文章目錄

• 關(guān)于二極管與三極管的理解
• • 1、PN結(jié)
  • • 先來認(rèn)識幾個關(guān)鍵概念。
    • PN結(jié)
    • • 不通電的時候的PN結(jié)
      • 正向?qū)?#xff1a;P區(qū)接正電，N區(qū)接負(fù)電
      • 反向截止：P區(qū)接負(fù)電，N區(qū)接正電
  • 2、二極管
  • • 穩(wěn)壓管
  • 3、三極管
  • • 截止?fàn)顟B(tài)
    • 放大狀態(tài)
    • 飽和狀態(tài)
  • 擴展

關(guān)于二極管與三極管的理解

1、PN結(jié)

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

先來認(rèn)識幾個關(guān)鍵概念。

1、本征半導(dǎo)體：純凈的晶體結(jié)構(gòu)的硅晶體或者鍺晶體。

2、共價鍵：①在模擬電路基礎(chǔ)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(xué)習(xí)過化學(xué)，我認(rèn)為化學(xué)中的解釋更有助于理解共價鍵。 ②共價鍵在化學(xué)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(tài)（電子飽和狀態(tài)：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(wěn)定和堅固的化學(xué)結(jié)構(gòu)叫做共價鍵。本質(zhì)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(wěn)定的狀態(tài)，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(zhì)（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(yīng)該是在高中的生物和化學(xué)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(dǎo)體：在本征半導(dǎo)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(dǎo)體就稱之為P型半導(dǎo)體。

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

7、N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)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(dǎo)體就稱之為N型半導(dǎo)體。

由圖可見，在N型半導(dǎo)體中，自由電子為其多子；空穴為其少子。

PN結(jié)

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

不通電的時候的PN結(jié)

在PN結(jié)中，P型半導(dǎo)體P區(qū)存在大量的空穴，而N型半導(dǎo)體N區(qū)存在大量的自由電子；由于擴散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的自由電子向P區(qū)擴散。最后兩兩結(jié)合形成較為穩(wěn)定的共價鍵。由于P區(qū)+3價的雜質(zhì)原子失去空穴（+）獲得了電子（-），所以P區(qū)帶負(fù)電（-）；而N區(qū)+5價的雜質(zhì)原子失去電子（-）獲得空穴（+），所以N區(qū)帶正電（+）。
這樣的話，P區(qū)帶負(fù)電，N區(qū)帶正電，它們之間就會形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。
在內(nèi)電場的作用下，產(chǎn)生載流子的漂移運動——P區(qū)帶負(fù)電：吸引帶正電的空穴，排斥帶負(fù)電的自由電子；而N區(qū)帶正電吸引帶負(fù)電的自由電子，排斥帶正電的空穴。這與擴散運動相反。
當(dāng)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(tài)平衡。

正向?qū)?#xff1a;P區(qū)接正電，N區(qū)接負(fù)電

在PN結(jié)外加正向?qū)妷?#xff0c;相當(dāng)于在PN結(jié)的外圍加了一個與內(nèi)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(nèi)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(qū)的多子空穴向N區(qū)運動加劇，N區(qū)的多子自由電子向P區(qū)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?qū)〞r，電流由P指向N。

上面差不多是書上對PN結(jié)正向?qū)ǖ慕忉?#xff0c;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(nèi)電場（可以這樣理解，但實際上內(nèi)電場會一直存在只不過減弱了而已），導(dǎo)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?qū)?#xff0c;大家很難理解的一點是（其實是我很難理解的一點，我認(rèn)為最關(guān)鍵的地方還是對電源的理解）：P區(qū)的多子空穴擴散到N區(qū)，N區(qū)的多子自由電子擴撒到P區(qū)；對于一個二極管來說，P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的多子自由電子數(shù)量應(yīng)該是有限的，隨著擴散運動的進行，是不是P區(qū)的多子空穴和N區(qū)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(guān)鍵的是對電源的理解。在我們剛接觸電力學(xué)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(qū)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(xué)當(dāng)中也是存在的，只不過當(dāng)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(dāng)PN結(jié)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(dāng)P的1個空穴獲得1個自由電子形成共價鍵時，P區(qū)相當(dāng)于就少了1個空穴而N區(qū)也失去了1個自由電子；這樣下去難免P區(qū)將失去所有的空穴，N區(qū)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(dāng)自由電子到達P區(qū)與空穴結(jié)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(qū)，所以P區(qū)在獲得自由電子的同時也在失去自由電子，所以P區(qū)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(fù)極，負(fù)極直接提供給N區(qū)它在正極（也就是P區(qū)）獲得自由電子。因此N區(qū)的自由電子在向P區(qū)擴散的同時也在電源的負(fù)極獲得，自然也是不會減少的。

反向截止：P區(qū)接負(fù)電，N區(qū)接正電

同樣的道理，由于電源的作用，PN結(jié)相當(dāng)于在外圍添加了一個與內(nèi)電場相同方向的外電場，導(dǎo)致N區(qū)帶正電，N區(qū)吸引了N區(qū)的多子自由電子和P區(qū)的少子自由電子；P區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)吸引了P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的少子空穴；中間的空間電荷區(qū)（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(shù)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(jié)就可以認(rèn)為是截至的。

