1.3NPN晶体管

NPN晶体管是双极型晶体管（BJT）的一种类型。NPN晶体管由两个N型半导体材料组成，中间由一层薄的P型半导体隔开。在这里，多数载流子是电子。这些电子从发射极流向集电极，形成晶体管中的电流流动。通常，NPN晶体管是最常用的双极型晶体管类型，因为电子的迁移率高于空穴。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开关信号。

上图显示了NPN晶体管的符号和结构。在该结构中，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。现在让我们详细解释NPN晶体管的工作原理。

双极型NPN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，集电极端子始终连接到正电压，发射极端子连接到负电源，基极端子根据施加的电压控制晶体管的开关状态。

NPN晶体管的工作原理

NPN晶体管的工作原理相当复杂。在上述电路连接中，我们观察到电源电压 $V_B$ 通过负载电阻 $R_B$ 施加到基极端子。集电极端子通过负载电阻 $R_L$ 连接到电压 $V_{CC}$。在这里，负载电阻 $R_B$ 和 $R_L$ 可以限制相应端子中的电流流动。基极端子和集电极端子相对于发射极端子始终具有正电压。

如果基极电压等于发射极电压，则晶体管处于关闭状态。如果基极电压超过发射极电压，晶体管将逐渐导通，直到完全导通。如果在基极端子施加足够的正电压，即完全导通状态，则会产生电子流动，电流 $I_C$ 从发射极流向集电极。在这里，基极端子作为输入，集电极-发射极区域作为输出。

为了使电流在发射极和集电极之间正常流动，集电极电压必须为正，并且大于晶体管的发射极电压。在基极和发射极之间存在一定的电压降，例如 $0.7\,\text{V}$。因此，基极电压必须大于电压降 $0.7\,\text{V}$，否则晶体管将无法工作。双极型NPN晶体管的基极电流方程为：

$I_B = \frac{V_B - V_{BE}}{R_B}$

其中：

• $I_B$ 为基极电流
• $V_B$ 为基极偏置电压
• $V_{BE}$ 为输入基极-发射极电压，约为 $0.7\,\text{V}$
• $R_B$ 为基极电阻

在共发射极NPN晶体管中，输出集电极电流可通过应用基尔霍夫电压定律（KVL）计算。集电极电源电压的方程为：

$V_{CC} = I_C R_L + V_{CE}$......(1)

由上述方程可得共发射极NPN晶体管的集电极电流为：

$I_C = \frac{V_{CC} - V_{CE}}{R_L}$

在共发射极NPN晶体管中，集电极电流与发射极电流的关系为：

$I_C = \beta I_B$

在放大区，NPN晶体管作为良好的放大器。在共发射极NPN晶体管中，晶体管的总电流定义为集电极电流与基极电流的比值 $\frac{I_C}{I_B}$。这个比值也称为“直流电流增益”，没有单位。这个比值通常用 $\beta$表示，其最大值约为200。在共基极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 $\frac{I_C}{I_E}$ 表示。这个比值用 $\alpha$ 表示，其值通常接近于1。

$\alpha$、$\beta$ 和 $\gamma$ 的关系

现在让我们看看两个比例参数 $\alpha$ 和 $\beta$ 之间的关系。

α = 共基极电路的直流电流增益 = 输出电流 / 输入电流

在共基极NPN晶体管中，输出电流是集电极电流 $I_C$，输入电流是发射极电流 $I_E$：

$\alpha = \frac{I_C}{I_E}$......(2)

这个电流增益 $\alpha$ 的值非常接近1，但小于1。我们知道发射极电流是基极电流和集电极电流之和：

$I_E = I_C + I_B$ $I_B = I_E - I_C$

由 $\alpha$ 的定义：

$I_C = \alpha I_E$ $I_B = I_E - \alpha I_E = I_E (1 - \alpha)$

β = 共发射极电路的直流电流增益 = 输出电流 / 输入电流v

这里的输出电流是集电极电流，输入电流是基极电流。

$\beta = \frac{I_C}{I_B}$ $β =\frac {I_C}{I_E (1-α)}$

由上述方程，$\alpha$和 $\beta$ 的关系可表示为：

$\alpha = \frac{\beta}{\beta + 1}, \quad \beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$

$\beta$ 的值对于工作在高频的低功率晶体管可能在20到1000之间变化。但通常 $\beta$ 的值在50到200之间。

现在我们将看到$\alpha$、$\beta$和 $\gamma$ 因子之间的关系。

在共集电极NPN晶体管中，电流增益定义为发射极电流 $I_E$ 与基极电流 $I_B$ 的比值。这个电流增益用 $\gamma$ 表示：

$\gamma = \frac{I_E}{I_B}$

我们知道：

$I_E = I_C + I_B$ $\gamma = \frac{I_C + I_B}{I_B} = \frac{I_C}{I_B} + 1 = \beta + 1$

