二极管和三极管的结构与基本性能

第一节 三极管的结构与基本性能
一、理想二极管的正向导通特性
二极管对电流具有单向导通的特性，硅材料二极管的正向导通电流与正向电压之间的关系曲线如图1.1.1所示。

图1.1.1 理想二极管的正向导通特性
(一)导通电压与导通通电流之间的对应关系
二极管在正向电压为0.4V 左右时微弱导通，0.7V 左右时明显导通。

导通电压与导通电流之间的变化关系是，导通电压每变化9mV ，导通电流会变化倍。

(二)二极管正向导通电压与导通电流之间的对应关系
)9(002
mV U U n n I I -⨯= (1.1.1) 或)18(002mV U U n n I I -⨯= (1.1.2) 或)(log 290
20I I mV U U n n ⨯+= (1.1.3) U 0为二极管正向导通时的某静态电压，U n 为二极管在U 0的基础上变化后的电压。

I 0为二极管加上正向导通电压U 0时的正向导通电流，I n 为二极管与U n 相对应的正向导通电流。

例如：某二极管的在导通电压U 0=0.700V 时，导通电流为I 0=1mA ，求导通电压分别变化到U n1=0.682V 、U n2=0.691V 、U n3=0.709V 、U n4=0.718V 时的导通电流I n1、I n2、I n3、I n4。

解：根据)9(002mV U U n n I I -⨯=
mA
mA I mV V V n 5.021)97.0682.0(1=⨯=-
mA mA I mV
V V n 707.021)97.0691.0(2=⨯=- mA mA I mV
V V n 414.121)97.0709.0(3=⨯=- mA mA I mV V V n 221)97.0718.0(
4=⨯=- 由此可见，只要知道二极管的某个导通电压和相对应的导通电流，就可以计算出二极管的正向导通曲线上任何一点的参数。

(三)二极管的正向导通时的动态电阻
1、动态电阻的概念
动态电阻r d 的概念指的是电压的变化量与对相应的电流变化量之比。

I
U r d ∆∆= (1.1.4)
二极管正向导通之后，既有导通电压的参数，又有相应的导通电流的参数，但正向导通电阻却不能简单地等于导通电压与导通电流之比。

例如：假设二极管的正向导通电压U 0=0.7V 、静态电流I 0=1mA ，如果认为二极管正向导通电阻就等于导通电压与导通电流之比的话，此时的电阻应当为U 0/I 0=0.7V/1mA=700Ω。

照此推论，当导通电压U n =1.4V 时，相应的导通电流应当是I n =2mA 。

而实际的结果是，当正向导通电压U n 达到0.718V 时(增加18mV)，电流I n 就已经增加到2mA 了。

由此可见，二极管正向导通后有两种电阻：
一是直流电阻，就是正向导通电压与相对应的正向导通电流之比。

二是动态电阻，就是二极管正向导通曲线中某一点的电压微变量与相应的电流微变量之比，即该点斜率的倒数，见图1.1.1中各Q 点的不同斜率。

2、二极管正向导通后的动态电阻的粗略计算
已知Q 0点U 0=0.7V 、I 0=1mA ，Q 4点U 4=0.718V 、I 4=2mA ，
则Q 0点的动态电阻：Ω≈--≈∆∆=46.25707.0414.1691.0709.000
0mA
mA V V I U r Q Q dQ Q 4点的动态电阻：Ω≈--≈∆∆=73.12414.1828.2709.0727.044
4mA
mA V V I U r Q Q dQ 3、二极管正向导通后的动态电阻的微分计算 由于二极管导通电压与电流变化是非线性关系，所以上述计算不够精确，若对)18(002mV U U n n I I -⨯=进行微分，可以求得n I 的导数：
根据动态电阻的定义，可知二极管动态电阻)(Ωd r 为'n I 的倒数，故有：
)18(0'
02182ln mV U U n
n mV I I -⨯⨯= (1.1.5) )18(0'02182ln 11)(mV U
U n d n mV I I r -⨯⨯==Ω
而)18(002mV U U n n I I -=，则0
)18(02I I n mV U U n =-，代入上式 )()(262ln 18182ln 1)(0
0mA I mV I mV I I mV I r n n n d ≈⨯=⨯⨯=Ω 得)
()(26)(mA I mV r d =Ω (1.1.6) 故：Q 0点的电阻Ω===Ω26126)(26)(00mA
mV mA I mV r Q dQ Q 4点的电阻Ω===
Ω13226)(26)(44mA mV mA I mV r Q dQ 4、二极管正向导通动态电阻的粗略计算法与微分计算法之比较
从两种计算法的数据区别可以看出，粗略计算法比微分计算法所得的二极管正向导通动态电阻值要略小一些，这是因为粗略计算法所取的电压和电流的变量较大，二极管正向导通动态电阻的非线性不能被忽略，从而导致计算数据不够精确。