相較于正向?qū)ǘ?#xff0c;反向截止確實更容易理解一些。

2、二極管

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

穩(wěn)壓管

在二極管中值得一提就是穩(wěn)壓管。
要理解穩(wěn)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?qū)ā＞褪钦f，正向加壓導(dǎo)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(jié)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(fā)現(xiàn)，只要限制反向電流值（例如，在管子與電源之間串聯(lián)一個電阻），管子雖然被擊穿卻不會燒毀。而且還發(fā)現(xiàn)，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(wěn)壓二極管。使用穩(wěn)壓二極管的關(guān)鍵是設(shè)計好它的電流值。
附上穩(wěn)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(guān)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(tài)（截止、放大、飽和）的理解。

我記得我最開始學(xué)習(xí)模擬電路基礎(chǔ)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(rèn)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(fā)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(shù)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(jié)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?fàn)顟B(tài)

三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，就呈現(xiàn)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(dǎo)致控制集電極電流Ic的大閥門也沒有打開。這就導(dǎo)致發(fā)射極Ie沒有電流流過，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。
對應(yīng)狀態(tài)：發(fā)射結(jié)反偏(Ube<Uod)，集電結(jié)反偏（Uc>Ub）
這是通俗的最簡單的理解方法。
要想從PN結(jié)入手理解三極管，那么你就得很熟悉PN結(jié)的構(gòu)造以及工作原理了。當(dāng)發(fā)射結(jié)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(dāng)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正篇呢？我們來看看，如果發(fā)射結(jié)反偏，那么Ub<=Ue，而集電結(jié)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(fā)射結(jié)又是反偏的呢？？所以這種情況是不可能發(fā)生的。（個人理解：強行這樣做會導(dǎo)致基極不會有電流流過。電流最終會直接通過集電區(qū)（但自由電子只會被來自發(fā)射極的高電平吸引而不會在經(jīng)過基極），再通過基區(qū)，最后通過發(fā)射區(qū)。由于基區(qū)（P區(qū)）的雜質(zhì)很少，且P區(qū)很薄，導(dǎo)致P區(qū)要么導(dǎo)通的電流很小，可以忽略，要么就是P區(qū)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(qū)一樣的。等我再仔細區(qū)探討以后再來修改吧。）
所以只要發(fā)射結(jié)反偏或者說不導(dǎo)通，三極管就處于截止?fàn)顟B(tài)。
這個發(fā)射結(jié)反偏或者不導(dǎo)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(tài)

三極管工作在放大狀態(tài)在水管示意圖中倒是很好理解。
如下圖：

當(dāng)小閥門打開在一定范圍內(nèi)（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(shù)β）。這就是放大的原理了。
對應(yīng)的狀態(tài)為：發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏（Uc>=Ub）。我是這樣理解的。發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射極的多子自由電子涌入基區(qū)P區(qū)的空穴中，一部分通過P區(qū)向基極流去，還有一部分，因為集電結(jié)的反偏，集電極的N區(qū)帶正電吸引帶負(fù)電的自由電子，而直接通過基區(qū)的P區(qū)到達集電區(qū)的N區(qū)。從而形成了從集電極到發(fā)射極的電流。至于它是如何放大的，可以理解為，因為基區(qū)和發(fā)射區(qū)的電壓差增大，導(dǎo)致發(fā)射區(qū)的大量自由電子快速的移動到基區(qū)P區(qū)，而對于基極來說，它能接收或者說通過的自由電子數(shù)量是有限的增加的。主要增益還是體現(xiàn)在集電極N區(qū)對從擴散到基區(qū)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(qū)P區(qū)原來的少子了。由于發(fā)射極N區(qū)擴散來的自由電子數(shù)很多，導(dǎo)致了P區(qū)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(tài)

這個飽和狀態(tài)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(yīng)的狀態(tài)為：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏（并不是真正的導(dǎo)通，當(dāng)然導(dǎo)通時也是在飽和狀態(tài)，只是Uc<Ub）。

關(guān)于飽和狀態(tài)，其實我認(rèn)為是三級管三種狀態(tài)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(jié)正偏”了。其實，在飽和區(qū)，即便是集電結(jié)正偏，也還沒有達到集電結(jié)的正向?qū)妷骸２贿^，一般人都會被“正偏”誤導(dǎo)。
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(dāng)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(xiàn)象就叫做飽和。而“三極管如工作在飽和狀態(tài)，那么就是雙結(jié)正偏”是現(xiàn)象或因果關(guān)系，也不算解釋。飽和的實質(zhì)正是由于集電結(jié)正偏而使Ic脫離了與Ib的線性關(guān)系。
3、三極管的飽和狀態(tài)，是包括Ic趨于0的狀態(tài)的，這一點可以這樣理解。將各端的電壓比作是水源，當(dāng)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(qū)域，C的水源越小，那么Ic就越趨近于0。
4、通過給三極管發(fā)射結(jié)加上正向?qū)ㄆ珘?#xff0c;同時給集電結(jié)加上正偏，三極管一定是在飽和區(qū)（一定不在放大區(qū)，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?qū)?#xff0c;那么三極管上下就能導(dǎo)通。

擴展

按理來說，正偏（+）、反偏（-）對應(yīng)得應(yīng)該有4種狀態(tài)（不是嚴(yán)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(yīng)的三種狀態(tài)應(yīng)該與NPN管對應(yīng)的三種狀態(tài)相反。

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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