到阈值?}
    C -- 是 --> D[电容器通过发射极或阳极放电]
    D --> B
    C -- 否 --> B

1.2 常见应用

目前，PUT最常见的应用是触发晶闸管。

1.3 可能出现的错误

• 术语混淆 ：PUT有时会与UJT混淆，但它们的工作方式完全不同，因此应始终使用“可编程单结晶体管”的完整名称或简称PUT。如果将PUT和UJT互换，电路将无法正常工作。
• 极化不当 ：UJT和PUT不适用于反向偏置。在UJT中，基极2和基极1之间应有一个小的正向偏置电压；在PUT中，阳极和阴极之间应存在正向偏置，且栅极上的中间正电压由R1和R2组成的分压器设置。不正确的极化会导致晶体管工作不稳定甚至损坏。
• 过载 ：和其他半导体一样，UJT和PUT需要防止过大电流，不能直接连接到电源而不使用适当的限流电阻。UJT和PUT的连续散热最大功率通常为300 mW。

2. 双极晶体管

双极晶体管在电子电路中具有重要的功能和作用。

2.1 功能

双极晶体管可用于放大电流变化或开关电路。作为放大元件，它取代了以前用于放大射频或音频电信号的真空管；作为开关，它有点像继电器，但在“关闭”状态下仍会有小电流通过，称为泄漏电流。

如果双极晶体管封装在带有三个电极（引出线）的独立外壳中，则为分立半导体元件；多个晶体管封装在一个带有多个引出线的外壳中称为集成电路。达林顿管实际上由两个晶体管组成，也被视为分立元件。

2.2 工作原理

最初的晶体管由锗制成，但最终硅这种半导体材料更受欢迎。纯净的硅在室温下表现得像绝缘体，但在掺入少量能提供多余电子的杂质后，它会变成N型半导体，能够在外部电压作用下导电。其他杂质可以引入“空穴”，形成P型半导体，含有多余的正电荷。

• NPN型双极晶体管 ：由一层薄的P型半导体夹在两层N型半导体之间组成，分别称为集电极、基极和发射极，每个都有自己的引出电极。当向发射极施加负电荷，向基极施加正电荷时，基极会吸引发射极的电子。由于基极很薄，电子离集电极很近；当基极电位升高时，电子会被加速到集电极，然后流向电源的正极。
• PNP型双极晶体管 ：与NPN型相反，P型半导体夹着N型半导体。基极相对于发射极反向偏置，“发射”和“收集”的概念适用于空穴而非电子。发射极向基极发送电子，集电极接收并向外传输。

符号上的箭头表示传统的正电荷流动方向（从正到负），即从集电极到发射极（NPN）或从发射极到集电极（PNP）。NPN型晶体管比PNP型更常用，因为早期PNP型生产更困难、成本更高，且NPN型晶体管由于电子比空穴更具移动性，能实现更快的开关速度。

为了记住NPN型晶体管集电极和发射极的功能，可以想象集电极从外部收集正电荷并将其引入晶体管内部，而发射极将其发送到外部。同时，可以将箭头与发射极联系起来，记住箭头始终指示传统的正电荷流动方向。以下是一个帮助记忆NPN型晶体管符号箭头方向的助记规则：“(Ni)e (P)okazuje (N)a bazę”。

NPN和PNP型晶体管的电流流动情况如下表所示：
| 晶体管类型 | 截止状态 | 导通状态 |
| ---- | ---- | ---- |
| NPN | 基极和发射极电位相同或接近，几乎不导通（有小泄漏电流） | 基极电位比发射极高至少0.6 V（硅晶体管），电子从发射极流向集电极 |
| PNP | 基极和发射极电位相同或接近，几乎不导通（有小泄漏电流） | 基极电位比发射极低至少0.6 V（硅晶体管），电子移动，电流从发射极流向集电极 |

