文章目录

关于二极管与三极管的理解
- 1、PN结
- - 先来认识几个关键概念。
  - PN结
  - - 不通电的时候的PN结
    - 正向导通：P区接正电，N区接负电
    - 反向截止：P区接负电，N区接正电
- 2、二极管
- - 稳压管
- 3、三极管
- - 截止状态
  - 放大状态
  - 饱和状态
- 扩展

关于二极管与三极管的理解

1、PN结

在认识理解二极管三极管之前呢，我觉得很有必要先来认识一下它们的基础——PN结。

先来认识几个关键概念。

1、本征半导体：纯净的晶体结构的硅晶体或者锗晶体。

2、共价键：①在模拟电路基础中，共价键被解释为：晶体中原子排列成整齐的点阵，相邻原子最外层电子成为公用电子，称之为共价键。这个概念说实话，感觉真的很难理解。好在我们高中都学习过化学，我认为化学中的解释更有助于理解共价键。 ②共价键在化学中的解释：两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态（电子饱和状态：对于拥有两个及两个以上电子层的原子来说，指的是原子最外层拥有8个电子），由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键。本质是在原子之间形成共用电子对，或者说共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。（扩展：与离子键不同的是进入共价键的原子向外不显示电荷，因为它们并没有获得或损失电子。共价键的强度比氢键要强，与离子键差不太多或有些时候甚至比离子键强）简单来说就是，原子最外层拥有8个电子既是一种特别稳定的状态，不容易遭到破坏。

3、自由电子和空穴：在获得足够的能量的情况下，原子最外层电子获得能量，挣脱了共价键的束缚，变成了自由电子。在共价键中，由于缺少电子，所以就形成了空穴。具体怎么理解我们在具体的图中指出。

4、载流子：运载电荷的粒子。空穴和自由电子都属于载流子。

还有两个非常重要的概念。
5、扩散运动：物质（载流子）总是由浓度高的向浓度低的方向运动。（这个最早接触应该是在高中的生物和化学中，具体为什么会这样我也不知道）漂移运动：载流子在电场力的作用下进行的运动。

6、P型半导体：在本征半导体（硅晶体）里面参杂少量的 3价元素（如：B硼），以替代原有位置的4价元素。所形成的半导体就称之为P型半导体。

由图可见，在P型半导体中，空穴为其多数载流子（简称多子）；自由电子为其少数载流子（简称少子）。

7、N型半导体：在本征半导体（硅晶体）里面参杂少量的 5价元素（如：P磷），以替代原有位置的4价元素。所形成的半导体就称之为N型半导体。

由图可见，在N型半导体中，自由电子为其多子；空穴为其少子。

PN结

在模拟电路基础中，对PN结的解释为：采用不同的参杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体上，在他们的交接处就形成了PN结。

不通电的时候的PN结

在PN结中，P型半导体P区存在大量的空穴，而N型半导体N区存在大量的自由电子；由于扩散运动，P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散。最后两两结合形成较为稳定的共价键。由于P区+3价的杂质原子失去空穴（+）获得了电子（-），所以P区带负电（-）；而N区+5价的杂质原子失去电子（-）获得空穴（+），所以N区带正电（+）。
这样的话，P区带负电，N区带正电，它们之间就会形成一个由N区指向P区的内电场。
在内电场的作用下，产生载流子的漂移运动——P区带负电：吸引带正电的空穴，排斥带负电的自由电子；而N区带正电吸引带负电的自由电子，排斥带正电的空穴。这与扩散运动相反。
当载流子的扩散运动速度等于漂移运动速度的时候，二者就到达一个动态平衡。

正向导通：P区接正电，N区接负电

在PN结外加正向导通电压，相当于在PN结的外围加了一个与内电场相反的外电场。在这个外电场的作用下，扩散运动（扩散运动电流方向为P指向N；电流方向：与自由电子定向移动方向相反）将加剧；原来的漂移运动由于外电场的干涉使得内电场减弱而（漂移运动电流方向为N指向P）被削弱。扩散运动加剧造成P区的多子空穴向N区运动加剧，N区的多子自由电子向P区运动加剧；而原来的漂移运动的削弱意味着少子的运动减弱。那就可以理解为P指向N的电流增强，而由N指向P的电流减弱，做一个简单的加减法，得出在正向导通时，电流由P指向N。

上面差不多是书上对PN结正向导通的解释，仔细阅读还是可以理解的。我个人而言是这样理解的：由于外加电场的加入它抵消了原来的内电场（可以这样理解，但实际上内电场会一直存在只不过减弱了而已），导致整体的漂移运动加剧了，只不过整体的漂移运动方向和扩散运动的方向一致（所以书上就只说了扩散运动加剧），这样多子的运动加剧，就形成了一个大的定向电流。

