NPN、PNP型三極管的工作原理是什麼?

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NPN、PNP三極管根據不同的工作區,可以用做電子開關、負載驅動及信號放大

三極管其實是由兩個PN結組成的一個半導體器件,分為NPN型和PNP型,可以把微弱的信號放大。

三極管有基極(b)、集電極(c)、發射極(e)三個引腳;有截止區、放大區、飽和導通三個工作區

  • NPN型三極管由兩塊N型和一塊P型半導體夾在一起組成
  • PNP型三極管由兩塊P型和一塊N型半導體夾在一起組成
  • 讓三極管工作在不同的工作區,有不同的作用

三極管的信號放大作用

讓三極管工作在放大區,可以起到電流放大作用,以NPN為例,NPN進入放大區必須b-e的PN結處於正偏,b-c的PN結反偏,β是三極管的放大倍數。

  • Vb
  • Vb>Ve
  • Ic=β*Ib
  • Ie=Ib+Ic

微弱的信號輸入,經過三極管放大,就可以得到幅度較大的信號了

三極管的開關作用

當兩個PN結都正偏,並且Uce<=Ube時,三極管開始飽和導通,Ic=β*Ib,這時候用很少的Ib電流就可以控制負載需的Ic電流了。常用於控制LED、直流馬達、蜂鳴器、繼電器這些器件的工作。


當兩個PN結反偏時,三極管截止,就可以控制負載停止工作 了。

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NPN型三極管和PNP型三極管這是按三極管按結構分類的,NPN型是兩塊N型半導體以及一塊P型半導體組成,如下圖左圖;而PNP型三極管一塊N型半導體以及兩塊P型半導組成,如下圖右圖。作為電流放大器件,它有三個電極,分別是集電極C,基極B,發射極E。

NPN型三極管的工作原理

如下圖所示,定義:從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流IB,從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。注意的是:這兩個電流的方向都是流出發射極的。以硅管為例,基極B電流在輸入電壓 大到一定值產生,基極電流的變化,會引起集電極電流很大的變化,同時變化滿足一定的比例關係:Ic=βIB,β叫做三極管的放大倍數,這就是三極管的放大作用,這時候是發射極正偏、集電極反偏,此時處於線性區,但是隨著電流的增大,增大到無法再大的程度時候就會進入飽和區,除了放大區和飽和區其實還有一個區,那就是截止區,這是三極管沒有導通時候的狀態。

PNP型三極管的工作原理

PNP型三極管的工作原理與NPN型工作原理其實差不多,只不過導通時候發射極E極電流流向基極B

三極管應用

由於具有電流放大作用,因此經常用於信號放大,例如數碼屏驅動 、MOS管驅動,還有開關作用,例如負載通斷、多諧振盪、電平轉換等


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三極管是由P型半導體和N型半導體所構成的半導體元器件,根據內部結構不同,可以分為NPN三極管和PNP三極管。NPN三極管是由兩塊N型半導體和一塊P型半導體構成的;PNP三極管是由兩塊P型半導體和一塊N型半導體構成的。其內部結構 如下圖所示。

三極管具有三個電極,分別為基極、發射極和集電極,NPN三極管和PNP三極管中電流的方向是不同的,其電流方向如下圖所示。

有了上邊的理論作為鋪墊後,下面介紹其工作原理。

三極管具有三個工作狀態/區域:截止區,放大區,飽和區。三極管被用作開關時,需要工作在截止區和飽和區,如果工作在放大區,則滿足IC=β*IB這個關係,這也是三極管具有放大電流作用的原因。以NPN為例介紹工作狀態和原理。

當發射結電壓小於其截止電壓,並且基極電流為零時,流過發射集的電流幾乎為零(大約為ICEO電流),這時三極管工作在截止狀態。

增大加在發射結上的電壓,使其大於截止電壓使發射極正偏而集電結反偏,這時候集電極的電流和基極電流滿足IC=β*IB這個線性關係,即實現電流的放大作用,三極管工作在放大區。

繼續增大發射結的電壓,使基極電流增大到一定程度後,發射極的電流不再增大而是維持在某一個附近。這時表明三極管已經處於飽和狀態。

三極管在應用時,都是根據不同的應用需求,而選擇讓其工作在某個不同的區域。

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從題目所提說到的電子元器件是三極管,是電子電路中核心電子元器件之一。三極管也叫半導體三極管或雙型晶體管或晶體三極管。能把微弱的電流信號放大成幅值較高的電信號,還能用做無觸點開關。


NPN型三極管,簡單看它就是有兩塊N型半導體和一塊P型半導體組成三極管。因為半導體有兩種載流子,以電子導電為主的半導體為N型半導體(極性為負),以空穴導電為主的半導體為P型半導體(極性為正)。

NPN型三極管工作原理,在電子電路中,NPN型三極管有共發射極、共集電極、共基極三種接法。

以習慣的共發射極接法舉例:基極(Ib)、集電極(Ic)、發射極(Ie),Ic=βIb,如下圖所示。
當VBB有微弱變化,Ib也會隨之變化。因為集電極Ic受到Ib的控制,Ib越大則Ic也越大,反之越小。由於Ic的變化比Ib大的多,因此Ic的變化量跟Ib變化量比叫做三極管放大倍數β(β一般為幾十到幾百),也是三極管的放大作用。從Ib流至Ie的電流稱作基極電流(Ib),從Ic流至Ie的電流稱作集電極電流(Ic)。

