NPN型晶体管

介绍

NPN晶体管是双极结型晶体管(BJT)的一种。NPN晶体管由两种n型半导体材料组成，它们被一薄层p型半导体隔开。这里大部分载流子是电子。这些电子从发射极流向集电极，就形成了晶体管中的电流流。通常NPN晶体管是最常用的双极晶体管类型，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晶体管主要用于信号放大和转换。

上图显示了NPN晶体管的符号和结构。在这种结构中，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。现在让我们来看看NPN晶体管的操作和解释。

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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，集电极端总是连接正电压，发射极端连接负电源，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施加到基极端子上。集电极端子通过负载RL连接到电压VCC上。在这种情况下，负载RB和RL都可以限制通过相应端子的电流。在这里，基极和集极总是相对于发射极包含正电压。

如果基极电压等于发射极电压，则晶体管处于关闭状态。如果基极电压高于发射极电压，则晶体管的开关更大，直到它处于完全打开状态。如果给基极施加足够的正电压，即全通状态，就会产生电子流，电流(IC)从发射极流向集电极。在这里，基极端作为输入，集极-发射极区作为输出。

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，而且也必须大于晶体管的发射极电压。基极和发射极之间存在一定的电压降，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。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基极偏压
V_是=输入基极-发射极电压= 0.7V
R_B=基本阻力

可以通过应用Kirchhoff的电压法（KVL）来计算公共发射极NPN晶体管中的输出集电极电流。

集电极电源电压的计算公式为

V_CC=我_CR_l+ V_CE............(1)

由上式可知，共发射极NPN晶体管的集电极电流为

我_C=（V._CC-v._CE）/ R._l

在一个共发射极NPN晶体管中，集电极电流和发射极电流之间的关系为

我_C我=β_B

在有源区，NPN晶体管是一个很好的放大器。在共发射极NPN晶体管中，通过晶体管的总电流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。该比值一般用β表示，β的最大值约为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IC/IE来表示。这个比值用α表示，这个值一般等于一个单位。

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NPN晶体管的α， β和γ关系

现在我们来看看两个比值参数α和β之间的关系。

α=公共基础电路的DC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(IC)，输入电流是发射极电流(IE)。

α=我_C/一世_E.........（2）

这个当前增益(α)值非常接近统一，但小于统一。
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

从方程2，收集器

我_C我=α_E

我_B=我_E-α我_E

我_B=我_E(1 -α)

β=公共发射器电路的DC电流增益=输出电流/输入电流

此处输出电流为集电极电流，输入电流为基本电流。

β=我_C/一世_B

β=我_C/一世_E(1 -α)

β=α/(1 -α)

根据上述方程，α和β之间的关系可以表示为

α = β (1-α) = β/(β+1)

β = α (1+β) = α/ (1-α)

对于使用高频率操作的低功率晶体管，β值可以从20到1000变化。但通常，该β值可以具有50-200之间的值。

现在我们将看到α，β和γ因子之间的关系。

在一般集电极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/一世_B

我们知道发射极电流

我_E=我_C+我_B

γ=（我_C+我_B）/一世_B

γ=（我_C/一世_B) + 1

γ=β+1

因此α， β和γ之间的关系如下所示

α = β / (1-α)， γ = β+1

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NPN型晶体管的例子

1.计算基极电流IB切换一个电阻负载4mA的双极NPN晶体管的电流增益(β)值100。

我_B=我_C/β= (4 * 10³) / 100 = 40 ua

2.计算具有偏置电压10V的双极NPN晶体管的基极电流和200kΩ的输入基站。

我们知道基电流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)/200k ω = 46.5uA。

NPN晶体管的基极电流为46.5uA。

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共发射极配置

公共发射器配置电路是三种BJT配置之一。这些公共发射器配置电路用作电压放大器。通常，BJT晶体管具有三个端子，但在电路连接中，我们需要使用任何一个终端。因此，我们将三个终端中的一个作为输入和输出动作作为公共终端。在此配置中，我们将发射器终端用作公共终端，因此它被命名为共同发射器配置。

这种配置被用作单级共发射极放大电路。在这种配置中，base作为输入端，collector作为输出端，emitter作为公共端。该电路的工作从偏置基极开始，使基极-发射极结前向偏置。基极中的小电流控制晶体管中的电流。这种结构总是在线性区域内工作，以放大输出端的信号。

这种共发射极放大器具有反向输出，增益非常高。这个增益值受温度和偏置电流的影响。与其他BJT结构相比，共发射极放大电路具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，并能提供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。这些配置放大器主要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。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，只有当至少少量的电流和少量的电压施加在晶体管的基极相对于发射极时，晶体管才处于“开”状态，否则晶体管就处于“关”状态。

集电极电流(IC)主要受1.0V水平的集电极电压(VCE)的影响，但该IC值在该值以上时受影响不大。我们已经知道发射极电流是基极电流和集电极电流的总和。即IE =IC+ IB，通过电阻负载(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

直线表示连接A点(其中V_CE= 0)和B(其中I_C= 0)。沿着载重线的区域代表晶体管的“有源区域”。

公共发射器配置特性曲线用于计算给出收集电压和基极电流时的集电极电流。负载线（红线）用于确定图中的Q点。负载线的斜率等于负载电阻的倒数。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领域。
• 用于放大电路。
• 用于达林顿对电路放大微弱信号。
• NPN晶体管用于需要沉入电流的应用中。
• 用于一些经典的放大电路，如推挽放大电路。
• 温度传感器。
• 甚高频应用。
• 用于对数转换器。

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