模拟电路二极管,三极管原理
二极管和三极管工作原理
二极管和三极管工作原理二极管和三极管是我们常见的电子器件，也是电子工程学习的基础。
它们的工作原理十分简单，但又具有一定的神奇之处。
本文将会详细介绍二极管和三极管的工作原理。
一、二极管的工作原理1.材料的类型二极管主要由P型半导体和N型半导体材料构成。
P型材料掺杂了具有正电荷的杂原子，N型材料则掺杂了具有负电荷的杂原子。
2.载流子的扩散二极管两端分别连接P型材料和N型材料，这时，电子就会从N型材料中向P型材料中扩散，同时，空穴也从P型材料中向N型材料中扩散。
由于P型材料中充分掺杂了杂原子，因此空穴非常多，电子相对较少；而N型材料中掺杂的是负电荷杂原子，因此电子非常多，空穴相对较少。
这样，空穴和电子的扩散速度是不同的，导致了两边的电荷不平衡，形成了正负两极。
3.正向和反向偏置当二极管的正极向P型材料连接，负极向N型材料连接时，这就是正向偏置。
在这种情况下，电子和空穴可以更加自由地流动，形成了一个低电阻通路，电流可以通过二极管。
而当二极管的正极与N型材料连接，负极与P型材料连接时，这就是反向偏置。
在这种情况下，P型材料的电子和N型材料的空穴被迫移向中间的P-N结，形成一个高电阻区域，电流无法通过二极管。
二、三极管的工作原理1.结构三极管由三个掺杂不同型号的半导体材料构成，分别是负偏控制区域，正偏控制区域和输出区域。
其中负偏控制区域和输出区域都是N 型材料，而正偏控制区域是P型材料。
2.正向和反向偏置在正向偏置状态下，正偏控制区域的P型材料中注入电子，因此电子流向N型材料的输电区域。
同时，P型材料中的空穴流向基极，经过集电极扩散到输出区域的N型材料中。
这样就形成了从输出区域N 型材料中的电子，向依次进入正偏控制区域P型材料中的基极，再到达负偏区域N型材料中的电流路径，从而放大电流的效果。
而在反向偏置状态下，所有区域中的电子都被迫向正偏控制区域的P型材料中移动，抵消空穴电荷。
这样就形成了一条阻止电流流过集电极的高阻抗路径，从而避免了电路被破坏。
模拟电子线路(模电)二极管和三极管
1.2 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
——成为硬件电路设计人才
学好模电、数电、单片机、DSP等。 初步具备 “看、算、选、干”能力
三、学什么？（What）
系 细化 电 细化 器 统 路 件 1、本课程研究内容： 各种半导体器件的性能、电路及应用 2、具体研究对象：
（1）按处理信号：1)模拟(A) 2)数字(D) （2）按信号频率：1)高频 2)中频 3)低频
耗尽层宽度一定
PN结
2. PN结的单向导电性
1.1 半导体的基本知识
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F
N型半导体 P型半导体 空间电荷区 耗尽层 N型半导体 P型半导体 + + + + － － － － + － + + + － － － 正向电流 － － － + － + + + － － － + － + + + + － － － + + + － － + － － + + + － 内电场 E
，所有的价电子都紧紧束 缚在共价键中，不会成为 自由电子，因此本征半导 体的导电能力很弱，接近
二极管和三级管工作原理
二极管和三级管工作原理二极管是一种具有两个极性的电子器件，它是由P型半导体和N型半导体组成。
二极管有一个重要的特性——它只能让电流从P型区域流向N型区域，而不能反过来。
因此，当一个二极管连接到电路中时，电流会像从正极到负极一样流过它，这就是二极管的主要作用。
当在N型区域施加正电压，并在P型区域施加负电压时，电子就会从N型区域移动到P 型区域，这一过程使得电流能够通过二极管，二极管处于导通状态。
反之，当在N型区域施加负电压，并在P型区域施加正电压时，电子就会被吸引到N型区域，这就使得电流在二极管处无法流通，二极管处于截止状态。
因此，二极管的操作是可以通过对其控制电压来实现。
二极管在电路中有很多用途，例如，用作整流电路和稳压电路。
它们也常用于防止反向电压过高以致于元器件损坏。
此外，二极管还可以用于制造发光二极管(LED)和光电二极管。
三极管与二极管不同的是，在它的材料中包含三个不同的区域，其中两个是P型半导体，以及一个N型半导体。
因此，三极管比二极管多了一个极，它的三个极分别是发射极、基极和集电极。
三极管可以看作是一个电流放大器，可以通过控制基极电压，使电流在集电极和发射极之间流通。
当在基极施加正电压时，三极管转为导通状态。
在这种状态下，电流可以从发射极流向集电极。
此时，三极管的放大系数非常大。
也就是说，非常小的输入电流就能够控制大量的输出电流。
另一方面，当在基极施加负电压时，三极管将会被截止。
这时，它的放大系数将变成零，电流无法从发射极流向集电极。
三极管的操作可以被描述成一个电阻与电流之间的关系。
正如上述所述，当三极管处于导通状态时，其操作就像一个低电阻一样，因此电流能够很容易地通过三极管。
另一方面，当三极管处于截止状态时，其操作就像一个高电阻一样，因此电流无法通过三极管。
三极管有许多被广泛应用的用途。
它们被用于放大电路和开关电路。
三极管也被用于制造一些特定的元器件，例如操作放大器和数字逻辑门。
此外，三极管经常用于调节电源电压和电流。
二极管和三极管原理ppt课件
37
① N沟道结型场效应管
基底:N型半导体
D（drain）
两边是P区
G（grid）
N PP
D G
D G
S
S
S（source）
精导品pp电t 沟道
38
② P沟道结型场效应管
D（drain）
G（grid）
P NN
S（source）
精品ppt
D G
D G
S
S
39
工作原理（以P沟道为例）
① 栅源电压UGS对导电沟道的影响
14
+
Si
Si
B
BSi
Si
Si
Si
空穴
掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空
穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空 穴型半导体或P型半导体
一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数
载流子的1010倍或更多精。品ppt
15
二、半导体二极管
精品ppt
16
PN 结的形成
精品ppt
26
由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即 PN结呈现的反向电阻很高。 （换句话说，在P型半导 体中基本上没有可以自由运动的电子，而在N型半导体 中基本上没有可供电子复合的空穴，因此，产生的反向 电流就非常小。）
