半导体二极管的原理与特性
- 半导体材料
现代的半导体二极管主要依靠的就是最重要的半导体材料，如硅和锗等。而这一类的半导体材料所具有的特性就是介于导体与绝缘体之间，导电主要是依靠的硅原子的本征激发（以下暂时都以硅为例）。（本征激发是指硅原子周围的电子因为温度等环境因素的作用下，自发挣脱束缚形成自由电子与空穴的过程）在半导体中，不断发生本征激发，自由电子不断产生并且在移动一段距离之后与空穴复合，即自由电子和空穴的相对移动（空穴本身并不会动）所产生电流（不过在宏观上电流依然十分微小），其中电子为负电，而空穴可以被视为正电。
- 掺杂技术与PN结的形成
向半导体材料中掺入杂质，可以改变半导体材料的导电性质。在工业中一般掺5原子的磷和3原子的硼。而掺杂了磷的半导体材料因为游离的自由电子较多，称为N型半导体（Negative），其中含有带正电的P离子；而掺入硼的半导体材料因为空穴较多，称为P型半导体（Positive），含有较多的硼离子。而二者相结合，可以形成一个PN结（如图）
而两种半导体材料接触时，交界处会自发地进行电子与空穴的复合，而在形成过程中，就会形成一片没有自由电子，也没有空穴的“耗尽区“；这样的活动不会一直进行下去，因为耗尽区中P离子与B离子会形成内电场，阻止两边的多子进行复合。所以最终会形成如图的稳定结构。
- 半导体二极管
而半导体二极管，则是将这样的PN结所封装起来形成的。而众所周知，二极管的单向导通性也是取决于PN结的性质。当施加正向电压（上图中的左正右负）时，外部电压就会不断压缩中间的耗尽区，最终使得电子由右向左不断扩散，即导通。值得注意的是，上文所述的“使得耗尽区能够消失”的电压，就是二极管的正向最小导通电压。
而如果N接正极P接负极的话，容易看出N极的自由电子向右运动，P区的空穴向左运动，导致中间的耗尽层反而不断扩大，无法导通。因此二极管只能单向导通。
不过，若反向电压足够大，那么此时耗尽层扩大到整个PN结，此时整个PN结内部就形成了由右向左的电场，与外加电场方向相同，此时电子就会由左向右运动，即二极管被反向导通（击穿）。PN节的伏安特性如下图所示:
公式为I=IS(eV/nTV−1)
| I | 电流 | 流过PN结的总电流。当 I>0 时，表示正向电流；当 I<0 时，表示反向电流。 |
| IS | 反向饱和电流 | 当PN结加反向电压时，由少数载流子漂移形成的微小电流。其值非常小（分立器件通常在 10−8∼10−14 A），且对温度极其敏感（温度每升高10℃，约增大一倍）。 |
| e | 自然对数的底 | 数学常数，约等于 2.71828。它表明了电流与电压之间是指数关系，这也是二极管非线性特性的来源。 |
| V | 电压 | PN结两端的外加电压。正向偏置时 V>0 ，反向偏置时 V<0 。 |
| n | 发射系数/理想因子 | 一个与半导体工艺和电流大小有关的经验系数，通常在 1 到 2 之间。它反映了实际器件与理想模型的偏差。 |
| VT | 温度的电压当量 | 一个与温度相关的物理量，计算公式为 VT=kT/q 。在常温（300K，即约27℃）下，其值约为 26mV。它体现了热运动能量对载流子行为的影响。 |
| k | 玻尔兹曼常数 | 物理常数，约为 1.38×10−23J/K 。 |
| T | 热力学温度 | 绝对温度，单位为开尔文（K）。例如，室温 27℃ 约等于 300K。 |
| q | 电子电荷量 | 基本物理常数，约为 1.6×10−19C 。 |
ps：一般在理想情况下不考虑n）
NPN三极管的构成与特性（BJT晶体管）
(ps此处只涉及常见的NPN三极管，此外还有PNP三极管不做讨论)
- 构成
如名字一样，NPN三极管的内部本质就是NPN状排列的三块半导体材料。而三级管的主要作用为放大，用小的电流去控制大的电流的改变。其内部构造如图所示：
三极管包含三个区域，其中就有：
发射区，负责提供大量电子，形成电子流； 基区，负责控制； 集电区，将发射区的电子流收集输出。其示例电路如图
- 原理
三极管包含两个回路：
1. 第一个回路：基极回路（控制回路，左回路）
路径：
电源正极 → 基极电阻 Rb → 基极 B → 发射极 E → 电源负极
作用：
- 提供 Ib（基极电流）
- 控制三极管开多大、开多小
- 是小电流、小功率的控制端
2. 第二个回路：集电极 – 发射极回路（主回路，右回路）
路径：
电源正极 → 集电极电阻 Rc / 负载 → 集电极 C → 发射极 E → 电源负极
作用：
- 提供 Ic（集电极电流）
- 是真正流过负载、做功的大电流
- 是大电流、大功率的输出端
左回路的输入控制了基极和发射极之间的电子,即控制基极电流的大小。基极电流是来源于发射极发射的电子流与基极中的少量空穴的复合，形成微小的电流。而除此之外剩下的电子则全部进入集电区并且在外部电场下由集电极流出，形成集电极电流（大电流）。而三极管最终输出的电流就是集电极电流，即Ic。而基极与发射极回路中的基极电流即为Ib。二者符合：
Ic=βIb（β为三极管的放大系数）；Ie（发射极电流）=Ic+Ib；le即为由发射极流入的的电流。
- NPN三极管的应用
***放大作用（如上图），此处仅对电路中的设计做一些说明
左边的电压输入为偏置电压，因为输入信号可能有上升沿也有下降沿，而不加入偏置电压的话，在原先电流为零是下降沿信号无法进入三极管，会导致失真。因此需要偏置电压与电阻提供基础参考电流来防止失真。而右回路存在着负载R，依据欧姆定律，输出的集电极电流最大为U右/R，当Ib*β已经大于Imax了之后三极管就已经进入了饱和工作状态。
***开关作用（负载接于集电极的输出位置）
因为三极管本质上是两个PN结所构成的，因此其中也包含有PN结的特性。基极与发射极之间的PN结存在着最低导通电压，因此：断开状态：输入电压低于或远远低于导通电压，此时集电极无输出电流，相当于是断路。 开启状态：输入电压足够高，使得三极管能够工作在饱和区，此时集电区电流最大，U=IR，即负载上电压最大，相当于是开关导通，三极管短路。那么此时所需要的输入电压最少为Vmin=Ib饱和*Rb+V导通。大于该电压即为开关闭合。
这种开关的作用特点在于他是直接依靠电压所驱动的开关，并不需要将电信号再次进行处理从而控制
开关。