文章目錄

• 關于二極管與三極管的理解
• • 1、PN結
  • • 先來認識幾個關鍵概念。
    • PN結
    • • 不通電的時候的PN結
      • 正向導通：P區接正電，N區接負電
      • 反向截止：P區接負電，N區接正電
  • 2、二極管
  • • 穩壓管
  • 3、三極管
  • • 截止狀態
    • 放大狀態
    • 飽和狀態
  • 擴展

關于二極管與三極管的理解

1、PN結

在認識理解二極管三極管之前呢，我覺得很有必要先來認識一下它們的基礎——PN結。

先來認識幾個關鍵概念。

1、本征半導體：純凈的晶體結構的硅晶體或者鍺晶體。

2、共價鍵：①在模擬電路基礎中，共價鍵被解釋為：晶體中原子排列成整齊的點陣，相鄰原子最外層電子成為公用電子，稱之為共價鍵。 這個概念說實話，感覺真的很難理解。好在我們高中都學習過化學，我認為化學中的解釋更有助于理解共價鍵。 ②共價鍵在化學中的解釋：兩個或多個原子共同使用它們的外層電子，在理想情況下達到電子飽和的狀態（電子飽和狀態：對于擁有兩個及兩個以上電子層的原子來說，指的是原子最外層擁有8個電子），由此組成比較穩定和堅固的化學結構叫做共價鍵。本質是在原子之間形成共用電子對，或者說共價鍵是原子間通過共用電子對所形成的相互作用。（擴展：與離子鍵不同的是進入共價鍵的原子向外不顯示電荷，因為它們并沒有獲得或損失電子。共價鍵的強度比氫鍵要強，與離子鍵差不太多或有些時候甚至比離子鍵強）簡單來說就是，原子最外層擁有8個電子既是一種特別穩定的狀態，不容易遭到破壞。

3、自由電子和空穴：在獲得足夠的能量的情況下，原子最外層電子獲得能量，掙脫了共價鍵的束縛，變成了自由電子。在共價鍵中，由于缺少電子，所以就形成了空穴。具體怎么理解我們在具體的圖中指出。

4、載流子：運載電荷的粒子。空穴和自由電子都屬于載流子。

還有兩個非常重要的概念。
5、擴散運動：物質（載流子）總是由濃度高的向濃度低的方向運動。（這個最早接觸應該是在高中的生物和化學中，具體為什么會這樣我也不知道）漂移運動：載流子在電場力的作用下進行的運動。

6、P型半導體：在本征半導體（硅晶體）里面參雜 少量 的 3價 元素（如：B硼），以替代原有位置的4價元素。所形成的半導體就稱之為P型半導體。

由圖可見，在P型半導體中，空穴為其多數載流子（簡稱多子）；自由電子為其少數載流子（簡稱少子）。

7、N型半導體：在本征半導體（硅晶體）里面參雜 少量 的 5價 元素（如：P磷），以替代原有位置的4價元素。所形成的半導體就稱之為N型半導體。

由圖可見，在N型半導體中，自由電子為其多子；空穴為其少子。

PN結

在模擬電路基礎中，對PN結的解釋為：采用不同的參雜工藝，將P型半導體和N型半導體制作在同一塊半導體上，在他們的交接處就形成了PN結。

不通電的時候的PN結

在PN結中，P型半導體P區存在大量的空穴，而N型半導體N區存在大量的自由電子；由于擴散運動，P區的空穴向N區擴散，N區的自由電子向P區擴散。最后兩兩結合形成較為穩定的共價鍵。由于P區+3價的雜質原子失去空穴（+）獲得了電子（-），所以P區帶負電（-）；而N區+5價的雜質原子失去電子（-）獲得空穴（+），所以N區帶正電（+）。
這樣的話，P區帶負電，N區帶正電，它們之間就會形成一個由N區指向P區的內電場。
在內電場的作用下，產生載流子的漂移運動——P區帶負電：吸引帶正電的空穴，排斥帶負電的自由電子；而N區帶正電吸引帶負電的自由電子，排斥帶正電的空穴。這與擴散運動相反。
當載流子的擴散運動速度等于漂移運動速度的時候，二者就到達一個動態平衡。

正向導通：P區接正電，N區接負電

在PN結外加正向導通電壓，相當于在PN結的外圍加了一個與內電場相反的外電場。在這個外電場的作用下，擴散運動（擴散運動電流方向為P指向N；電流方向：與自由電子定向移動方向相反）將加劇；原來的漂移運動由于外電場的干涉使得內電場減弱而（漂移運動電流方向為N指向P）被削弱。擴散運動加劇造成P區的多子空穴向N區運動加劇，N區的多子自由電子向P區運動加劇；而原來的漂移運動的削弱意味著少子的運動減弱。那就可以理解為P指向N的電流增強，而由N指向P的電流減弱，做一個簡單的加減法，得出在正向導通時，電流由P指向N。

