一、三極管的基本概念

概念：

三極管和二極管一樣都是一種半導(dǎo)體器件，三極管通常被認(rèn)為是由2個(gè)PN結(jié)組成的二極管，但工作原理要比二極管復(fù)雜的多，三極管分為NPN型和PNP型三極管2種類型，三極管有3個(gè)接口，分別為基極（B）、發(fā)射極（E）和集電極（C），工作原理是通過基極電流去改變集電極的電流和發(fā)射基電流。

特性：

?放大作用：三極管可以放大電壓或電流信號(hào)。

?開關(guān)作用：三極管可以通過控制基極電流，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路。

?輸入電阻和輸出電阻：三極管具有一定的輸入電阻和輸出電阻。輸入電阻決定了輸入信號(hào)源與三極管之間的電流關(guān)系，而輸出電阻則影響了三極管與負(fù)載電路之間的匹配程度。

二、三極管的工作原理和應(yīng)用

三極管一般由摻雜不同的硅(Si)或者砷化鎵(GaAs)等半導(dǎo)體材料構(gòu)成。它由三個(gè)區(qū)域組成：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。

發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，其主要成分為硅或砷化鎵等材料。N型半導(dǎo)體通過在材料中加入少量的五價(jià)元素（如砷或者氮），從而形成了多余的電子，使它具有了導(dǎo)電性。

基級(jí)區(qū)是P型半導(dǎo)體，其主要成分為硅或砷化鎵等材料。P型半導(dǎo)體通過在材料中加入少量的三價(jià)元素（如硼），從而形成了多余的空穴，使它具有了導(dǎo)電性。

當(dāng)三個(gè)區(qū)域按照特定的方式連接，即形成了PNP或者NPN結(jié)構(gòu)的三極管。在工作時(shí)，通過控制基極電壓，可以在集電極和發(fā)射極之間實(shí)現(xiàn)電流放大或開關(guān)控制的功能。

三極管的放大作用：

.放大區(qū)：當(dāng)基極與發(fā)射極之間施加一個(gè)正向電壓時(shí)，使得基極-發(fā)射結(jié)正向偏置。此時(shí)，發(fā)射區(qū)的N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（電子）被注入到基區(qū)（P型半導(dǎo)體）中。由于基區(qū)非常薄，少數(shù)載流子可以跨越基區(qū)，進(jìn)入集電區(qū)（N型半導(dǎo)體）。

.集電極電壓：集電極與發(fā)射極之間施加一個(gè)較高的正電壓，使得集電極反向偏置。這樣，集電區(qū)成為一個(gè)吸收電子的區(qū)域。

.放大效應(yīng)：當(dāng)少數(shù)載流子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)后，通過擴(kuò)散和漂移作用，它們會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散到集電區(qū)，最終形成集電電流（IC）。由于基區(qū)的薄度和摻雜濃度調(diào)制，使得少數(shù)載流子注入到基區(qū)的數(shù)量遠(yuǎn)大于集電區(qū)的數(shù)量。因此，IC是輸入信號(hào)IE的放大。

.控制信號(hào)：輸入信號(hào)IE作用于基極，通過調(diào)整基極電流（IB），可以控制集電電流（IC）的變化。當(dāng)輸入信號(hào)IE變化時(shí)，基極電流也相應(yīng)變化，從而調(diào)整了集電電流的大小，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大。

三極管的開關(guān)作用：

.非導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)基極與發(fā)射極之間施加零或負(fù)電壓時(shí)，基極-發(fā)射極處于反向偏置狀態(tài)。此時(shí)，幾乎沒有電流通過發(fā)射區(qū)和基區(qū)，三極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，集電電流（IC）非常小。

.導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)基極與發(fā)射極之間施加一個(gè)正向電壓時(shí)，使得基極-發(fā)射結(jié)正向偏置。此時(shí)，發(fā)射區(qū)的N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（電子）被注入到基區(qū)（P型半導(dǎo)體）中。由于基區(qū)非常薄，少數(shù)載流子可以跨越基區(qū)，進(jìn)入集電區(qū)（N型半導(dǎo)體）。

.集電極電壓：集電極與發(fā)射極之間施加一個(gè)較低的正電壓，使得集電極正向偏置。這樣，集電區(qū)成為一個(gè)吸收電子的區(qū)域。

.導(dǎo)通效應(yīng)：當(dāng)少數(shù)載流子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)后，通過擴(kuò)散和漂移作用，它們會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散到集電區(qū)。此時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，集電電流（IC）的值取決于注入到基區(qū)的電子數(shù)量。

三極管輸入電阻和輸出電阻：

.輸入電阻（Rin）：輸入電阻是指三極管對(duì)輸入信號(hào)的電阻。它可以用來衡量三極管接受外部輸入信號(hào)的能力。對(duì)于NPN型三極管，輸入電阻通常由基極和發(fā)射極之間的結(jié)電阻（re）以及基極電流（IB）的比值決定。輸入電阻越大，表示輸入信號(hào)對(duì)三極管的負(fù)載影響越小。

.輸出電阻（Rout）：輸出電阻是指三極管對(duì)負(fù)載電路的電阻。它可以用來衡量三極管輸出信號(hào)時(shí)對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于NPN型三極管，輸出電阻主要由集電極和發(fā)射極之間的反饋電阻以及負(fù)載電路的電阻決定。輸出電阻越小，表示三極管可以提供更好的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。

.注：在不同的偏置條件下，輸入電阻和輸出電阻的數(shù)值可能會(huì)有所不同。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和工作條件來選擇合適的三極管以及相應(yīng)的偏置電路，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的輸入輸出特性。

三、三極管在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用案例：

?電源開關(guān)：在電源開關(guān)電路中，三極管可以用作開關(guān)控制器，通過控制其基極電壓來控制電源的通斷。例如，在智能家居系統(tǒng)中，可以使用三極管作為電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。

?PWM調(diào)光控制：在LED燈控制電路中，可以使用三極管實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制。通過改變?nèi)龢O管的工作狀態(tài)，可以控制LED的亮度。這種控制方式可以節(jié)省能量，延長(zhǎng)LED壽命。

?信號(hào)放大：在傳感器信號(hào)處理電路中，三極管可以用作信號(hào)放大器，將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到合適的幅值范圍內(nèi)。例如，在溫度傳感器電路中，可以使用三極管來放大溫度信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字轉(zhuǎn)換和處理。

?驅(qū)動(dòng)電機(jī)：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，三極管可以作為功率放大器，將低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平驅(qū)動(dòng)電機(jī)。例如，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，可以使用三極管來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

?濾波器：在信號(hào)濾波電路中，三極管可以用作濾波器的關(guān)鍵元件。例如，在音頻放大器電路中，可以使用三極管實(shí)現(xiàn)濾波功能，消除噪聲和雜音，提高音頻信號(hào)質(zhì)量

四、典型應(yīng)用原理圖

以上原理圖中，輸出接口默認(rèn)是3.3V的上拉，當(dāng)外部輸入24V時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出接口被三極管拉低到GND。