NPN 電晶體與 PNP 電晶體的差異:結構、電流方向、電路符號、使用方式比較

NPN 電晶體是以 n 型的射極與集極夾住 p 型的基極,PNP 電晶體則相反,是以 p 型的射極與集極夾住 n 型的基極。NPN 主要由電子傳導電流,PNP 主要由電洞傳導電流,電壓與電流的方向全部相反。在矽中,電子的遷移率大於電洞,因此在相同尺寸下,NPN 較快,電流增益也較容易做高,所以較常使用。

項目NPNPNP
半導體的排列(射極、基極、集極)n 型、p 型、n 型p 型、n 型、p 型
主要傳導電流的載子電子(從射極注入基極)電洞(從射極注入基極)
主動區的偏壓基極與射極之間為順向偏壓(基極比射極高約 0.6~0.7 V),基極與集極之間為逆向偏壓基極與射極之間為順向偏壓(基極比射極低約 0.6~0.7 V),基極與集極之間為逆向偏壓
端子電壓的關係(主動區)VC > VB > VEVE > VB > VC
電流方向從基極與集極流入,從射極流出從射極流入,從基極與集極流出
電路符號的箭頭從射極朝外朝內指向射極
作為開關的使用方式放在負載與 GND 之間的低側開關。電流流入基極即導通放在電源與負載之間的高側開關。從基極汲出電流即導通
性能(相同尺寸時)電子遷移率大,因此速度快,電流增益容易做大電洞遷移率小,因此比 NPN 慢,電流增益也容易偏小
主要使用方式放大電路、低側開關、開集極輸出、ECL 等高速電路高側開關、與 NPN 組合的推挽輸出級、從電源側送出電流的電流源

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

NPN
猶豫時的第一選擇。常用於從微控制器的接腳在 GND 側讓 LED 或繼電器導通與截止的電路,以及一般的放大電路。
PNP
想在電源側讓負載導通與截止時,或想製作從電源送出電流的電流源時使用。
搭配使用
用特性相匹配的 NPN 與 PNP 一組(互補對),可以製作分別負責正、負半週的推挽放大電路。B 類會產生交越失真,因此一般會做成流過少量偏壓電流的 AB 類。

常見問題

如何分辨 NPN 與 PNP 的電路符號?

以射極上箭頭的方向來分辨。箭頭表示基極與射極之間的 PN 接面中順向電流流動的方向(從 p 型到 n 型),NPN 是從射極朝外,PNP 是朝內指向射極。

為什麼 NPN 比較常用?

因為在矽中,電子的遷移率約為電洞的 2~3 倍,在相同結構下,NPN 的電流增益與運作速度較容易做高。此外,在以 GND 為基準的電路中,NPN 的低側開關較容易組成,這也是原因之一。

可以把 NPN 換成 PNP 嗎?

無法直接替換。電壓與電流的方向全部相反,因此包括電源極性與負載位置在內,都必須重新設計電路。若將整個電路在電源側與 GND 側之間上下翻轉,就能實現相同的功能。

如何讓 PNP 電晶體導通?

使基極電壓比射極低約 0.6~0.7 V,從基極汲出電流。在射極接電源的高側開關中,透過電阻將基極拉往 GND 側即導通,使其與射極同電壓則截止。

理解度檢測

NPN電晶體用於放大(在主動區工作)時,正確的偏壓條件是哪一個?

  1. A基極-射極間為順向偏壓,基極-集極間為逆向偏壓
  2. B基極-射極間為逆向偏壓,基極-集極間為順向偏壓
  3. C基極-射極間與基極-集極間皆為順向偏壓
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正確答案:A. 基極-射極間為順向偏壓,基極-集極間為逆向偏壓

在主動區,基極-射極接面為順向偏壓,使電子從射極注入基極;基極-集極接面為逆向偏壓,以強電場將穿過基極的電子拉往集極。集極電流幾乎不受集極電壓影響,而是由基極電流(或VBE)決定,因此可以放大。若兩者皆為順向偏壓,則為飽和區(開關導通);若兩者皆為逆向偏壓,則為截止區(關閉)。

在PNP電晶體中,從射極注入基極並主要傳導電流的載子是哪一個?

  1. A電子
  2. B電洞
  3. C離子
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正確答案:B. 電洞

在PNP電晶體中,電洞從p型射極注入n型基極,穿過基極後被p型集極收集。NPN中則由電子擔任相同的角色。電子的遷移率約為電洞的3倍,因此相同結構下NPN速度較快、電流增益也較高,是主流。PNP用於與NPN組合的推挽電路,或電源正側的開關(高側)等,電壓與電流的方向與NPN相反。

在NPN電晶體的電路符號中,射極上箭頭的方向,下列何者正確?

  1. A從集極朝向射極的方向
  2. B從基極朝向射極外側的方向
  3. C從射極外側朝向基極的方向
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正確答案:B. 從基極朝向射極外側的方向

電路符號的箭頭表示基極-射極PN接面中順向電流流動的方向(p→n)。NPN中電流從基極(p)流向射極(n),所以箭頭朝外;PNP則朝內。有一個常見的記法是「NPN: Not Pointing iN(不指向內)」。箭頭只畫在射極側,因此從符號也能分辨射極與集極。

  1. 在NPN電晶體中,使射極的雜質濃度高於基極,其主要理由是哪一個?
  2. 在以NPN與PNP電晶體分擔正、負半週的B類推挽放大電路中,容易產生的失真是哪一個?
  3. 在主動區工作的矽雙極性電晶體,其基極-射極間電壓VBE的參考值,下列何者正確?

前往雙載子電晶體的練習題

相關名詞的解說

電流增益(hFE)
雙載子電晶體的集極電流與基極電流之比(IC/IB)。
主動區
基極-射極間為順向偏壓、基極-集極間為逆向偏壓的狀態。流過與基極電流成正比的集極電流,用於放大。
飽和區
雙載子電晶體的基極-射極接面與基極-集極接面都處於順向偏壓的狀態。集極-射極間電壓降到約 0.1〜0.3 V,相當於開關導通。
射極隨耦器
共集極的放大電路。電壓增益約為 1,但輸入阻抗高、輸出阻抗低,因此用作不衰減訊號即可驅動下一級的緩衝器。
交越失真
在 B 類推挽放大電路中,負責正、負半週期的電晶體切換的 0 V 附近,因兩者都不導通而產生的失真。可藉由流過少許偏壓電流的 AB 類來減輕。

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