上面差不多是書上對PN結正向導通的解釋，仔細閱讀還是可以理解的。我個人而言是這樣理解的：由于外加電場的加入它抵消了原來的內電場（可以這樣理解，但實際上內電場會一直存在只不過減弱了而已），導致整體的漂移運動加劇了，只不過整體的漂移運動方向和擴散運動的方向一致（所以書上就只說了擴散運動加劇），這樣多子的運動加劇，就形成了一個大的定向電流。

疑問：對于正向導通，大家很難理解的一點是（其實是我很難理解的一點，我認為最關鍵的地方還是對電源的理解）：P區的多子空穴擴散到N區，N區的多子自由電子擴撒到P區；對于一個二極管來說，P區的多子空穴和N區的多子自由電子數量應該是有限的，隨著擴散運動的進行，是不是P區的多子空穴和N區的多子自由電子就大大減少了？如果它們都沒有了，那怎么會有較大的定向電流形成呢？？？

答：正如我問題里所描述的，最關鍵的是對電源的理解。在我們剛接觸電力學的時候，就提到過，電流是自由電子的定向流動所形成的，同樣這里也是一樣的；唯一的區別在這里加入了空穴的概念，按照我的理解，空穴在原來的電力學當中也是存在的，只不過當時并沒有提出來，因為自由電子不在它原來所在的位置（軌道）時，它空下來的位置就是空穴。當PN結形成了P指向N的電流時，按照原來的理解自由電子就從N流向P，再由P流向電源的正極。我們一步一步的來，當P的1個空穴獲得1個自由電子形成共價鍵時，P區相當于就少了1個空穴而N區也失去了1個自由電子；這樣下去難免P區將失去所有的空穴，N區將失去所有的自由電子。但是（重點來了），朋友們，這是回路啊！當自由電子到達P區與空穴結合形成共價鍵的同時，電源的正極也需要自由電子來形成電流回路啊。電源的正極連接著P區，所以P區在獲得自由電子的同時也在失去自由電子，所以P區的空穴在電源的作用在是不會減少了，是消耗不完的。而電源正極獲得自由電子去了哪里？那自然是電源的負極，負極直接提供給N區它在正極（也就是P區）獲得自由電子。因此N區的自由電子在向P區擴散的同時也在電源的負極獲得，自然也是不會減少的。

反向截止：P區接負電，N區接正電

同樣的道理，由于電源的作用，PN結相當于在外圍添加了一個與內電場相同方向的外電場，導致N區帶正電，N區吸引了N區的多子自由電子和P區的少子自由電子；P區帶負電，P區吸引了P區的多子空穴和N區的少子空穴；中間的空間電荷區（耗盡層）就增大了。多子的擴散運動自然由于外電場力的作用減弱了，而少子的漂移運動卻因為外電場的作用力而加劇了。所以電流的大小主要還是源自于少子的漂移運動。但是既然是少子，其數量自然是較少的，所以這個電流就非常非常的小，小到可以忽略不記。所以PN結就可以認為是截至的。

相較于正向導通而言，反向截止確實更容易理解一些。

2、二極管

前面介紹了關于很多PN結的知識，二極管這里我們就不再深究，歸根結底二極管也就是PN結的一個最簡單的應用。
附上二極管的伏案特性曲線：

穩壓管

在二極管中值得一提就是穩壓管。
要理解穩壓二極管的工作原理，只要了解二極管的反向特性就行了。所有的晶體二極管,其基本特性是單向導通。就是說，正向加壓導通，反向加壓不通。這里有個條件就是反向加壓不超過管子的反向耐壓值。那么超過耐壓值后是什么結果呢？一個簡單的答案就是管子燒毀。但這不是全部答案。試驗發現，只要限制反向電流值（例如，在管子與電源之間串聯一個電阻），管子雖然被擊穿卻不會燒毀。而且還發現，管子反向擊穿后，電流從大往小變，電壓只有很微小的下降，一直降到某個電流值后電壓才隨電流的下降急劇下降。正是利用了這個特性人們才造出了穩壓二極管。使用穩壓二極管的關鍵是設計好它的電流值。
附上穩壓管的伏安特性曲線和等效電路：

3、三極管

接下來就是本章的重點了。
關于何為PNP和何為NPN管我這里就不一一介紹了。我們以NPN為例，主要介紹一下對三極管三種工作狀態（截止、放大、飽和）的理解。

我記得我最開始學習模擬電路基礎的時候，幾乎全是死在了對三極管的理解上面。這次為了工作和寫這個博客，我又返回來查閱了很多很多的資料，得到了我認為最好的解釋。希望可以幫助朋友們更好的理解。

以NPN為例。在三極管中，我們首先要明白幾個點，1、發射極電流 Ie = 集電極電流 Ic + 基極電流 Ib；2、在放大的時候，集電極電流 Ic = 放大倍數β x 基極電流 Ib。三極管最厲害的地方也是再此，通過小電流Ib控制大電流Ic。

