三极管是半导体基本元器件之一,是电子电路的核心元件,也是一种非常常见的控制和驱动装置。正因为它的作用非常之大,因此可以说——没有三极管的发明,就没有现代信息社会的发达与多样性。电子管是它的前身,但由于电子管体积大、耗电量巨大,如今已被淘汰。同时,三极管也是模拟电路的基础,放大电路、运放电路皆是在三极管的基础上扩展而出的;它也是数字电路的核心元器件,用于作开关用途、调节电压用途。三极管是每个嵌入式工程师必不可缺的伙伴。
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三极管通常由三层半导体材料组成,形成两个PN结。根据结构不同,三极管主要分为两种类型:
三极管是一种电流放大器件,可制成交流或直流信号放大器:由基极输入一个很小的电流,从而控制集电极输出很大的电流。
三极管具有放大功能的基本条件是:保证基极和发射极之间加正向电压(发射结正偏),基极与集电极之间加反向电压(集电结反偏)。基极相对于发射极为正极性电压,基极相对于集电极为负极性电压。
三极管的集电极电流在一定范围内随基极电流呈线性变化,这就是放大特性。当基极电流高出此范围时,三极管集电极电流会达到饱和值(导通);基极电流低于此范围时,三极管会进入截止状态(断路)。这种导通或截止的特性,使三极管在电路中还可以起到开关作用。半导体三极管除了构成放大器和作开关元件使用外,还能够做成一些可独立使用的两端或三端器件。
三极管具有扩流作用,在某些情况下可扩大电流限值或电容容量等。当三极管工作在放大区时,基极(B)输入一个较小的电流I~B~,则会在集电极(C)和发射极(E)之间形成一个较大的电流I~C~,并满足关系式:
I~C~ = β · I~B~
其中,β(放大倍数) 是三极管的电流放大系数,通常在几十到几百倍之间。因此,一个小电流控制了一个大电流,实现了扩流功能。
例如:将小功率可控硅与大功率三极管相结合,可以得到大功率可控硅,扩大最大输出电流值;在长延时电路中,三极管可完成扩大电容容量的作用。
用三极管构成的电路还可以模拟其他元器件,例如用三极管模拟稳压管。其稳压原理是:利用三极管的电流放大作用和负反馈机制,通过调节基极电流来控制输出电压,使其保持稳定。当输入电压或负载变化时,三极管通过调整自身的导通状态,维持输出电压的稳定。通过引入负反馈电路,可以进一步提高稳压精度。
三极管也称双极型晶体管或晶体三极管。在日常生活中,常见的应用场景包括:音响、功率放大器、触摸开关、光敏开关、手机充电器、手机、电视等,在物联网行业也运用广泛。
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