二极管、三极管

最新推荐文章于 2025-08-03 22:49:57 发布

憧憬一下

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前言

基础知识可以看个人笔记：个人笔记

一、二极管

1.PN结

PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构，P 型和 N 型是通过在硅等半导体材料中“掺杂”不同杂质形成的：

P型（正）半导体：掺入三价元素（如硼），缺电子 → 有“空穴”
N型（负）半导体：掺入五价元素（如磷），多电子 → 有自由电子

两者解除的时候，N区的自由电子会扩散到 P 区，填补空穴，P区的空穴也会向 N 区移动，形成扩散电流：

N区附近电子减少，变正
P区附近空穴减少，变负

于是就在两者交界处形成了一个没有载流子的区域，叫做：空间电荷区（耗尽区），在这个区域，由于电子和空穴互相抵消，形成一个“空”的区域，这个区域内部形成了一个**内部电场，**PN 结形成的内部电场会阻碍更多的载流子继续扩散。这个内部电场对应一个“势能障碍”

载流子就是指各自区域的载电粒子，对于N区主要载流子就是自由电子，对于P区就是空穴。
而耗尽区，会阻止电子从 N 区自由进入 P 区（没有足够外部能量，就过不去）

当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增大或减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容C。C具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。对于一个制作好的PN结，C与外加电压“的关系如图(b)所示。利用PN结加反向电压时C随u变化的特性，可制成各种变容二极管。

2.基本结构

二极管的结构就是一个PN节，导通后肯定会存在压降（硅管≈0.7V；锗管≈0.3V）

其结构就像一个漏斗结构，普通二极管只能单向导通

注意：二极管两端不能直接接大于二极管导通压降的电压，否则电流会很大，烧毁二极管

压降：

二极管压降是指二极管在正向导通状态下，电流通过时其两端产生的电压差值‌
其本质是电流克服PN结势垒和体电阻产生的能量损耗。具体表现为阳极与阴极之间的电压差
就是上面PN所讲过的要克服耗尽区让电子可以从N区跑到P区，实现电流的流动（电流本质是负电荷的流动）

参数	普通硅二极管（1N4148）	肖特基二极管（1N5819）
反向漏电流 @25°C	25 nA（几乎可忽略）	1~5 mA（大几十到几百倍）
导通压降	~0.7V	~0.3V
反向耐压	上百伏	通常 20~60V

3.特性

二极管具有单向导电性。但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于 PN 结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电时的反向电流增大。

这种单向导电性也不是说一定的，如果方向电压超过限定的，就会造成反向击穿，对二极管产生永久性破坏。反向击穿又分为两种

齐纳击穿：高参杂的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层形成很强的磁场，破会啊共价键，使电子脱离束缚，产生电子-空穴对，电流极具增大，因此齐纳击穿的电压是比较低的
雪崩击穿：低参杂下，当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使无论哪种击穿，若对其电流不加限电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。

在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降减小2~2.5 mV;温度每升高 10 ℃，反向电流约增大一倍

从上图也可以看出，一旦直接接上了超过二极管导通压降的雅典Uon后，继续增大，电流是会快速上升的，这可能会导致二极管烧坏，因此二极管两端不能直接接大于二极管导通压降的电压的

4.漏电特性

二极管反向截止并不代表完全关断，其实会有微弱的漏电流，其中肖特基二极管的漏电流会比较大

肖特基二极管（金属–半导体）：

不存在空穴与电子的复合，只有多数载流子（电子）运动；导通时几乎是电子直接“溜过金属” → 无需等待复合；因此压降会更小

金属和N型半导体构成的“肖特基势垒”能量高度通常 小于PN结的内建电势差；
也就是说，反向时要阻挡电子的能量墙较低，更容易“翻过去”。
而对于普通二极管，反向电压会让耗尽区拉宽，形成一个“电子空白区”，非常抑制反向电流