查閱眾多資料的結果是什么呢？那就是將三極管想像為一個擁有一大一小兩個閥門的水管。如下圖所示：

截止狀態

三極管工作在截止狀態，就呈現出如下所示的圖像：

由于基極沒有電流Ib，也就意味著小閥門沒有沒有打開，小閥門沒有打開就導致控制集電極電流Ic的大閥門也沒有打開。這就導致發射極Ie沒有電流流過，三極管處于截止狀態。
對應狀態：發射結反偏(Ube<Uod)，集電結反偏（Uc>Ub）
這是通俗的最簡單的理解方法。
要想從PN結入手理解三極管，那么你就得很熟悉PN結的構造以及工作原理了。當發射結處于反向偏置的時候，自然Ib和Ic是沒有電流流過的。有人在想，如果當發射結反偏，集電結正篇呢？我們來看看，如果發射結反偏，那么Ub<=Ue，而集電結正偏，Ub>Uc，電流由Ib流向Ic。既然基極Ib有電流流過，那為什么發射結又是反偏的呢？？所以這種情況是不可能發生的。（個人理解：強行這樣做會導致基極不會有電流流過。電流最終會直接通過集電區（但自由電子只會被來自發射極的高電平吸引而不會在經過基極），再通過基區，最后通過發射區。由于基區（P區）的雜質很少，且P區很薄，導致P區要么導通的電流很小，可以忽略，要么就是P區承受不起大電流而直接燒毀。想到后面放大和飽和，又感覺這里不太對。。。主要是感覺這里和放大飽和區一樣的。等我再仔細區探討以后再來修改吧。）
所以只要發射結反偏或者說不導通，三極管就處于截止狀態。
這個發射結反偏或者不導通可以理解為Ube<0.7（硅管），在水管中可以理解為，Ib(B端或者說小閥門)沒有水流或者說水流太小不足以打開小閥門，下閥門沒打開，打閥門自然也不會打開。

放大狀態

三極管工作在放大狀態在水管示意圖中倒是很好理解。
如下圖：

當小閥門打開在一定范圍內（這個范圍是：水流B剛好打開小閥門（也等同于大閥門剛打開）到大閥門完全打開）時，它的量總是與大閥門成一定的正比例（放大倍數β）。這就是放大的原理了。
對應的狀態為：發射結正偏，發射結反偏（Uc>=Ub）。我是這樣理解的。發射結正偏發射極的多子自由電子涌入基區P區的空穴中，一部分通過P區向基極流去，還有一部分，因為集電結的反偏，集電極的N區帶正電吸引帶負電的自由電子，而直接通過基區的P區到達集電區的N區。從而形成了從集電極到發射極的電流。至于它是如何放大的，可以理解為，因為基區和發射區的電壓差增大，導致發射區的大量自由電子快速的移動到基區P區，而對于基極來說，它能接收或者說通過的自由電子數量是有限的增加的。主要增益還是體現在集電極N區對從擴散到基區的自由電子的吸附作用（也就是漂移運動，但這里，做漂移運動的自由電子不再是基區P區原來的少子了。由于發射極N區擴散來的自由電子數很多，導致了P區的自由電子不再是原來的少子，可以形成一個比較大的電流）

飽和狀態

這個飽和狀態在這個水管模型中也是很好理解的，就是大閥門完全被打開了。即使小閥門再怎么開大一點，也不會對從C流下來的水流有什么影響。
對應的狀態為：發射結正偏，集電結正偏（并不是真正的導通，當然導通時也是在飽和狀態，只是Uc<Ub）。

關于飽和狀態，其實我認為是三級管三種狀態中最難理解的一種。
有如下幾個點需要注意：
1、過于在意“集電結正偏”了。其實，在飽和區，即便是集電結正偏，也還沒有達到集電結的正向導通電壓。不過，一般人都會被“正偏”誤導。
2、飽和的含義：集電極電流是隨著基極電流的增大而增大的，當集電極電流增大到一定程度時，再增加基極電流，集電極電流不再隨著增加了，這種現象就叫做飽和。而“三極管如工作在飽和狀態，那么就是雙結正偏”是現象或因果關系，也不算解釋。飽和的實質正是由于集電結正偏而使Ic脫離了與Ib的線性關系。
3、三極管的飽和狀態，是包括Ic趨于0的狀態的，這一點可以這樣理解。將各端的電壓比作是水源，當C端的源頭根本就沒有水源或者水源很少時，那么Ic很快就會進入不受Ib的控制區域，C的水源越小，那么Ic就越趨近于0。
4、通過給三極管發射結加上正向導通偏壓，同時給集電結加上正偏，三極管一定是在飽和區（一定不在放大區，包含Ic為零的情形）。

簡單的技巧：三極管上箭頭所在方向的二極管，只要二極管正向導通，那么三極管上下就能導通。

擴展

按理來說，正偏（+）、反偏（-）對應得應該有4種狀態（不是嚴格意思上的正偏反偏）。這里卻只有三種（- -）、（+ -）、（+ +）。那么另一種（- +）呢？雖然我沒有去驗證過，但事實卻很明顯，PNP管對應的三種狀態應該與NPN管對應的三種狀態相反。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的关于二极管与三极管的理解——模拟电路基础的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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