3. 双极晶体管的参数与类型

双极晶体管有不同的参数和类型，适用于不同的应用场景。

3.1 电流放大倍数

双极晶体管的放大能力由电流放大系数（也称为β系数）来衡量，它表示集电极电流变化与基极电流变化的比值。计算公式为：β = ΔIc / ΔIb，其中Ic是集电极电流，Ib是基极电流，Δ表示参数的微小变化。电流放大倍数也用hFE表示，其中E表示共发射极，F表示导电电流，h表示混合描述晶体管特性。β系数总是大于1，通常超过100，但具体值取决于晶体管类型，还受温度、电源电压、集电极电流和生产工艺精度的影响。当晶体管的工作参数不符合规定条件时，β系数的计算公式不再适用。

此外，在NPN型晶体管中，电流流入有两个引出端，流出有一个引出端，因此始终满足以下关系：Ie = Ic + Ib，其中Ie是发射极电流。

当NPN型晶体管的基极电位下降，与发射极电位差小于0.6 V时，晶体管停止导通，进入截止状态，但仍有小泄漏电流。当基极电流大到晶体管无法再放大时，晶体管达到饱和状态，此时内部阻抗降至最低，电流大幅增加。为防止晶体管因过大电流而损坏，应在集电极电路中加入保护电阻。每个晶体管都有集电极电流、基极电流和集电极 - 发射极电压的最大允许值，超过这些值通常会导致晶体管损坏。

3.2 工作状态

• 截止状态 ：对于NPN型晶体管，当基极电位过低，无法使电流从集电极流向发射极（除了微小的泄漏电流）时，处于截止状态。
• 有源状态（线性状态） ：这是晶体管在饱和和截止之间的中间状态，此时电流放大系数β（或hFE）保持相对稳定，集电极电流几乎与基极电流成正比。当晶体管接近饱和状态时，这种线性关系会被破坏。

3.3 晶体管类型

• 小信号晶体管 ：集电极电流不超过500 mA，最大功耗不超过1 W，用于放大微弱的音频信号和切换小电流。在选择用于驱动电感负载（如电机）的晶体管时，要注意初始电流冲击可能远高于设备连续运行时的额定电流。
• 小功率开关晶体管 ：与小信号晶体管有很多共同点，但通常具有更短的响应时间、更小的电流放大倍数和对集电极电流增加更敏感的特点。具体细节需参考产品目录数据。
• 高频晶体管 ：主要用于视频信号放大器和发生器，尺寸小，额定频率高达2000 MHz。
• 功率晶体管 ：功率和电流值大，功率从1 W到500 W，电流可达150 A。尺寸比其他类型大，用于音频放大器的输出级和脉冲电源中。一般来说，功率晶体管的电流放大倍数较低（约20或30），而小晶体管的放大倍数可达100甚至更高。

以下是一些常见晶体管的示例：
| 晶体管型号 | 类型 | 功率 | 应用场景 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 2N3055 | NPN功率晶体管 | 115 W | 电源和抗干扰放大器 |
| 通用PNP功率晶体管 | PNP功率晶体管 | 50 W | 通用功率应用 |
| 高频开关晶体管 | 高频开关晶体管 | 80 W | 电子镇流器、转换器、逆变器、脉冲稳压器和电机控制系统 |
| 2N2222 | NPN小信号开关晶体管 | - | 小信号放大和开关 |

4. 双极晶体管的电流放大与实际应用考量

4.1 电流放大的实际意义

双极晶体管的电流放大能力是其在电子电路中广泛应用的关键特性。以音频放大器为例，微弱的音频信号输入到晶体管的基极，通过晶体管的电流放大作用，在集电极可以得到放大后的音频信号，从而驱动扬声器发出较大音量的声音。

假设一个音频信号使基极电流产生了一个小的变化ΔIb，根据电流放大系数β = ΔIc / ΔIb，集电极电流会产生一个β倍于ΔIb的变化ΔIc。例如，若β = 100，ΔIb = 10 μA，那么ΔIc = 100 × 10 μA = 1 mA。这种放大作用使得微弱的音频信号能够被增强到足以驱动负载的强度。