肖特基二极管本身漏电流大 = 换来的代价是“速度快、压降低”，但是它却牺牲了阻断性能，换取了更快开关速度。

5.半波整流功能

二极管的整流功能（峰值检波功能）

当刚开始导通的时候，由于二极管的压降作用，电容是会从输入信号到0.7V的时候才会开始充电的，在0-T1之间，什么时候停止充电？？？

会在导通电压和电容充电电压相差0.7V的时候停止：就假设当输入信号达到峰值后开始下跌，下跌到输入的导通电压只有1.6V，而电容此时充了1V，那么B点处的电压就为1V，此时二极管两端电压就只有1.6V-1V=0.6V，这并不满足二极管的的导通要求（压降为0.7V，必须大于0.7才导通）
而后续反向电流是无法通过回路，电容也会继续维持1V，在下一轮的正向输入电压大于1.7V的时候开始充电，后续同理
而当电容和输入的峰值电压相差了0.7V后，比如电压输入最高为3V，此时二极管充电电压为2.3V，后续就不会充电的，后续的交流就会被二极管+电容整流成直流

6.全波整流

为什么经过D1和电容后，回到整流桥，后续不是经过D2后而是流向D3，流向负极？？？

是因为电容，后级电路肯定是有压降的，B点的导通电压肯定是会大于A点的，A-B的电压差肯定是负的，不满足D2的导通压降电压，因此肯定是往D3走
而后续的负半周，同样也是如此，并且流向电容的方向和正半轴是一样的，因此将输入信号的负半周给“折成”正半周（这也是为什么将全波整流）

那既然加电容是为了压降，电阻不也是可以做到，选电容主要是为了一个滤波的作用：

整流出来的信号虽然方向一致（都是正的），但它仍然是一波一波的“脉动直流”，像这样：

输出（未加电容）：
   _     _     _    ->峰值会比输入的电压峰值少两个二极管的压降
  / \   / \   / \      
 /   \_/   \_/   \_ → 脉动
  正     负    正
起点在输入电压达到1.4V的时候才开始上升

通过加一个电容就能实现平稳的电压，利用电容的储能特性：当电压上升（输入有电）：电容充电，储能；当电压下降（输入下去）：电容放电，补能；这样就把电压“补平”，成为更平稳的 DC 输出

输出（加电容后）：
  ──────────────────── → 平滑输出(也不一定是平滑的，毕竟电容是慢慢放电的)

7.钳位功能

二极管的钳位功能：利用二极管导通后两端的电压基本保持不变（压降电压，普通二极管是0.7V）

利用二极管的导通电压特性，可以实现对信号线进行钳位

钳位电路一般由以下几个元件组成：

二极管（或齐纳管）
电容（有时）
限压参考（如 Vref、电源、电地）

钳位电路利用的是：二极管单向导通 + 压降固定 的特性，来“钳住”信号电压。

（1）输入保护钳位：

上图就将A点下方的电阻两端电压钳在了0.7V，这种是输入保护钳位，前提是：A下方的电阻分到的电压必须是大于0.7的，二极管才会导通，才会把该电阻钳位在了0.7V

（2）波形偏移

正钳位：当输入信号为负时，二极管导通，电容被快速充电；后续输入变正时，电容电压叠加上去，让波形整体上移。

负钳位：输入为正时，二极管导通，电容被充电；后续输入变负时，输出电压整体下移（被钳住）。

可以给钳位电路加一个偏置电压（在二极管处加一个偏置电压），这会进一步抬升输出波形。

以上图为例子，加上B点输入的电压因某些故障出问题了，输入的10V或者更高，这可能会把运放给弄坏，但是利用二极管的钳位功能，当A点的电压达到4V时，二极管导通钳住输入的电信号，后续A点的电压就无法上升，这就能保护运放的电路。

8.稳压二极管

稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性。因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。

