NPN型晶体管

介绍

NPN晶体管是双极结晶体管(BJT)类型之一。NPN晶体管由两个n型半导体材料组成，它们被p型半导体的薄层隔开。这里大部分的载流子是电子。这些电子从发射极到集电极的流动形成晶体管中的电流流。一般来说，NPN晶体管是使用最多的双极晶体管，因为电子的迁移率高于空穴的迁移率。NPN晶体管有三个端子——发射极、基极和集电极。NPN晶体管主要用于放大和切换信号。

上图显示了NPN晶体管的符号和结构。在这个结构中，我们可以观察到晶体管的三个端子，电路电流和电压值的表示。现在让我们看看NPN晶体管的工作原理并加以解释。

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NPN型晶体管电路

上图显示了带有电源电压和电阻负载的NPN晶体管电路。在这里，集电极端总是连接到正电压，发射极端连接到负电源，基极端根据施加到晶体管上的电压控制晶体管的开/关状态。

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NPN型晶体管工作

NPN晶体管的工作相当复杂。在上述电路连接中，我们观察到电源电压VB通过负载RB加到基端。集电极端子通过负载RL连接到电压VCC。在这里，负载RB和RL都可以限制通过相应端子的电流。在这里，基极和集电极端总是包含相对于发射极端的正电压。

如果基极电压等于发射极电压，则晶体管处于OFF状态。如果基极电压高于发射极电压，则晶体管变得更开关，直到它处于完全ON状态。如果在基极端施加足够的正电压，即全on状态，则产生电子流，电流(IC)从发射极流向集电极。在这里，基端作为输入端，集极-发射极区域作为输出端。

为了让电流在发射极和集电极之间正常流动，集电极电压必须是正的，也必须大于晶体管的发射极电压。基极和发射极之间有一定的电压降，如0.7V。因此基极电压必须大于0.7V的压降，否则晶体管将不能工作。给出双极NPN晶体管的基极电流方程为:

我_B= (V_B- v_是) / R_B

在那里,

我_B=基极电流
V_B=基偏压
V_是=输入基-发射极电压= 0.7V
R_B=基本阻力

利用基尔霍夫电压定律(KVL)可以计算普通发射极NPN晶体管的输出集电极电流。

集电极电源电压的计算公式为

V_CC=我_CR_l+ V_CE............(1）

由上式可得普通发射极NPN晶体管的集电极电流为

我_C= (V_CC- v_CE) / R_l

在普通发射极NPN晶体管中，集电极电流与发射极电流之间的关系为

我_C我=β_B

在有源区，NPN晶体管充当一个很好的放大器。在普通的发射极NPN晶体管中，通过晶体管的总电流流被定义为集电极电流与基极电流IC/IB的比值。这个比率也被称为“直流电流增益”，它没有任何单位。这个比值一般用β表示，β的最大值约为200。在普通基极NPN晶体管中，总电流增益用集电极电流与发射极电流的比值IC/IE表示。这个比值用α表示，这个值通常等于单位。

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NPN晶体管中α、β和γ的关系

现在让我们看看两个比率参数α和β之间的关系。

α =共基极电路直流电流增益=输出电流/输入电流

一般情况下，NPN晶体管输出电流为集电极电流(IC)，输入电流为发射极电流(IE)。

α=我_C/我_E...........( 2)

该电流增益(α)值非常接近单位，但小于单位。
我们知道发射极电流是小基极电流和大集电极电流的总和。

我_E=我_C+我_B

我_B=我_E——我_C

由方程2，集电极

我_C我=α_E

我_B=我_E-α我_E

我_B=我_E(1 -α)

β =共发射极电路直流电流增益=输出电流/输入电流

这里输出电流为集电极电流，输入电流为基极电流。

β=我_C/我_B

β=我_C/我_E(1 -α)

β=α/(1 -α)

由上述方程，α和β之间的关系可表示为

α = β (1-α) = β/(β+1)

β = α (1+β) = α/ (1-α)

