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1.4PNP晶体管

在本教程中，我们将尝试了解PNP晶体管的基础知识。我们将学习其工作原理、引脚、基本电路、端子识别、示例以及一些应用。

PNP晶体管是另一种类型的双极型晶体管（BJT）。PNP晶体管的结构与NPN晶体管完全不同。PNP晶体管结构中的两个PN结二极管相对于NPN晶体管是反向的，例如两个P型掺杂半导体材料由一层薄的N型掺杂半导体材料隔开。

PNP晶体管电路如何工作？​

在PNP晶体管中，多数载流子是空穴，电子是少数载流子。施加到PNP晶体管的所有电源电压极性都是反向的。在PNP中，电流流入基极端子。PNP晶体管中的小基极电流有能力控制大的发射极-集电极电流，因为它是一种电流控制器件。

BJT晶体管的箭头始终位于发射极端子上，并且它指示传统电流的流动方向。在PNP晶体管中，这个箭头指示为“指向内”，并且PNP中的电流方向与NPN晶体管完全相反。PNP晶体管的结构与NPN晶体管完全相反。但PNP晶体管的特性和操作与NPN晶体管几乎相同，只有很小的差异。

PNP晶体管电路图​

PNP晶体管的符号和结构如下所示。

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上图显示了PNP晶体管的结构和符号。该晶体管主要由三个端子组成，分别是发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。在这里，如果你观察，基极电流从基极流出，这与NPN晶体管不同。发射极电压相对于基极和集电极是正电压。

PNP晶体管的工作原理​

PNP晶体管与电源电压的电路连接如下所示。在这里，基极端子相对于发射极具有负偏置，并且由于PNP晶体管，发射极端子相对于基极和集电极具有正偏置电压。

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这里的极性和电流方向与NPN晶体管相比是相反的。如果晶体管连接到所有电压源，如上所示，那么基极电流流过晶体管，但在这里，基极电压需要相对于发射极为负，以使晶体管工作。在这里，基极-发射极结充当二极管。基极中的小电流控制从发射极到集电极区域的大电流流动。基极电压对于硅器件通常为0.7V，对于锗器件为0.3V。

在这里，基极端子作为输入，发射极-集电极区域作为输出。电源电压VCC V_{CC} 连接到发射极端子，负载电阻 RLR_L 连接到集电极端子。该负载电阻 RLR_L 用于限制器件中的最大电流流动。还有一个电阻 RBR_B 连接到基极端子，用于限制基极端子中的最大电流流动，并且基极端子还施加负电压。在这里，集电极电流始终等于发射极电流减去基极电流。与NPN晶体管一样，PNP晶体管也具有电流增益值 β\beta。现在让我们看看电流与电流增益 β\beta 之间的关系。

集电极电流 ICI_C 由下式给出：

IC=IE−IBI_C = I_E - I_B

PNP晶体管的直流电流增益 β\beta 与NPN晶体管相同：

β=ICIB\beta = \frac{I_C}{I_B}

由此方程我们得到：

IB=ICβ,IC=βIBI_B = \frac{I_C}{\beta}, \quad I_C = \beta I_B

我们还定义电流增益为：

α=ICIE\alpha = \frac{I_C}{I_E}

α\alpha 与 β\beta 的关系由下式给出：

β=α1−α,α=ββ+1\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}, \quad \alpha = \frac{\beta}{\beta + 1}

PNP晶体管中的集电极电流由下式给出：

IC=−αIE+ICBOI_C = -\alpha I_E + I_{CBO}

其中 ICBOI_{CBO} 为饱和电流。

由于：

IE=−(IC+IB)I_E = -(I_C + I_B)

代入得：

IC=−α(−(IC+IB))+ICBOI_C = -\alpha(-(I_C + I_B)) + I_{CBO}

整理得：

IC=αIC+αIB+ICBOI_C = \alpha I_C + \alpha I_B + I_{CBO}
IC−αIC=αIB+ICBOI_C - \alpha I_C = \alpha I_B + I_{CBO}
IC(1−α)=αIB+ICBOI_C(1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}
IC=α1−αIB+ICBO1−αI_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha} I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}

由于 β=α1−α\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}，我们得到集电极电流的方程为：

IC=βIB+(1+β)ICBOI_C = \beta I_B + (1 + \beta) I_{CBO}

PNP晶体管的输出特性与NPN晶体管特性相同。小的区别是PNP晶体管特性曲线旋转180°以计算反向极性电压和电流值。动态负载线也存在于特性曲线上以计算Q点值。PNP晶体管也像NPN晶体管一样用于开关和放大电路。