因此，$\alpha$、$\beta$ 和 $\gamma$ 之间的关系如下：

$\alpha = \frac{\beta}{\beta + 1}, \quad \beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}, \quad \gamma = \beta + 1$

NPN晶体管示例

1. 计算一个双极型NPN晶体管在负载电阻为4 mA、电流增益 $\beta = 100$时的基极电流 $I_B$：

$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{4 \times 10^{-3}}{100} = 40\,\mu\text{A}$

2. 计算一个双极型NPN晶体管在偏置电压为10 V、输入基极电阻为200 kΩ时的基极电流：

我们知道基极电流 $I_B$ 的方程为：

$I_B = \frac{V_B - V_{BE}}{R_B}$

已知：

• $V_{BE} = 0.7\,\text{V}$
• $V_B = 10\,\text{V}$
• $R_B = 200k\Omega$

代入上述方程：

$I_B = \frac{10 - 0.7}{200 \times 10^3} = \frac{9.3}{200 \times 10^3} = 46.5\,\mu\text{A}$

因此，NPN晶体管的基极电流为$46.5\,\mu\text{A}$。

共发射极配置

共发射极配置电路是三种BJT配置之一。这些共发射极配置电路用作电压放大器。通常，BJT晶体管有三个端子，但在电路连接中，我们需要将其中一个端子作为公共端。因此，我们使用其中一个端子作为输入和输出的公共端。在这种配置中，我们使用发射极端子作为公共端，因此命名为共发射极配置。

这种配置用作单级共发射极放大器电路。在这种配置中，基极作为输入端子，集电极作为输出端子，发射极作为公共端。该电路的操作从偏置基极端子开始，使基极-发射极结正向偏置。基极中的小电流控制晶体管中的电流流动。这种配置始终工作在线性区，以放大输出端的信号。

这种共发射极放大器提供反相输出，并且可以获得非常高的增益。这个增益值受温度和偏置电流的影响。共发射极放大器电路是比其他BJT配置更常用的配置，因为它具有高输入阻抗和低输出阻抗，并且该配置放大器提供高电压增益和功率增益。

这种配置的电流增益总是大于1，典型值约为50。这些配置放大器主要用于需要低频放大器和射频电路的应用中。共发射极放大器配置的电路图如下所示。

NPN晶体管的输出特性

双极型晶体管的输出特性曲线族如下所示。这些曲线显示了集电极电流 $I_C$ 与集电极-发射极电压 $V_{CE}$ 之间的关系，同时基极电流 $I_B$ 发生变化。我们知道，只有当至少有小电流和小电压施加在基极端子相对于发射极时，晶体管才导通，否则晶体管处于截止状态。

集电极电流 $I_C$ 在 $V_{CE} = 1.0\,\text{V}$ 时受集电极电压影响较大，但在此值以上，$I_C$ 值变化不大。我们已经知道发射极电流是基极电流和集电极电流之和，即 $I_E = I_C + I_B$。流过电阻负载 $R_L$ 的电流等于晶体管的集电极电流。集电极电流的方程为：

$I_C = \frac{V_{CC} - V_{CE}}{R_L}$

直线表示“动态负载线”，连接点 A（$V_{CE} = 0$）和点 B（$I_C = 0$）。沿该负载线的区域表示晶体管的“放大区”。

共发射极配置的特性曲线用于在已知集电极电压和基极电流时计算集电极电流。负载线（红线）用于确定图中的静态工作点（Q点）。负载线的斜率等于负载电阻的倒数，即 $-\frac{1}{R_L}$。

NPN晶体管的输入特性

与输出特性关注集电极电流不同，输入特性探讨了晶体管的基极电流 $I_B$与基极-发射极电压 $V_{BE}$ 之间的关系。这里的关键是 $V_{BE}$ 的变化如何影响 $I_B$，突出了晶体管对基极输入信号的敏感性。

输入特性通常针对晶体管的放大区进行展示。这展示了 $V_{BE}$的微小变化如何导致 $I_B$ 的显著增加，构成了晶体管电流放大的基础。

理解输入特性对于使用晶体管的人来说至关重要，尤其是在共发射极配置中。在这里，输入特性直接影响整个电路的性能。

NPN晶体管的应用

• NPN晶体管主要用于开关应用。
• 用于放大电路应用。
• 用于达林顿对电路中放大微弱信号。
• NPN晶体管用于需要吸收电流的应用中。
• 用于一些经典的放大器电路，如推挽放大器电路。
• 在温度传感器中。
• 用于非常高频的应用。
• 用于对数转换器。