二极管/三极管基本原理

1、二极管

在一块本征半导体中的两边掺以不同的杂质，使其分别形成P型半导体和N型半导体，两区交界处形成PN结（耗尽层，又称势垒区）。

1、图中多数载流子（多子）使用小圆圈表示，少数载流子（少子）使用大圆圈表示，即左侧P区多子为空穴——带正电，右侧N区多子为电子——带负电。
2、由于PN结多子的扩散运动，P区与N区原本的电中性被被破坏，两区交界处形成耗尽层，耗尽层中的内建电场使少子产生漂移运动，同时阻止多子扩散，最终达到动态平衡，PN结中无电流通过。
3、内建电场产生的势垒电压UφU_{\varphi}Uφ由制作材料决定，硅材料为[0.6,0.8][0.6,0.8][0.6,0.8]，锗材料为[0.2,0.3][0.2,0.3][0.2,0.3]。

单向导电性

1、加正向电压（P→NP\rightarrow NP→N）:势垒区变窄，多子扩散电流随外加电压增加迅速上升，少子漂移电流对总电流影响可以忽略不计，PN结呈现导通状态（正向运用时存在门限电压，外加电压超过这一数值电流才明显增长）。
2、加反向电压（N→PN\rightarrow PN→P）:势垒区变宽，扩散电流趋于零，此时通过PN结的电流为漂移电流，即反向饱和电流（与温度相关，温度每升高10摄氏度，反向饱和电流增大一倍），PN结呈现截止状态。

击穿特性
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电容效应

1、势垒电容（在正向/反向运用时均存在）:
CT=CT0/(Uφ−U)γC_T=C_{T0}/(U_{\varphi}-U)^{\gamma}CT=CT0/(Uφ−U)γ

CT0C_{T0}CT0为外加电压为零时的势垒电容；UφU_{\varphi}Uφ为PN结势垒电压，UUU为PN结上的外加电压；γ\gammaγ为结变系数，取值范围为[13,12][\frac{1}{3},\frac{1}{2}][31,21]。

反向运用时有：∣U∣↑⟶CT↓|U| \uparrow \quad\longrightarrow\quad C_T\downarrow∣U∣↑⟶CT↓
可以依此特性制成变容二极管。

2、扩散电容（正向运用时存在，且起主要作用）：
CD=(τp+τn)UTIC_D=\frac{(\tau_p+\tau_n)}{U_T}ICD=UT(τp+τn)I

III为PN结正向电流，τp\tau_pτp和τn\tau_nτn分别为空穴和电子的寿命，UTU_TUT为热电压（T=300KT=300KT=300K时约为26mV26mV26mV）：
UT=kT/qU_T=kT/qUT=kT/q
kkk为波尔茨曼常数，TTT为热力学温度，qqq为电子电荷量。

2、三极管

三极管由两个通过基区耦合的PN结组成，与二极管相比具有完全不同的特性。

1、上图展示了工作在放大状态下的NPN型三极管载流子的传输过程（N区多子为电子，P区多子为空穴），其中IEnI_{En}IEn为发射结电子注入电流，IEpI_{Ep}IEp为发射结空穴注入电流，ICnI_{Cn}ICn为集电结电子注入电流，IBnI_{Bn}IBn为基区复合电流，ICBOI_{CBO}ICBO为反向饱和电流。
2、由于发射结正偏，利于两端多子的扩散运动，形成IEnI_{En}IEn与IEpI_{Ep}IEp，且由于发射区重掺杂、基区轻掺杂，故IEn≫IEpI_{En} \gg I_{Ep}IEn≫IEp；注入基区的电子边扩散边复合基区空穴，并从基极吸引空穴来补充，形成IBnI_{Bn}IBn；由于集电结反偏，扩散到集电结附近的电子由于强电场力的作用越过集电结，形成ICnI_{Cn}ICn；集电结的反偏形成了反向饱和电流ICBOI_{CBO}ICBO，该电流与发射结无关，对三极管放大作用有害。
3、共发射极直流电流放大系数β\betaβ：
β=ICnIBn≈ICIB(当ICBO很小)\beta=\frac{I_{Cn}}{I_{Bn}}\approx \frac{I_{C}}{I_{B}}(当I_{CBO}很小)β=IBnICn≈IBIC(当ICBO很小)

其中IB=IBn−ICBOI_{B}=I_{Bn}-I_{CBO}IB=IBn−ICBO，IC=ICn+ICBOI_{C}=I_{Cn}+I_{CBO}IC=ICn+ICBO。

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