值得注意的是：因为少数载流子是由于价电子获 得热能(热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度 愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流的 影响很大。
在金属导体中只有电子这种载流子，而半导体中存在空
穴和电子两种载流子，在外界电场的作用下能产生空穴流和
电子流，它们的极性相反且运动方向相反，所以，产生的电
二极管和三极管--原理
二极管图三极管工作原理三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。
分成NPN和PNP 两种。
我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。
一、电流放大下面的分析仅对于NPN型硅三极管。
如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。
这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。
三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。
我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。
二、偏置电路三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加适宜的偏置电路。
这有几个原因。
首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。
当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。
但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。
如果我们事先在三极管的基极上加上一个适宜的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。
二极管和三极管原理
二极管和三极管原理二极管原理：二极管是一种有两个电极（即阴极和阳极）的半导体器件。
它基于PN结的特性，PN结是由P型半导体和N型半导体直接相接而形成的结构。
在正向偏置电压下，P型半导体为正极，N型半导体为负极，形成正向电流。
而在反向偏置电压下，P型半导体为负极，N型半导体为正极，形成反向电流。
二极管的主要原理是PN结的单向导电性。
当二极管正向偏置时，P区与N区之间的电子就会向前移动，同时空穴则向后移动，形成正向电流。
而在反向偏置时，由于PN结上有一个势垒，阻碍了电子和空穴的移动，所以几乎没有电流通过。
因此，二极管可以用来控制电流的流向。
二极管的特性使其在电子设备中有广泛的应用。
例如，它可以用作整流器，将交流电转换为直流电。
当正弦波信号通过二极管时，只有正半周期能通过，负半周期将被阻止，从而将交流电转换为直流电。
此外，二极管还可用于稳压电路、振荡器等。
三极管原理：三极管是一种三个电极（即基极、发射极和集电极）的半导体器件。
它是由两个PN结（即P型和N型）组成的。
PNP型和NPN型是两种常见的三极管。
PNP型的集电极和基极为负极，发射极为正极；NPN型的集电极和基极为正极，发射极为负极。
三极管的原理是基于PNP或NPN结的放大作用。
当三极管的基极接受到一个小信号电流时，这个电流通过PN结的放大作用，导致大量的电子或空穴流向集电极。
这样，三极管就能够将小信号放大成大信号。
具体来说，当三极管处于截止状态时，集电极和发射极之间的电流非常小。
当三极管处于饱和状态时，集电极和发射极之间的电流非常大。
通过控制基极电流的大小，可以在截止和饱和之间控制三极管的工作状态，从而实现对信号的放大。
三极管具有放大、开关、振荡等功能，因此在电子电路中有广泛的应用。
例如，三极管可以用于构建放大器，将小信号放大到足够大的程度。
此外，它还可以用于逻辑门电路、时钟发生器等。
二极管和三极管的形成机理和工作原理
二极管和三极管的形成机理和工作原理二极管（Diode）是一种非线性电子元件。
它有两个电极，即正极（P 型）和负极（N型）。
结构上，P型材料有过剩的空穴而N型材料有过剩的自由电子。
这两种类型的材料在接触的区域形成一个PN结。
PN结在二极管中起到了关键作用。
形成机理：形成PN结的过程涉及半导体物理学中的杂质掺杂和结构设计。
杂质掺杂是将少量的杂质（掺杂剂）引入到半导体材料中。
在制造P型半导体时，将元素如硼（B）、镁（Mg）等加入到硅（Si）材料中。
在制造N型半导体时，将元素如磷（P）、砷（As）等加入到硅材料中。
杂质的加入会改变半导体材料的电子结构，形成P型和N型半导体。
当将P型和N型半导体材料连接在一起时，形成PN结。
在PN结区域，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子互相扩散。
当空穴和自由电子相遇时，它们会发生复合。
这会在PN结区域形成一个较窄的无载流子（少数载流子）区域，也被称为耗尽区。
在这个区域内，材料中的正电荷和负电荷会形成静电场。
这个静电场会阻止进一步的扩散，形成一个稳定的电势差。
工作原理：二极管的工作原理基于PN结的电流流动特性。
当二极管的正极（P型材料）与正电压连接，负极（N型材料）与负电压连接时，称为正向偏置。
在这种情况下，耗尽区变窄，正电荷和负电荷的静电场减弱。
这使得自由电子可以轻松地越过电位垒，流经二极管。
这种流动会产生一个正向电流，在电路中流经二极管。
当二极管的正极与负电压连接，负极与正电压连接时，称为反向偏置。
在这种情况下，耗尽区变宽，静电场增强。
这会扩大电位垒，使得自由电子无法越过它。
因此，在反向偏置下，几乎没有电流通过二极管。
只有在反向电压达到杂质掺杂引入时的峰值电压（称为击穿电压）时，电流才会流动。
此时，二极管处于击穿状态。
二极管在电子学中有许多应用。
最常见的应用是作为整流器，将交流电转换为直流电。
它也用于电压稳压器、振荡器、开关等。
二极管的关键特性是具有低导通电阻和高击穿电压。
模拟电子技术实验报告五 二极管及三极管电路
实验五二极管及三极管电路
一、实验目的
1、掌握二极管正向特性和反向特性的测试
2、掌握二极管的线性模型电路
3、掌握三极管的特性测试
二、实验设备与软件
安装好Multisim软件的PC机一台
三、实验原理
1、二极管的正向特性和反向特性
2、二极管的线性模型
3、三极管的输出特性
四、实验结果
1、二极管参数测试
1）二极管正向特性测试电路
2）二极管正向特性仿真测试数据
3）二极管反向特性测试电路
4）二极管发向特性仿真测试数据
2、二极管电路分析仿真
1）二极管实验电路
2）二极管双向限幅电路
3）二极管双向限幅电路的输出电压波形。