疑问：对于正向导通，大家很难理解的一点是（其实是我很难理解的一点，我认为最关键的地方还是对电源的理解）：P区的多子空穴扩散到N区，N区的多子自由电子扩撒到P区；对于一个二极管来说，P区的多子空穴和N区的多子自由电子数量应该是有限的，随着扩散运动的进行，是不是P区的多子空穴和N区的多子自由电子就大大减少了？如果它们都没有了，那怎么会有较大的定向电流形成呢？？？

答：正如我问题里所描述的，最关键的是对电源的理解。在我们刚接触电力学的时候，就提到过，电流是自由电子的定向流动所形成的，同样这里也是一样的；唯一的区别在这里加入了空穴的概念，按照我的理解，空穴在原来的电力学当中也是存在的，只不过当时并没有提出来，因为自由电子不在它原来所在的位置（轨道）时，它空下来的位置就是空穴。当PN结形成了P指向N的电流时，按照原来的理解自由电子就从N流向P，再由P流向电源的正极。我们一步一步的来，当P的1个空穴获得1个自由电子形成共价键时，P区相当于就少了1个空穴而N区也失去了1个自由电子；这样下去难免P区将失去所有的空穴，N区将失去所有的自由电子。但是（重点来了），朋友们，这是回路啊！当自由电子到达P区与空穴结合形成共价键的同时，电源的正极也需要自由电子来形成电流回路啊。电源的正极连接着P区，所以P区在获得自由电子的同时也在失去自由电子，所以P区的空穴在电源的作用在是不会减少了，是消耗不完的。而电源正极获得自由电子去了哪里？那自然是电源的负极，负极直接提供给N区它在正极（也就是P区）获得自由电子。因此N区的自由电子在向P区扩散的同时也在电源的负极获得，自然也是不会减少的。

反向截止：P区接负电，N区接正电

同样的道理，由于电源的作用，PN结相当于在外围添加了一个与内电场相同方向的外电场，导致N区带正电，N区吸引了N区的多子自由电子和P区的少子自由电子；P区带负电，P区吸引了P区的多子空穴和N区的少子空穴；中间的空间电荷区（耗尽层）就增大了。多子的扩散运动自然由于外电场力的作用减弱了，而少子的漂移运动却因为外电场的作用力而加剧了。所以电流的大小主要还是源自于少子的漂移运动。但是既然是少子，其数量自然是较少的，所以这个电流就非常非常的小，小到可以忽略不记。所以PN结就可以认为是截至的。

相较于正向导通而言，反向截止确实更容易理解一些。

2、二极管

前面介绍了关于很多PN结的知识，二极管这里我们就不再深究，归根结底二极管也就是PN结的一个最简单的应用。
附上二极管的伏案特性曲线：

稳压管

在二极管中值得一提就是稳压管。
要理解稳压二极管的工作原理，只要了解二极管的反向特性就行了。所有的晶体二极管,其基本特性是单向导通。就是说，正向加压导通，反向加压不通。这里有个条件就是反向加压不超过管子的反向耐压值。那么超过耐压值后是什么结果呢？一个简单的答案就是管子烧毁。但这不是全部答案。试验发现，只要限制反向电流值（例如，在管子与电源之间串联一个电阻），管子虽然被击穿却不会烧毁。而且还发现，管子反向击穿后，电流从大往小变，电压只有很微小的下降，一直降到某个电流值后电压才随电流的下降急剧下降。正是利用了这个特性人们才造出了稳压二极管。使用稳压二极管的关键是设计好它的电流值。
附上稳压管的伏安特性曲线和等效电路：

3、三极管

接下来就是本章的重点了。
关于何为PNP和何为NPN管我这里就不一一介绍了。我们以NPN为例，主要介绍一下对三极管三种工作状态（截止、放大、饱和）的理解。

我记得我最开始学习模拟电路基础的时候，几乎全是死在了对三极管的理解上面。这次为了工作和写这个博客，我又返回来查阅了很多很多的资料，得到了我认为最好的解释。希望可以帮助朋友们更好的理解。

以NPN为例。在三极管中，我们首先要明白几个点，1、发射极电流 Ie = 集电极电流 Ic + 基极电流 Ib；2、在放大的时候，集电极电流 Ic = 放大倍数β x 基极电流 Ib。三极管最厉害的地方也是再此，通过小电流Ib控制大电流Ic。