普通的稳压二极管一般让它工作在5mA左右就行了

二、三极管

1.基本知识

要时刻牢记，其实电流的方向是指正电荷的移动方向，而实际上内部移动的是自由电子，也是负电荷的方向。（初中物理就已经叫过）

电压角度：

截至（断开）：Uce=Vcc
饱和导通：Uce小于等于0.3V
放大区：0.3V<Uce<Vcc

电流角度：

截至区（断开）：Ib = 0
饱和导通：Ib * β > Ic，不管Ib怎么增大，Ic基本不变，此时就相当于开关
放大区：Ib * β = Ic

2.开关电路设计注意事项:NPN

理想的开关只有“开”和“关”两种状态，但是三极管不是一个理想的开关，它有“似开不开、似关不关”的第三种状态（放大）

在Ube大于开启电压Uon（压降导通条件）时，当针对限流R4的阻值没选好的时候，会导致Ube的电压会小于Uce的电压，这就会进入一个放大区，此时Ic的电流完全取决于电流Ib的控制。

这个公式只在“三极管确实工作在线性放大区”时近似成立，但这只是说“最多能放大到这个数”，是否真的能放大这么多，还要看外部电路是否允许这么大电流流动（取决于C所处的负载+电源）！

三极管进入放大区的条件：

BE结正向偏置：Ube>0.6~0.7V
BC结反向偏置：Ubc<0，也就是Vc>Vb，等价于Uce>Ube，因为E接的是GND
因为Uce = Ucb + Ube，如果Ucb>0，那么Uce>Ube
假设R4选择了一个1kΩ的电阻，此时三极管导通，Ube是等于导通电压0.7V的，那么就可以算出该支路的电流为(5V-0.7V)/1000 = 4.3mA，假设该三极管的放大系数β为100，那么放大后的理想 Ic 电流就是430mA，是小于电机转动要求的500mA，并没有进入饱和的状态（对于该电路饱和的状态就是放大的Ic必须大于500mA），所以此时是处于放大区
- 但是，此时流过电机的电流也并不是真的为430mA，Ic的放大电流还要取决于所处电路的负载和电源，三极管如果没有进入“饱和区”，它的 Uce 会比较大，比如 2V、3V（而不是饱和时的 0.3V）。就
- 如果电机只给到了2V，它可能就只吸 100mA
而把R4改成500Ω，Ib * β最多可以给到860mA，这完全满足Ic所在电路让电机转动的500mA，就进入了饱和区，Ic也并不是说真的能有860mA，这同样也取决所处的负载和电源，根据这里实际能给到的Ic就500mA

主要还是记住上面

Icmax是指所处电路的最大负载工作电流（以上面电机为例子就是500mA），这取决于负载+电源

利用这个也可以去反算B所处电路的电阻的阻值怎么去确定，防止三极管不会进入到一个放大区状态，实现一个开关的功能：

根据C所处负载电路所需要的工作电流，去反推B电路的最小电流：Ib ＞ Icmax/β
而Ib = ( Vcc - Vbe(0.7V) ) / R4
这就可以得到：R4 ＜ ( Vcc - Vbe(0.7V) ) / Icmax

疑惑

是基于发射极接地的情况下的

三极管进入放大区的条件：

BE结正向偏置：Ube>0.6~0.7V
BC结反向偏置：Ubc<0，也就是Vc>Vb，等价于Uce>Ube，因为E接的是GND
因为Uce = Ucb + Ube，如果Ucb>0（也就是反向偏置了），那么Uce>Ube

电压角度判断是否进入放大：

截至（断开）：Uce=Vcc
饱和导通：Uce小于等于0.3V
放大区：0.3V<Uce<Vcc

这Uce怎么一下子大于0.7一下子0.3的，说好的放大条件Uce>Ube（0.7V），下面却又说放大区：0.3V<Uce<Vcc，不应该是：0.7V<Uce<Vcc：

其实一个是从理想上来讲的，一个上是从工程实践上来讲的。

这里的0.3V是指三极管进入饱和区时的Uce饱和压降，一般叫Uce(sat)，也就是集电极和发射极之间的压降极低（比如0.1~0.3V）时，三极管完全导通，不能再当作放大器用。

0.7V的值是基极-发射极电压Ube的典型导通电压。

0.3V < Uce < Vcc：意味着只要Uce大于饱和压降（0.3V左右），小于电源电压，三极管就是处于放大区。

Ube 是基极发射极的导通门槛电压（约0.7V），而 Uce 是集电极-发射极的电压，其放大区下限大约是饱和压降0.3V。放大区要求 Uce 大于0.3V，且理论上 Uce > Ube，但实际工作中只要不进入饱和区（Uce>0.3V），三极管就能放大。