PNP晶体管示例​

考虑一个PNP晶体管，它连接在电路中，电源电压为 VB=1.5 VV_B = 1.5\,\text{V} ，VE=2 VV_E = 2\,\text{V}，+VCC=10 V+V_{CC} = 10\,\text{V}，−VCC=−10 V-V_{CC} = -10\,\text{V}。并且该电路还连接有电阻 RB=200 kΩR_B = 200\,\text{k}\Omega 和 RE=RC=5 kΩR_E = R_C = 5\,\text{k}\Omega。现在计算该PNP晶体管的电流增益值（α\alpha、β\beta）。

基极电流：

IB=VBRB=1.5200×103=7.5 μAI_B = \frac{V_B}{R_B} = \frac{1.5}{200 \times 10^3} = 7.5\,\mu\text{A}

发射极电流：

IE=VCC−VERE=10−25×103=85×103=1.6 mAI_E = \frac{V_{CC} - V_E}{R_E} = \frac{10 - 2}{5 \times 10^3} = \frac{8}{5 \times 10^3} = 1.6\,\text{mA}

集电极电流：

IC=IE−IB=1.6×10−3−7.5×10−6=1.59 mAI_C = I_E - I_B = 1.6 \times 10^{-3} - 7.5 \times 10^{-6} = 1.59\,\text{mA}

计算 α\alpha 和 β\beta：

α=ICIE=1.59×10−31.6×10−3=0.995\alpha = \frac{I_C}{I_E} = \frac{1.59 \times 10^{-3}}{1.6 \times 10^{-3}} = 0.995
β=ICIB=1.59×10−37.5×10−6=212\beta = \frac{I_C}{I_B} = \frac{1.59 \times 10^{-3}}{7.5 \times 10^{-6}} = 212

最终我们得到该PNP晶体管的电流增益值为：

α=0.995,β=212\alpha = 0.995,\quad \beta = 212

BJT晶体管匹配​

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晶体管匹配无非是在单个设计中连接NPN和PNP晶体管以产生高功率。这种结构也称为“匹配对”。NPN和PNP晶体管都称为互补晶体管。这些匹配对电路主要用于功率放大器，如B类放大器。如果我们连接具有相同特性的互补晶体管，那么它对于操作输出级电机和大型机械设计以连续产生高功率非常有用。

NPN晶体管仅在信号的正半周导通，PNP晶体管仅在信号的负半周导通，因此器件连续工作。这种连续操作对于功率电机以产生连续功率非常有用。互补晶体管需要具有相同的直流电流增益（(\beta)）值。这些匹配对电路用于电机控制、机器人和功率放大器应用。

PNP晶体管识别​

通常我们通过结构来识别PNP晶体管。与NPN晶体管相比，两者结构存在一些差异。识别PNP晶体管的另一个方法是，通常PNP晶体管在正电压下截止，在基极相对于发射极具有小输出电流和负电压时导通。但最有效识别它们的方法是计算三个端子（基极、发射极和集电极）之间的电阻。

我们有一些标准电阻值用于识别NPN和PNP晶体管。有必要在每个方向上测试每对端子的电阻值，因此总共需要进行六次测试。这个过程对于轻松识别PNP晶体管非常有用。现在我们看看每对端子的操作行为。

  • 发射极-基极端子：发射极-基极区域充当二极管，但仅在一个方向上导通。
  • 集电极-基极端子：集电极-基极区域也充当二极管，仅在一个方向上导通。
  • 发射极-集电极端子：发射极-集电极区域看起来像二极管，但在任何方向上都不会导通。

现在我们看看电阻值表，以识别NPN和PNP晶体管，如下表所示。

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PNP晶体管作为开关​

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上图显示了PNP晶体管作为开关的电路。该电路的操作非常简单，如果晶体管的输入引脚（基极）接地（即负电压），则PNP晶体管导通，现在发射极的电源电压导通，输出引脚被拉高到更大的电压。如果输入引脚连接到高电压（即正电压），则晶体管截止，因此输出电压必须为低（零）。该操作显示了PNP晶体管由于其导通和截止状态而产生的开关条件。

PNP晶体管电路应用​

  • PNP晶体管用于提供电流，即电流从集电极流出。
  • PNP晶体管用作开关。
  • 这些用于放大电路。
  • 当我们需要通过按下按钮关闭某些东西时，使用PNP晶体管，即紧急关闭。
  • 用于达林顿对电路。
  • 用于匹配对电路以产生连续功率。
  • 用于重型电机中以控制电流流动。
  • 用于机器人应用。