查阅众多资料的结果是什么呢？那就是将三极管想像为一个拥有一大一小两个阀门的水管。如下图所示：

截止状态

三极管工作在截止状态，就呈现出如下所示的图像：

由于基极没有电流Ib，也就意味着小阀门没有没有打开，小阀门没有打开就导致控制集电极电流Ic的大阀门也没有打开。这就导致发射极Ie没有电流流过，三极管处于截止状态。
对应状态：发射结反偏(Ube<Uod)，集电结反偏（Uc>Ub）
这是通俗的最简单的理解方法。
要想从PN结入手理解三极管，那么你就得很熟悉PN结的构造以及工作原理了。当发射结处于反向偏置的时候，自然Ib和Ic是没有电流流过的。有人在想，如果当发射结反偏，集电结正篇呢？我们来看看，如果发射结反偏，那么Ub<=Ue，而集电结正偏，Ub>Uc，电流由Ib流向Ic。既然基极Ib有电流流过，那为什么发射结又是反偏的呢？？所以这种情况是不可能发生的。（个人理解：强行这样做会导致基极不会有电流流过。电流最终会直接通过集电区（但自由电子只会被来自发射极的高电平吸引而不会在经过基极），再通过基区，最后通过发射区。由于基区（P区）的杂质很少，且P区很薄，导致P区要么导通的电流很小，可以忽略，要么就是P区承受不起大电流而直接烧毁。想到后面放大和饱和，又感觉这里不太对。。。主要是感觉这里和放大饱和区一样的。等我再仔细区探讨以后再来修改吧。）
所以只要发射结反偏或者说不导通，三极管就处于截止状态。
这个发射结反偏或者不导通可以理解为Ube<0.7（硅管），在水管中可以理解为，Ib(B端或者说小阀门)没有水流或者说水流太小不足以打开小阀门，下阀门没打开，打阀门自然也不会打开。

放大状态

三极管工作在放大状态在水管示意图中倒是很好理解。
如下图：

当小阀门打开在一定范围内（这个范围是：水流B刚好打开小阀门（也等同于大阀门刚打开）到大阀门完全打开）时，它的量总是与大阀门成一定的正比例（放大倍数β）。这就是放大的原理了。
对应的状态为：发射结正偏，发射结反偏（Uc>=Ub）。我是这样理解的。发射结正偏发射极的多子自由电子涌入基区P区的空穴中，一部分通过P区向基极流去，还有一部分，因为集电结的反偏，集电极的N区带正电吸引带负电的自由电子，而直接通过基区的P区到达集电区的N区。从而形成了从集电极到发射极的电流。至于它是如何放大的，可以理解为，因为基区和发射区的电压差增大，导致发射区的大量自由电子快速的移动到基区P区，而对于基极来说，它能接收或者说通过的自由电子数量是有限的增加的。主要增益还是体现在集电极N区对从扩散到基区的自由电子的吸附作用（也就是漂移运动，但这里，做漂移运动的自由电子不再是基区P区原来的少子了。由于发射极N区扩散来的自由电子数很多，导致了P区的自由电子不再是原来的少子，可以形成一个比较大的电流）

饱和状态

这个饱和状态在这个水管模型中也是很好理解的，就是大阀门完全被打开了。即使小阀门再怎么开大一点，也不会对从C流下来的水流有什么影响。
对应的状态为：发射结正偏，集电结正偏（并不是真正的导通，当然导通时也是在饱和状态，只是Uc<Ub）。

关于饱和状态，其实我认为是三级管三种状态中最难理解的一种。
有如下几个点需要注意：
1、过于在意“集电结正偏”了。其实，在饱和区，即便是集电结正偏，也还没有达到集电结的正向导通电压。不过，一般人都会被“正偏”误导。
2、饱和的含义：集电极电流是随着基极电流的增大而增大的，当集电极电流增大到一定程度时，再增加基极电流，集电极电流不再随着增加了，这种现象就叫做饱和。而“三极管如工作在饱和状态，那么就是双结正偏”是现象或因果关系，也不算解释。饱和的实质正是由于集电结正偏而使Ic脱离了与Ib的线性关系。
3、三极管的饱和状态，是包括Ic趋于0的状态的，这一点可以这样理解。将各端的电压比作是水源，当C端的源头根本就没有水源或者水源很少时，那么Ic很快就会进入不受Ib的控制区域，C的水源越小，那么Ic就越趋近于0。
4、通过给三极管发射结加上正向导通偏压，同时给集电结加上正偏，三极管一定是在饱和区（一定不在放大区，包含Ic为零的情形）。

简单的技巧：三极管上箭头所在方向的二极管，只要二极管正向导通，那么三极管上下就能导通。

扩展

按理来说，正偏（+）、反偏（-）对应得应该有4种状态（不是严格意思上的正偏反偏）。这里却只有三种（- -）、（+ -）、（+ +）。那么另一种（- +）呢？虽然我没有去验证过，但事实却很明显，PNP管对应的三种状态应该与NPN管对应的三种状态相反。