三极管的基本特性、特征方程及工作状态

晶体管分为三极管和场效应管两种，这里我们先说三极管，场效应管的内容我之前发过不少，但是还不全，后面我会慢慢补上。

1、三极管的基本特性

三极管分为NPN型和PNP型两种。 这里我不会讲它的物理结构这个微观层面的东西，只讲具体在电路中我们怎么应用，怎么理解，怎么在大脑中构建这个模型。

如下图，三极管的三个引脚分别是基极(Base)，发射极(Emitter)，集电极(Collector)。

等效模型：BE直接就是一个二极管，CE直接等效为一个可调电阻，阻值可以从若干欧到无穷大(开路)。 (记住这个等效模型可以解决90%的问题，非常重要)

NPN型三极管等效模型

PNP型三极管等效模型

2、三极管的特征方程

ic = beta * ib，为什么叫特征方程呢? 所为特征就是本质的意思，一个三极管生产出来了，ic和ib就是这个关系，beta是个常数，是三极管自身的放大倍数，取决于生产工艺数值在几十到几百之间。 理解三极管就要从这个beta开始。

对于NPN型三极管，ib从B→E，ic从C→E。

对于PNP型三极管，ib从E→B，ic从E→C。

三极管有三个工作状态，饱和区，截止区和放大区，一个三极管固定了怎么会有三个工作状态呢? 阻容感器件可没这么多说法，很难理解，别忘了，等效模型中有一个量是变化的--可调电阻。 就是根据这个可调电阻来划分三极管的工作状态。

3、三极管的工作状态

三极管只能依靠改变CE直接的可调电阻R_ce来实现ic=beta * ib。

① 饱和区，如果R_ce降低到最小值，都实现不了ic=beta * ib，称为“饱和”。 (此时，R_ce为最小值，CE近似短路，但不满足ic=beta*ib)

② 截止区，如果R_ce增大到最大值，都实现不了ic=beta * ib，称为“截止”。 (此时，R_ce为最大值，CE近似开路，但不满足ic=beta*ib)

③ 放大区，如果在R_ce可调范围内能够ic=beta * ib，称为“放大”。

举个例子：

① VCC=10V，问三极管工作在哪个区?

左边原理图，右边等效电路图

答：由于有5V稳压管存在，B为5V，减去二极管管压降0.7V，得到E为4.3V，所以E极电流为1mA，假设工作在放大区ic=beta * ib，beta非常大，则E极电流几乎由ic完全提供，这样只要把可变电阻调整为5.7kohm就可以满足ic=beta * ib这个条件。 所以假设成立，该三极管工作在放大区。

② VCC=3V，问三极管工作在哪个区?

左边是原理图，右边是等效电路图

答：同样由于有5V稳压管存在，B为5V，减去二极管管压降0.7V，得到E为4.3V，所以E极电流为1mA，假设工作在放大区ic=beta * ib，beta非常大，则E极电流几乎由ic完全提供，但是此时VCC=3V，Vce=-1.3V，再怎么减小可变电阻的阻值都不能提供1mA的电流，也就实现不了ic=beta * ib，所以假设失败，工作在饱和区。

4、数字电路与模拟电路

模拟电路中使用三极管时，基本上是工作在放大区，因为模拟电路中一个重要的功能就是线性放大。 只有在放大区才有ic=beta * ib这一线性放大关系。

数字电路中使用三极管时，基本上是工作在饱和区和截止区。 因为数字电路只有“0”和“1”两种状态，最重要的一个功能是非门，即从“0”变到“1”，或从“1”变到“0”，其他逻辑关系都是用这个非门电路衍生出来的。

当三极管工作在饱和区时，实现“1”变到“0”：

上面原理图表面，当输入Vin为10V高电平时，由于有5V稳压管存在，B为5V，减去二极管管压降0.7V，得到E为4.3V，所以E极电流为10mA，同样先假设工作在放大区ic=beta*ib，由(10V-4.3V)/10kohm=0.57mA可得，就算可变电阻调节为0ohm，也无法从C极提供10mA的电流。 所以假设失败，三极管工作在饱和区。 此时，Vout约为0.43V为低电平。 从而实现从“1”到“0”。

当三极管工作在截止区时，实现“0”变到“1”：

当输入电压为0V时，稳压二极管不能导通，无法起到稳压5V的作用，BE直接的二极管无法导通，可变电阻这时取最大值，近似为无穷大，三级管开路，输出Vout为VCC等于10V，为高电平，从而实现了从“0”到“1”。

总结NPN、PNP的等效电路很重要，要理解可变电阻和三极管工作区域的关系。

模拟电路工作在放大区，数字电路工作在饱和区和截止区。