例如一臺電容式壓力變送器。當測量壓力變化則作用於隔離膜片和填充液,從而改變可動極板跟固定極板之間距離,引起一側電容增加,另一側電容減少,得到的差動電容容量通過引線轉換電路。在轉換電路中的三極管就發揮它的作用,在基極加偏置電阻有Ib=VBB÷RB。前提還要保證集電極有一定的電流(I),此時需要增加一個偏置電阻和提供電源VCC,得I=VCC÷RC。

假設一臺電容式壓力變送器,當壓力變送器傳感器檢測到壓力發生變化就會得到差動電容的變化,再引線至轉換電路,VBB就會變化,VBB發生變化則Ib也隨之變化,再通過三極管的放大則集電極電流Ic也變化,將得到的Ic,此時的Ic就是放大電路放大後的信號,再把Ic輸出做進一步處理,通過變送器就地顯示壓力值或者從變送器輸出標準電流信號(4-20mA)送至二次儀表控制、顯示等。這裡用到的就是三極管的放大作用。

判斷三極管是淺度飽和還是深度飽和還是截止狀態。若Ibβ>Ic,淺度飽和、若Ibβ>>Ic,深度飽和,若Ibβ=0,則Ic=0,截止狀態。

假如把集電極上的偏置電阻換成燈泡,那麼此時的三極管在開關電路中工作,就當做一個無觸點開關用。當0<Ibβ<=Ic,Ibβ從0到IC增大,則燈泡慢慢變亮,當Ibβ>Ic時,燈泡完全變亮,若Ibβ>>Ic,反而會影響其開關速度。三極管PNP型原理跟NPN型三極管一樣,只是發射極的電流方向發生了改變。


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先簡介一下三極管的結構:

三極管的結構簡單來說在一個硅(或鍺)片上生成三個雜質半導體區域,一個P區(或N區)夾在兩個N區(或P區)中間。所以三極管一般分為NPN型或PNP型,材質分為硅或鍺。從三個雜質半導體域各引出一個電極分別叫發射極e、集電極c、基極b,相對應的雜質區域分佈稱為發射區、集電區、基區。三個區域形成兩個PN結,發射區與基區間的PN結稱為發射結,集電區和基區間的PN結稱為集電結。圖1是兩種類型三極管的概念圖,其中發射極上的箭頭表示發射結加正偏電壓時,發射極的電流方向。由於二極管就是一個PN結組成,便於理解可以將三極管看作為兩個二極管串聯,如圖2。

工作原理:

正常放大狀態下情況下,NPN管,電壓大小是:VC>Vb>Ve,如果是硅管的話,三極管導通條件是Vbe>0.7V。PNP管,就是反這來的,VC0.7v。

工作狀態:

相比FET是電壓控制型元件,三極管則是電流控制型元件,三極管的工作狀態有三種:截止、放大、飽和。

當p型半導體一邊接正極、n型半導體一邊接負極時,則為正偏,反之為反偏。

以NPN為例(pnp管與之相反),

截止狀態:發射極反偏、集電極反偏,Ube<0, Ubc<0;

放大狀態: 發射極正偏、集電極反偏,Ube≥0.7V, 而Ubc<0,關係公式ΔIC=βΔIB;

飽和狀態:發射極正偏、集電極正偏,Ube>0, Ubc>0;


下面再用一個形象的比喻來向大家解釋這三個狀態:

三極管是一個以b(基極)電流Ib 來驅動流過CE 的電流Ic 的器件,它的工作原理很像一個可控制的閥門,三極管工作在放大狀態下存在Ic=β*Ib的關係。

上圖中細管子裡藍色的小水流衝動槓桿使大水管的閥門開大,就可允許較大紅色的水流通過這個閥門。當藍色水流越大,也就使大管中紅色的水流更大。如果放大倍數是100,那麼當藍色小水流為1 千克/小時,那麼就允許大管子流過100千克/小時的水。三極管的原理也跟這個一樣,放大倍數為100 時,當Ib(基極電流)為1mA 時,Ice的電流為100mA,此時三極管處於放大狀態; 而當沒有藍色水流流過時,大水管的閥門不打開,沒有紅色水流流過,三極管也就沒電流從C流到e,三極管處於截止狀態;當藍色水流足夠大使大水管的閥門完全打開時,此時藍色水流再變大,也不會影響紅色水流的大小,同理當Ib的電流足夠大,Ice的電流將不會受基極電流影響,此時三極管處於飽和狀態。

怎樣判斷三極管的工作狀態?

方法1:根據三極管工作狀態時各個電極的電位高低,從而判別三極管的工作狀態。

方法2:先假設是在飽和區,在計算C E兩端的電壓,以0.3V(具體電壓根據芯片手冊選擇)作為飽和區放大區的判斷標準,小於則為飽和模式,大於則為放大模式;當c e間電壓為無窮大時即為截止區!

零是起源寫於20180710


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以共發射極電路為例,三極管基本工作原理是,用基極小電壓、電流變化,控制集電極大的電流變化,進而在集電極電阻上獲得大的電壓變化。PNP型三極管發射極接電源正極,NPN型三極管發射極接電源負極,二者靜態電流方向不同。


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