NPN晶体管的基本原理和功能

NPN晶体管排列和符号
在解释原理之前，我们先来了解一下NPN晶体管的基本结构和符号。要识别NPN晶体管引脚，它将是集电极（c），基极（b）和发射极（e）。

图1.NPN 晶体管结构和符号
NPN晶体管由两个N型半导体和一个P型半导体组成。通常，NPN晶体管将一块P型硅（基极）夹在两块N型（集电极和发射极）之间。排列如图1所示。
NPN晶体管如何工作？
以下是说明NPN晶体管的基本原理和功能的主要描述。
1） 电流放大
以下分析仅适用于NPN硅晶体管。如上图所示，我们将流向基极 B 流向发射极 E 的电流称为基极电流 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，因此在发射极E上使用箭头来指示电流方向。
晶体管的放大功能是：集电极电流由基极电流控制（假设电源可以为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：集电极电流的变化是基极电流变化的β倍， 也就是说，电流变化放大了β倍，所以我们称之为β晶体管的放大倍率（β一般远大于1）。如果我们在基极和发射极之间增加一个变化的小信号，它会导致基极电流Ib的变化。Ib的变化被放大后，会导致Ic发生很大的变化。如果集电极电流Ic流过电阻R，则可以根据欧姆定律公式U=R*I计算，该电阻上的电压将发生很大变化。根据这个电阻上的电压，这样我们就可以得到放大后的电压信号。简而言之，变化满足一定的比例关系。
2）偏置电路 当晶体管用于实际的放大电路时，还需要添加合适的偏置电路
。这有几个原因。首先，由于晶体管的BE结（相当于二极管）的非线性，输入电压达到一定水平后必须产生基极电流（对于硅管，通常使用0.7V）。当基极和发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流可视为零。然而，在实践中，要放大的信号往往远小于0.7V。如果不施加偏置，那么这么小的信号不足以引起基极电流的变化（因为当基极电流小于0.7V时，基极电流全部为0）。
在晶体管的基极上增加一个合适的电流（称为偏置电流，图中用于提供该电流的电阻器称为基极偏置电阻）。当一个小信号跟随这个偏置电流叠加在一起时，一个小信号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。另一个原因是满足输出信号范围的要求。如果没有偏置，那么只有那些增加的信号会被放大，但减少的信号将是无效的（因为没有偏置时集电极电流为0，并且无法降低）。偏置时，让集电极提前有一定的电流。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。减少的信号和增加的信号都可以放大。
3） NPN晶体管开关
让我们谈谈萨图拉晶体管的模式。如上图所示，由于电阻Rc的限制（Rc是固定值，则最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流不能无限增加。当基极电流增加而集电极电流不能继续增加时，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。
在饱和状态下，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。这样，当基极电流为0时，集电极电流为0（这称为三极管截止），相当于关断;当基极电流较大时，相当于导通。在截止和饱和状态下，晶体管等于开关。
4） 运行状态
如果我们用上图中的灯泡代替电阻Rc，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，因此灯泡关闭。如果基极电流相对较大（大于流过灯泡的电流除以放大倍率β），晶体管将饱和，灯泡将点亮。由于控制电流只需要比灯泡电流的β稍大一点，因此可以使用小电流来控制大电流的开和关。如果基极电流缓慢增加，灯泡的亮度也会增加（这是一个饱和过程）。
下图是基本的晶体管开关电路。基极应连接基极电阻（R2），集电极应连接负载电阻（R1）。

NPN晶体管使用B-E电流（IB）来控制C-E电流（IC）。E极电位最低，通常C极在正常放大时电位最高，即VC》VB》VE点。
NPN基极电压极高，集电极和发射极均为短路和低压，集电极和发射极为开路。
NPN适用于两种情况：
如果输入是高电平，输出需要低电平，NPN更好。
如果输入是低电平，而输出需要高电平，则NPN更好。

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