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ui ui
RL
uo uo
t
t
(1-33)
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR
RL uo
uR
t
t
uo
t
(1-34)
§1.3 特殊二极管
1.3.1 稳压二极管
+
动态电阻：
曲线越陡， 电压越稳 定。 UZ
I
rZ
U Z I Z
稳压 误差 UZ
IZ IZ
U
rz越小，稳 压性能越好。
IZmax
(1-35)
+ P
－ － －
_
N
外电场
内电场
R
E
(1-24)
二、PN 结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 +
_ P
－ － －
N
内电场 外电场
R
E
(1-25)
2.1.3 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
i ui
R DZ
iL
iZ
RL
uo
负载电阻 RL 10k。要求当输入电压由正常值发 生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax 。
U ZW i I zmax 25mA RL 1.2ui iR U zW 25R 10
(1-20)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
(1-21)
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。 3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
集电极 集电极
C P N P E
PNP型
B
基极
N P N
E
发射极
B
基极
发射极
(1-41)
集电区： 面积较大
C N P N E
集电极
B
基极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
发射极
(1-42)
C N P N
集电极
集电结
B
基极
发射结
E
发射极
(1-43)
1.4.2 电流放大原理
基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 进入P区的电子 RB 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBEEB ，多数 扩散到集电结。
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-17)
§1.2 PN结及半导体二极管
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
(1-18)
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
(1-13)
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
(1-11)
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
(1-12)
1.1.3 杂质半导体
P
(1-31)
-
N
+
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-32)
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
二极管的应用举例1：二极管半波整流
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
(1-5)
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。
硅和锗的晶 体结构：
(1-6)
(1-19)
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + 内电场E
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + &终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻
rZ
U Z I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗
PZM U Z I Z max
(1-36)
稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: U zW 10V, I zmax 20mA, I zmin 5mA
(1-14)
多余 电子
+4 +5
+4
磷原子
+4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
(1-29)
4. 微变电阻 rD
rD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与 电流的变化之比： ID
iD
Q
iD
u D rD iD
显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能
力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
它的导电能力明显改变。
(1-4)
1.1.2 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体
漂移运动 内电场E N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
(1-22)
2.1.2 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
(1-23)
一、PN 结正向偏置
变薄 － + + + + 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
——方程1
(1-37)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
U ZW i I zmin 10mA RL
i ui
R DZ
iL iZ
RL
uo
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2，可解得：
ui 18.75V, R 0.5k
(1-9)
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子