4.2 实际应用中的参数选择

在实际应用中，选择合适的双极晶体管需要考虑多个参数。以下是一些关键参数的选择考量：
- 电流放大系数β ：根据具体应用需求选择合适的β值。对于需要高增益的音频放大器，通常选择β值较大的晶体管；而对于一些对速度要求较高的开关电路，可能需要在β值和开关速度之间进行权衡。
- 最大集电极电流Ic(max) ：要确保所选晶体管的最大集电极电流能够满足电路的需求。例如，在驱动电机等大电流负载时，需要选择Ic(max)足够大的功率晶体管。
- 最大集电极 - 发射极电压Vce(max) ：在高压电路中，必须选择Vce(max)大于电路中可能出现的最大电压的晶体管，以防止晶体管被击穿损坏。

以下是一个简单的参数选择表格示例，用于不同应用场景下的晶体管选择：
| 应用场景 | 所需β值 | 最大集电极电流Ic(max) | 最大集电极 - 发射极电压Vce(max) |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 音频放大器 | 100 - 300 | 100 mA - 1 A | 20 V - 50 V |
| 电机驱动电路 | 20 - 50 | 10 A - 100 A | 50 V - 200 V |
| 高频信号放大 | 50 - 150 | 10 mA - 100 mA | 10 V - 30 V |

5. 晶体管应用中的电路设计要点

5.1 偏置电路设计

为了使双极晶体管正常工作在合适的工作状态，需要设计合适的偏置电路。以NPN型晶体管为例，常用的偏置电路是使用电阻R1和R2组成的分压器来提供基极的合适电位。

graph LR
    A[电源Vcc] --> B[电阻R1]
    B --> C[基极B]
    C --> D[电阻R2]
    D --> E[地GND]
    F[发射极E] --> E
    G[集电极C] --> H[负载电阻Rc]
    H --> A

通过合理选择R1和R2的值，可以使基极电位满足晶体管的导通条件，从而使晶体管工作在有源状态。例如，在一个简单的音频放大器中，偏置电路的设计要确保在没有音频信号输入时，晶体管处于合适的静态工作点，避免信号失真。

5.2 负载匹配

在晶体管电路中，负载匹配是非常重要的。如果负载电阻与晶体管的输出阻抗不匹配，会导致信号传输效率降低，甚至可能影响晶体管的工作状态。

例如，在一个功率放大器中，负载电阻（如扬声器）的阻值需要与晶体管的输出阻抗相匹配，以实现最大功率传输。假设晶体管的输出阻抗为Ro，负载电阻为Rl，当Rl = Ro时，负载可以获得最大功率。

6. 晶体管的发展趋势与未来展望

6.1 技术发展趋势

随着半导体技术的不断发展，双极晶体管也在不断演进。目前，晶体管的尺寸越来越小，集成度越来越高。例如，现代的集成电路中可以集成数以亿计的晶体管，使得电子设备的功能越来越强大，体积越来越小。

同时，新材料和新工艺的应用也在不断提升晶体管的性能。例如，采用新型半导体材料可以提高晶体管的开关速度和功率效率，降低功耗。

6.2 未来应用领域拓展

未来，双极晶体管有望在更多领域得到应用。在人工智能领域，晶体管可以用于构建神经网络芯片，实现高效的计算和学习能力。在物联网领域，晶体管可以用于传感器节点的信号处理和通信，实现设备之间的互联互通。

此外，随着新能源汽车和智能电网的发展，功率晶体管在电力电子领域的应用也将越来越广泛，用于实现电能的转换和控制。

总之，双极晶体管作为电子电路中的核心元件之一，在过去几十年中发挥了重要作用，并且在未来仍将具有广阔的发展前景和应用空间。通过不断深入研究和技术创新，双极晶体管将继续推动电子技术的发展和进步。