一文读懂NPN晶体管的工作原理与电路符号

NPN 晶体管是一种常见的双极型晶体管，它由一层 P 型半导体夹在两层 N 型半导体之间构成。在 NPN 晶体管中，N 代表负性，而 P 代表正性。它有三个区域：一个负极基极 (Emitter)，一个正极集极 (Collector)，和一个位于两者之间的控制区域 (Base)。

NPN 晶体管的基本工作原理是通过控制 Base 电流来控制 Collector 与 Emitter 之间的电流。当在 Base 电极中施加正电压时，由于 P 区域与 N 区域之间的电势差，会使得电子从 N 区域进入 P 区域，从而形成一个电子注入。这个电子注入会导致 Collector 与 Emitter 之间形成一个电流通路，从而使得大量的电子从 Collector 流向 Emitter，形成一个电流放大器。因此，NPN 晶体管常被用作放大器、开关、甚至逻辑门等电子元件的基本组成部分。

NPN晶体管的电路符号

NPN晶体管结构

晶体管有三个电极。二极管是由一个PN结构组成，而晶体管是由两个PN结构组成，一个公共电极成为晶体管的基极，另外两个电极分别称为集电极和发射极。基极区和发射极区之间的结成为发射极结，并且基极区和集电极区之间的结成为集电极结。

NPN晶体管工作原理

晶体管是控制元件，主要用来控制电流的大小。以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地）。当基极电压UB有微小的变化时，基极电流IB也会有微小的变化。在基极电流IB的控制下，集电极电流IC会发生较大的变化。基极电流IB越大，集电极电流IC也越大。反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但集电极电流的变化远大于基极电流的变化，这就是晶体管的放大作用。IC的变化与IB的变化之比称为晶体管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB，Δ代表变化），晶体管的放大倍数β一般为数十至数百倍。

NPN晶体管常见类型

1. 小型信号NPN晶体管：用于低功率应用，如音频放大器、射频放大器等。

2. 功率NPN晶体管：用于高功率应用，如功率放大器、开关电源等。

3. 高频NPN晶体管：优化了高频性能，适用于射频放大器、微波放大器、通信设备等。

4. 通用目的NPN晶体管：具有较为平衡的性能，适用于通用电路中的各种应用。

这些类型的NPN晶体管在实际应用中具有不同的特性和性能，可以根据具体的需求选择合适的类型。

NPN晶体管电路分析

放大信号

晶体管放大信号时，首先要进入导通状态，即首先要建立一个合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则就会放大、失真。

图1

如图1所示，我们称从基极B流向发射极E的电流为基极电流Ib；从集电极C流向发射极E的电流称为集电极电流Ic。这两个电流的方向都是从发射极流出的，所以发射极E上用箭头来表示电流的方向。

晶体管放大

集电极电流受基极电流控制（假设电源能够向集电极提供足够大的电流），基极电流的微小变化会引起集电极电流的较大变化，且变化满足一定的条件比例关系：集电极电流的变化是基极电流变化的β倍，即电流变化放大了β倍，所以我们称β为晶体管的放大倍数（β一般远大于1，这样数十个、数百个）。如果我们在基极和发射极之间加入一个微小的变化信号，这就会引起基极电流Ib的变化，并且Ib的变化会被放大，导致Ic发生较大的变化。如果集电极电流Ic流过一个电阻R，那么可以根据电压计算公式U=R*I来计算，这个电阻上的电压会发生很大的变化。我们取出该电阻上的电压 并得到放大的电压信号。

实际放大器电路

当晶体管用于实际的放大电路中时，需要添加合适的偏置电路。有几个原因。首先，由于晶体管（相当于二极管）BE结的非线性，当输入电压大到一定程度时（对于硅管，常采用0.7V）必须产生基极电流。当基极和发射极之间的电压小于0.7V时，可以认为基极电流为0。但在实际应用中，需要放大的信号往往远小于0.7V。如果不施加偏置，这么小的信号不足以引起基极电流的变化（因为当小于0.7V时，基极电流全为0）。如果我们预先在三极管的基极加一个合适的电流（称为偏置电流，图2中的电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以称为基极偏置电阻）。这样当一个小信号叠加在这个偏置电流上时，这个小信号就会引起基极电流的变化，基极电流的变化会被放大并输出到集电极上。另一个原因是输出信号范围的要求。如果没有偏置，那么只有增大的信号会被放大，减小的信号将无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小）。由于加上了偏压，集电极预先就有了一定的电流。当输入基极电流变小时，可以减小集电极电流；当输入基极电流增加时，集电极电流增加。这样，减少的信号和增加的信号都可以被放大。

晶体管饱和

如图1所示，由于受到电阻Rc的限制（Rc为固定值，则最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流无法无限增大。当基极电流增大而集电极电流不能继续增大时，晶体管进入饱和状态。判断晶体管是否饱和的一般标准是Ib*β>Ic。进入饱和状态后，晶体管的集电极和发射极之间的电压会很小，可以理解为开关闭合。这样，我们就可以把晶体管当作开关来使用：当基极电流为0时，晶体管的集电极电流为0（这称为晶体管截止），相当于开关截止；当基极电流很大，晶体管饱和时，相当于开关闭合。如果晶体管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的晶体管一般称为开关。

如果我们把图1中的电阻Rc换成灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡熄灭。如果基极电流比较大（大于流过灯泡的电流除以晶体管的放大倍数β），则晶体管饱和，相当于闭合开关，灯泡亮。由于控制电流只需比灯泡电流β稍大即可，因此可以用小电流控制大电流的通断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随之增加（在晶体管未饱和之前）。

但在实际使用中需要注意的是，在开关电路中，饱和状态深度饱和时会影响其开关速度。当基极电流乘以放大倍数等于或略大于集电极电流时，饱和电路为浅饱和，远大于集电极电流处的深度饱和。因此，我们只需控制其工作在浅饱和工作状态即可提高其转换速度。

对于PNP三极管，分析方法类似，不同的是电流的方向正好与NPN相反，因此发射极上方的箭头方向也相反。

NPN晶体管应用

NPN晶体管在电子和电路领域有着广泛的应用，一些常见的应用包括：

1. 放大器：NPN晶体管常用于设计各种放大器，如音频放大器、射频放大器和视频放大器。它能够放大电压、电流或功率信号，使其适用于不同的应用。

2. 开关：NPN晶体管可以用作开关，控制电路中的电流流动。这种应用在数字逻辑电路、计算机电路、开关电源和定时器电路中非常常见。

3. 混频器和调制器：在通信设备和射频电路中，NPN晶体管可以用于构建混频器和调制器，用于处理无线通信中的信号。

4. 激光和光电器件：NPN晶体管可以被用来构建光电器件，如光电开关、光电传感器和激光发射器。

5. 电源调节器：NPN晶体管被广泛应用于稳压器和开关电源中，用于调节电源输出并保护负载。