对于在高频率下工作的低功率晶体管，β值可能从20到1000不等。但一般来说，这个β值可以在50-200的范围内。

现在我们来看看α、β和γ因子之间的关系。

在普通集电极NPN晶体管中，电流增益定义为发射极电流IE与基极电流IB的比值。该电流增益用γ表示。

γ=我_E/我_B

我们知道发射极电流

我_E=我_C+我_B

γ=(我_C+我_B) /我_B

γ=(我_C/我_B) + 1

γ = β +1

因此，α、β和γ之间的关系如下所示

α = β / (β+1)， β = α / (1-α)， γ = β+1

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NPN型晶体管的例子

1.计算具有电流增益(β)值100的双极NPN晶体管的开关电阻负载4mA的基流IB。

我_B=我_C/β= (4 * 10³) / 100 = 40 ua

2.计算偏置电压为10V，输入基极电阻为200kΩ的双极NPN晶体管的基极电流。

我们知道基流IB的方程是，

我_B= (V_B- v_是) / R_B

我们知道价值观，

V_是= 0.7 v,

V_B= 10 v,

R_B= 200Ω。

现在我们把这些值代入上式，

我们得到,

我_B= (V_B- v_是) / R_B= (10-0.7)/200kΩ = 46.5uA。

NPN晶体管的基极电流为46.5uA。

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共发射极配置

公共发射极配置电路是三种BJT配置之一。这些常见的发射极配置电路被用作电压放大器。一般BJT晶体管有三个终端，但在电路连接中，我们需要将任何一个终端作为通用的。因此，我们使用三个终端中的一个作为输入和输出操作的公共终端。在这种配置中，我们使用发射极终端作为公共终端，因此命名为共发射极配置。

这种配置被用作单级共发射极放大电路。在该配置中，基极作为输入端，集电极作为输出端，发射极作为公共端。该电路的操作首先对基极端进行偏置，使基极-发射极结向前偏置。基极中的小电流控制着晶体管中的电流流动。这种结构总是在线性区域工作，以放大输出端的信号。

这种普通发射极放大器提供反向输出，可以有很高的增益。该增益值受温度和偏置电流的影响。共发射极放大器电路由于其高输入阻抗和低输出阻抗而比其他BJT电路配置多被使用，而且这种配置放大器提供了较高的电压增益和功率增益。

这种配置的当前增益总是大于单位，通常典型值约为50。这些组态放大器大多用于需要低频放大器和射频电路的应用场合。共发射极放大器配置的电路图如下所示。

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NPN晶体管的输出特性

双极晶体管的输出特性曲线族如下所示。该曲线显示了集电极电流(IC)和集电极-发射极电压(VCE)随基极电流(IB)变化的关系。我们知道，只有在相对于发射极的基极端至少有少量的电流和少量的电压时，晶体管才处于“ON”状态，否则晶体管处于“OFF”状态。

在1.0V水平上，集电极电流(IC)主要受集电极电压(VCE)的影响，但在此值以上，集电极电流(IC)的影响不大。我们已经知道发射极电流是基极电流和集电极电流的和。即IE =IC+ IB，流过电阻性负载(RL)的电流等于晶体管的集电极电流。集电极电流的方程为:

我_C= (V_CC- v_CE) / R_l

直线表示“动态载重线”，连接点A(其中V_CE= 0)和B(其中I_C沿此负载线的区域表示晶体管的“有源区域”。

在给定集电极电压和基极电流的情况下，利用集电极共同结构特性曲线计算集电极电流。载重线(红线)用于确定图中的q点。荷载线的斜率等于荷载阻力的倒数。即1 / RL。

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NPN型晶体管的应用程序

• NPN晶体管主要用于开关应用。
• 用于放大电路应用。
• 用于达林顿对电路放大弱信号。
• NPN晶体管用于需要吸收电流的应用场合。
• 用于一些经典的放大电路，如推挽放大电路。
• 温度传感器。
• 高频应用。
• 用于对数转换器。

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