从 PN 结到放大电路：二极管与三极管的核心技术详解
更新时间：2026-02-06 08:46:46
晨欣小编
一、PN 结的物理基础：半导体器件的起点
1. 本征半导体与掺杂
硅（Si）与锗（Ge）等本征半导体在纯净状态下载流子浓度低、导电性弱。通过 掺杂（Doping） 引入杂质原子：
N 型半导体：掺入五价元素（如磷 P、砷 As），提供多余电子；
P 型半导体：掺入三价元素（如硼 B），形成空穴作为主要载流子。
掺杂的本质是改变载流子浓度分布，而非改变晶体结构，这是 PN 结得以形成的前提。
2. PN 结的形成与耗尽层
当 P 型与 N 型半导体直接接触时，载流子会发生 扩散运动：
电子由 N 区向 P 区扩散；
空穴由 P 区向 N 区扩散。
扩散导致结区附近留下固定的离化杂质离子，形成 空间电荷区（耗尽层），并建立起内建电场。该内建电场会阻碍进一步扩散，最终达到动态平衡。
3. 内建电势与能带变化
PN 结内部存在 内建电势（Built-in Potential），其大小与材料、掺杂浓度有关。从能带角度看：
费米能级趋于一致；
导带与价带在结区发生弯曲。
这为后续的单向导电特性提供了能量基础。
二、二极管：PN 结的工程化应用
1. 正向与反向偏置
正向偏置：外加电压削弱内建电场，耗尽层变窄，电流迅速增大；
反向偏置：外加电压增强内建电场，耗尽层变宽，仅有微小反向漏电流。
这正是二极管“单向导电”的根本原因。
2. 伏安特性与关键参数
二极管的伏安特性呈现明显非线性，工程中需重点关注：
导通压降（Vf）：硅管约 0.6~0.8 V，锗管约 0.2~0.3 V；
反向击穿电压（Vbr）：超过后可能进入齐纳或雪崩击穿；
反向恢复时间（trr）：影响高频与开关应用性能。
3. 二极管的典型类型
整流二极管：用于 AC/DC 转换，强调耐压与电流能力；
快恢复 / 超快恢复二极管：适合开关电源；
肖特基二极管：金属-半导体结，压降低、速度快；
稳压二极管（齐纳管）：工作在反向击穿区，实现电压基准。
4. 应用实例
电源整流与续流保护；
信号限幅与检波；
ESD 与浪涌防护中的辅助钳位。
三、从 PN 结到三极管：结构的跃迁
1. 三极管的基本结构
双极型晶体管（BJT） 由三个区域构成：
发射极（Emitter）：重掺杂，提供载流子；
基极（Base）：轻掺杂且很薄；
集电极（Collector）：面积较大，用于收集载流子。
按极性不同分为 NPN 与 PNP 两类。
2. 两个 PN 结的协同工作
三极管本质上包含两个 PN 结：
发射结（BE 结）：正向偏置；
集电结（BC 结）：反向偏置。
这种“一个正偏、一个反偏”的组合，使得发射极注入的载流子大部分穿越基区，被集电极收集，从而实现电流控制。
四、三极管的放大机理
1. 电流放大的本质
在 NPN 管中：
基极只需很小的电流（Ib），即可控制较大的集电极电流（Ic）；
二者近似满足 Ic = β · Ib。
这里的 β（hFE） 是直流电流放大倍数，但并非常数，受温度、电流区间与器件工艺影响。
2. 工作区划分
截止区：BE 结未导通，Ic≈0；
放大区（有源区）：BE 正偏、BC 反偏，用于线性放大；
饱和区：两个结均正偏，常用于开关导通状态。
工程设计中，必须确保三极管在目标应用中工作于合适区域。
3. 小信号模型与频率特性
在交流分析中，三极管可等效为小信号模型（如 π 型模型）：
跨导 gm 决定电压-电流转换能力；
结电容 限制高频响应；
特征频率 fT 表征放大能力随频率衰减的上限。
五、典型放大电路解析
1. 共射极放大电路
电压放大倍数高；
相位反转 180°；
应用最广，如音频与前级放大。
2. 共集极（射极跟随器）
电压增益≈1；
输入阻抗高、输出阻抗低；
常用于缓冲与阻抗匹配。
3. 共基极放大电路
适合高频应用；
输入阻抗低；
在射频与高速电路中更常见。
六、工程选型与设计要点
明确应用目标：放大、开关还是保护？
关注关键参数：耐压、功耗、β 分布、fT；
热稳定性设计：偏置电阻与负反馈抑制热失控；
与 MOSFET 的取舍：
BJT：线性好、成本低；
MOSFET：输入阻抗高、驱动功耗低。
结语
从 PN 结的物理起源，到二极管的单向导电，再到三极管实现电流控制与信号放大，这一技术链条构成了经典电子学的核心逻辑。即使在 MOSFET 与集成电路高度普及的今天，理解二极管与三极管的工作机理，依然是工程师进行电路分析、故障定位与可靠性设计不可或缺的基础能力。
掌握 PN 结，就是读懂了半导体世界的“第一性原理”。
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