粗略计算法有着广泛的通用性，适用于所有动态电阻的计算。

微分计算法的公式)
()(26)(mA I mV r d =Ω仅适用于普通二极管的正向导通特性，不适用于其它动态电阻的计算。

二极管正向导通后的动态电阻随导通电流的不同而不同，导通电流越大，电阻越低。

即二极管正向导通后的动态电阻与导通电流成反比。

(四)失真问题
从图1.1.1中的电压波形u 1、u 2与电流波形i 1、i 2之间的对应关系可以看出，如果二极管在某个正向导通电压的基础上以正弦规律发生波动，所引起电流波动的波形却出现了失真，这是由于二极管的正向导通电压与正向导通电流之间的非线性关系所致。

正向导通电压的波动幅度越大，这种非线性就越严重。

相反，正向导通电压的波动幅度越小，这种非线性也就越小，当正向导通电压的波动幅度小到一定程度，正向导通电流的这种非线性也就小得可以忽略不计。

(五) 本章节所述二极管导通特性的应用范围
不同类型的二极管在导通特性方面有着很大差异，本章节所述的二极管导通特性专门用于描述硅材料普通三极管的极间导通特性。

二、理想三极管的基本特性
(一)三极管的结构与符号标识
(a) (b)
图1.1.2 三极管的结构与符号标识
如果用仪表进行对三极管各极之间的导通方向进行测量，NPN 型三极管和PNP 型三极管各极之间的电流导通关系，分别等同如图1.1.2(a)和图1.1.2(b)中的二极管结构，但三极管的内部结构与普通二极管连接的相应结构却有着本质的不同。

(二)理想硅材料三极管各极之间电流的系数关系
图1.1.3 理想三极管各极之间电流的系数关系
1、三极管的基极与发射极之间导通特性
普通硅材料三极管的基极与发射极之间，具有如图1.1.1所示普通硅材料二极管的特性。

2、集电极电流与基极电流之间的关系
如图1.1.3所示，NPN 型三极管在加上一个基极电流I B 的情况下，若在集电极c 和发射极e 之间加上大于零的正向电压U CE (E 2)，就会产生一个集电极电流I C ，此时的集电极电流I C 就会是基极电流I B 的β倍：
B C I I ⨯=β (1.1.7)
β值是三极管所特有的电流放大倍数，每个三极管的β值都不一样，不同三极管β值的范围大约在50～400之间。

3、集电极电流与集电极电压之间的关系
三极管集电极电流的大小与集电极电压的大小无关，只要集电极电压大于零，即使集电极电压大小发生变化，也不会使集电极电流发生变化，体现出集电极电流受基极电流的β倍所控制的恒流源的性质。

4、发射极电流与集电极电流、基极电流之间的关系
发射极电流等于基极电流与集电极电流之和：
C B E I I I +=B B I I ⨯+=βB I ⨯+=)1(β (1.1.8)
5、集电极电流与发射极电流之间的关系
由于基极电流I B 只有集电极电流I C 的1/β，所以发射极电流I E 与集电极电流I C 很接近，通常情况下，我们视集电极电流等于发射极电流： E E C I I I ≈+⨯=1
ββ (1.1.9)
(三)三极管集电极与发射极之间的动态电阻
三极管的集电极与发射极之间的电阻，有直流电阻和动态电阻两个不同的概念。

1、三极管集电极的直流电阻
三极管的集电极与发射极之间的直流电阻，等于集电极与发射极之间的直流电压与集电极电流之比。

2、三极管的集电极与发射极之间的动态电阻
由于三极管的集电极电流是基极电流的β倍，与集电极电压的大小无关，也就是说，集电极电压的变化不能引起集电极电流的变化： C
CE ce I U r ∆∆= (1.1.10)
=∝∆=
0CE U 所以，三极管的集电极与发射极之间的动态电阻为无穷大。

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