超详细的晶体三极管原理讲解和应用分析，以水龙头比喻太恰当了
什么是三极管？
三极管，全称为半导体三极管、双极型晶体管或者晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。
三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。晶体三极管是一种三端器件，内部含有两个相距很近的PN结（发射结和集电结），两个PN结加上不同极性、不同大小的偏置电压时，晶体三极管呈现不同的特性和功能。
晶体三极管由于结构不同，可以分为NPN型三极管和PNP型三极管，NPN型三极管和PNP型三极管的逻辑符号如下图1所示。
图1 NPN型三极管和PNP型三极管逻辑符号
三极管的三种工作状态是非常重要的，是无线电基础中的基础。对此我是这样理解的。无论是NPN型三极管还是PNP型三极管，当发射结加正向偏置电压，而集电结加反向偏置电压时，那么该三极管就工作在放大模式；而当其发射结和集电结都加正向偏置电压时，该三极管就工作在饱和模式；而当发射结和集电结同时加反向偏置电压时，那么该三极管就工作在截止模式。为此我编了一句顺口溜：发正集反是放大；全正饱和全反截，希望对大家理解有用。
既然晶体三极管那么重要，那么我们改如何正确理解三极管的工作原理，并正确使用三极管呢？小何下面就跟大家一一分享。
三极管的工作原理
三极管的放大原理如下图2所示，晶体管中大小与输入信号呈正比的输出信号可以认为是从电源来的，他们的输入信号从基级进入而从发射级出来，晶体管只是吸收此时输入信号的振幅信息，由电源重新产生输出信号，这就是放大的原理。
图2 三极管放大原理
值得注意的是，对于三极管放大作用的理解，必须切记一点：根据能量守恒定律，能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。
晶体管的内部工作原理就是对流过基极与发射极之间的电流进行不断地监视，并控制集电极-发射极间电流源，使基极-发射极间电流的数十至数百倍（因晶体管种类而异）的电流在集电极与发射极之间流动。也就是说，晶体管是用基极电流来控制集电极-发射极电流的器件。晶体三级管的内部工作原理如下图3所示。
图3 晶体三级管的内部工作原理
换句话说，为了让晶体管工作，只需要设计一种外部电路，使基极-发射极间的电流流动就可以了。晶体管都有一个箭头方向，我们可以理解为晶体管的基极-发射极之间加入了一个二极管，而箭头的方向就是二极管的方向，如下图4所示。
当晶体管进行工作时（基极和发射极之间有电流的流动，NPN型是从基极流向发射极，PNP型是从发射极流向基极），基极-发射极间的压降与二极管的压降相同，为0.6~0.7V。也就是说，在设计电路时，只要使晶体管的基极-发射极间的电压设为Vbe＞＝0.6V，使基极-发射极之间的二极管导通，这样三极管基极-发射极之间就有电流流动，然后再对电路的其他部分进行计算就可以了。
图4 晶体管基极-发射极间的二极管
对于三极管的理解，可能有同学还不是很理解，下面就用生活中一个很常见的实物类比，这里以NPN型三极管为例进行说明，PNP型三极管类似，只是方向不同而已，结论都适用。
三极管就如同日常使用的水龙头，如下图5所示，三极管的集电极C可以看做水龙头的进水口；发射极E可以看做可以看做水龙头的出水口，基极B可以看做水龙头的开关。
图5 类比三极管的水龙头
在使用水龙头时，转动开关B，当向右转动时，水流会慢慢增大，向右转到最大位置时，水流最大，此时开关B无法再向右旋转，即对应三极管的饱和模式；
当向左旋转时，水流会逐渐减小，当向左旋转到最小时，此时水流为零，即对应三极管的截止模式；这样开关B在最左侧时，就对应三极管的截止模式，在最右侧时，就对应三极管的饱和模式，在中间位置时，则对应三极管的放大模式。这样就很好理解了，其实三极管并没有起到放大作用，一直以来所谓的放大都是被误解了。
从上面的分析可知，为了让三极管能够工作，需要在基极和发射极之间去驱动那个二极管，让二极管导通，让基级和发射极之间有电流的流动，在水龙头的开关操作中，需要去旋转这个开关，向右旋转就相当于告诉水龙头，要开始放水了，这个向右的动作就相当于是从管基极流向发射极的电流，两者都有一个方向上的动作。
在现代电子系统设计中，随着集成电路集成度越来越高，在设计电路时，晶体三极管作为逻辑开关的使用非常广泛。晶体三极管作为开关管使用时，是利用了让三极管工作在饱和模式下，也即是在最左侧时BE关闭，在最右侧时CE导通。上面的水龙头例子对三极管做了较为清晰的理解，在进行电路设计时，需要有一个可以量化的设计指标，即基极电流和集电极电流的关系来做量化分析。在进行三极管的饱和状态设计时，可以采用如下公式：
式中, 是基极流入发射极的电流； 是三极管的放大倍数； 是集电极的电流。
有时候需要用晶体三极管来对输入的信号做放大处理，在电路设计中，晶体三极管想选型可以按照如下步骤进行。
(一) 、需要明确制作什么样性能的电路，也即是说，要有一个系统的电路设计的规格书；
(二) 、确定要使用电源的电压，来保证电路的正常工作；
(三) 、选择所要使用的晶体管的类型，PNP或者NPN，一般NPN型三极管使用的要多一些。应根据晶体三极管Datasheet里的最大额定值选择，保证其不会在工作时损坏，在额定值内查看其电气特性，根据目标信号放大倍数选定合适的三极管；
(四) 、确定发射极或集电极的最佳电流工作点，这个要根据晶体三极管的频率特性曲线与发射集电极或集电极电流的关系来看；
(五) 、电路的电压放大倍数是由接在电源和集电极C之间的电阻 和接在发射极和地之间的电阻 之间的电阻比值决定的；
(六) 、基极电位是 +0.6V，基极电位一般由电阻分压得到。使用三极管作为开关时，有时候会出现电压钳位的问题，此时需要在合适的位置添加电阻进行处理。如下图6所示，当三极管导通后，三极管的基极电压因为基极-发射极间二极管的原因，会被钳位在0.6~0.7V，此时，因基极和发射极间的电阻很小，所以会有很大的电流流过，会损坏晶体三极管管子，可以在POWER_UP和1基极之间串联电阻（如47K）。 注意：三极管的钳位作用，就可以理解成二极管的钳位作用。
图6 三极管的输入钳制电压电路
(七) 、三极管现在已经逐渐被MOS管取代，同时三极管现在已经主要变成一种开关了，一般来说三极管做最简单的信号放大，高精度的放大工作主要由运放来完成。
总结
要完成高质量放大电路的设计，有时候你按照步骤来设计电路，会发现为了满足这个条件，而不得不去修改另外一个条件。很多情况下，只能采用权宜之计。因此，一个优秀的电路，是一个优秀的工程师重复设计，多次推演而设计出来的。
虽然现代的实际应用中大部分都会采用集成的放大器来处理信号。但是作为一个技术的爱好者，做一些事情不需要考虑实际意义。有时候是因为艰难，所以喜欢。