2.2 二极管、三极管特性及应用

原理 → 符号 → 曲线 → 公式 → 典型电路

1 原理详解

1.1 PN 结的形成与二极管单向导电

在 P 型与 N 型半导体接触面，由于载流子浓度差异，空穴与电子相互扩散，形成空间电荷区（耗尽层）。该层内几乎没有自由载流子，呈现高阻特性（具体可见 2.1）。

图一：二极管电压电流曲线	图二：二极管简要介绍

• 正向偏置：外加电压削弱内建电场，耗尽层变窄，载流子大量复合→电流呈指数级上升。
• 反向偏置：电场增强，耗尽层加宽，仅有极小漂移电流；当反向电压超过击穿电压 V_BR，雪崩 / 齐纳击穿发生，电流骤增。

1.2 三极管（BJT）电流放大机理

图三：三极管示意图

NPN 结构由发射极 (E)- 基极 (B)- 集电极 (C) 组成，基区极薄且掺杂低。

图四：放大电路机理示意图

• 放大区：微小基极电流 I_B 控制大量集电极电流 I_C，比例由共射电流增益 β 决定（β≈50–300）。
• 饱和区：V_EC < V_EB，集电结正偏，β 下降，器件压降最小，作开关 “导通”。
• 截止区：V_EB < 0.6 V，基区无注入，I_C ≈ 0，开关 “关断”。

PNP 与 NPN 三极管的核心区别一览

对比维度	NPN	PNP
结构顺序	N→P→N	P→N→P
掺杂主载流子	电子	空穴
箭头方向（符号）	指向外（E→B）	指向内（B→E）
电源极性	正电源接集电极	负电源接集电极
偏置电压	VBE ≈ +0.6 V	VEB ≈ +0.6 V
电流方向	IB 流入基极，IC 流入集电极	IB 流出基极，IC 流出集电极
开关逻辑	高电平导通	低电平导通
典型电路	共射放大、低边开关	共射放大、高边开关

一句话总结：

NPN 用 “正” 电平驱动，电流自上而下；PNP 用 “负” 电平驱动，电流自下而上。

2 二极管特性与电路

特性	文字 & 曲线示意	公式 / 参数	典型电路	应用示例
单向导电	正向指数上升，反向饱和微安级	ID ≈ IS(eVD/nVT – 1)	半波 / 桥式整流	1N4007 220 V → 310 V DC
稳压击穿	反向击穿区陡峭，动态电阻小	VZ = 5.1 V (1N4733)	并联稳压	5 V 参考源
肖特基低压降	金属 - 半导体结，Vf≈0.3 V，开关 ns 级	trr < 10 ns	续流二极管	SS14 开关电源
发光二极管	电子 - 空穴复合发光，光谱窄	Vf ≈ 1.8-3.3 V @ 20 mA	限流电阻	LED 指示灯

3 三极管（BJT）工作区与电路

区域	条件与转移特性曲线	公式 / 关键参数	典型电路	电路示意图	应用示例
放大区	0 < IB < IC/β，曲线平直，VCE > 0.2 V	IC = β·IB；ro = VA/IC	共射放大		音频前置放大
饱和区	IB ≥ IC/βsat，曲线压平，VCE ≈ 0.2 V	VCE(sat) ≈ 0.1-0.3 V	低边开关		继电器驱动
截止区	VBE < 0.6 V，曲线贴横轴	IC ≈ ICEO (μA 级)	高阻关断		MCU 电平转换

4 选型速算

• 二极管：
  V_RRM ≥ 1.5 × 工作电压，I_F ≥ 1.5 × 负载电流，t_rr 按开关频率选。

• 三极管：
  V_CEO ≥ V_supply + 余量，I_C(max) ≥ I_load × 1.5，β ≥ 需求值 × 2，P_tot ≥ I_C² × R_CE(sat)。

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