重新看放大条件：

Ube > 0.6~0.7V 是为了保证基极-发射极结导通。
Ubc < 0（基极-集电极结反向偏置），也就是集电极电压高于基极电压。
Uce > Ube（约0.7V）只是理论放大区的条件之一，实际上只要 Uce > 0.3V，三极管都能维持在放大区（还没饱和）。
当 Uce 接近或低于 0.3V 时，三极管进入饱和区，不能正常放大。

理论与实际定义存在差别是因为：

理论偏置条件中，Uce>Ube（0.7V）是判定 BC结是否反向偏置的数学表达。
实际电路中，Uce在 0.3V 到 Vcc之间，都可能处于放大区，因环境、电路参数等导致偏置情况不完全理想，但放大作用依然存在。

所以两者不是矛盾，而是侧重点不同：理论偏置条件 vs 工程经验判断。

从结电压关系推导出的理论下限：
从电路实际应用和饱和电压来看得到的经验下限：
为什么会出现“0.7V”与“0.3V”两种下限？
因此

在这里插入图片描述

3.开关电路设计注意事项:PNP

当三极管用作开关时，通常N型三极管控制负载的gnd端，P型三极管控制负载的Vcc端

压降跑到了上半，R4的确定阻值计算：

Icmax假设还是500mA（电机），β假设为100
那么饱和状态：Ib * β ＞ Ic，可以得到 Ib > 5mA
R6 < （5v - 0.7V） /0.005 = 860Ω
工作条件：Vbe ≤ −0.7V（即：基极比发射极低 0.7V 才导通）
所以：基极电压必须低于 Vcc 才能导通

为什么不能用N型三极管接负载的Vcc？如下所示：

前面也说过，三极管要导通就必须VB-VE = 0.7V。

此时VBE是满足导通条件的（0.7V），那么VE会稳定在2.6V左右（3.3V-0.7V，假设R1电阻很小），而VC=5V > VB≈3.3V。完全满足放大条件。但功能上不是“线性放大器”，而是“缓冲器”（射极跟随器）：

电压增益 ≈ 1
电流增益很大（可以带动负载）
用来“隔离”信号源和负载
输出电压 ≈ 输入电压 - 0.7V

三极管此时会发热严重，因为此时三极管处于线性放大区，大量功耗由三极管本体承担（而不是负载），形成“热耗散瓶颈”。

此结构中，VCE=VC - VE = 5 - 2.6 = 2.4V，该电流Ic假设为200mA，功率就为0.48W，三极管一个小小的封装，长期承受近半瓦功耗，是很容易发烫甚至烧毁的

因为这个结构本质上变成了一个线性稳压器的形式——
电压差 VCE=VC−VE 被三极管本体“吃掉”了；
三极管在“用自己身体发热”来消耗掉这段电压；
负载得到的是一个降低后的电压，而三极管本体吃掉的是那段被“压下来的电压”× 电流。

而且如果假设：基极前的R1电阻取了一个刚好的值，让输出的 Ic 和 Vce 刚好相乘能取到一个最大的值时，发热会更严重。功耗最大的情况通常发生在三极管工作在放大区且输出电流 Ic 最大的时候。

这种接法主要还是因为让BE和C才生产生了关系，C会影响到E的输出电压，如果是接GND端的话，C的电压完全不用理会，主要还是关注电流Ic就好了，而BE则决定三极管的工作状态，不会受C的电压影响。毕竟是C的电流会流向E最后到GND，三极管并不会去影响负载电路的电压。

4.对比

特性	NPN	PNP
发射极/源极接	GND	Vcc
导通条件	基极高于发射极	基极低于发射极
使用位置	低边开关（负载接上方）	高边开关（负载接下方）
控制简单性	✅ 非常简单	⚠️ 较复杂（需负电或电平转换）
常用驱动	电机、LED、继电器下拉	电机高边、稳压、保护电路