二极管、三极管、MOS管的原理、作用、应用电路，以及如何选型

二极管、三极管、MOS管的原理、作用、应用电路，以及如何选型

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_63469121/article/details/146196274

一、二极管（Diode）

1. 原理

二极管的核心是PN结，由P型（空穴多）和N型（电子多）半导体结合而成。其主要特性是单向导电性：

• 正向偏置（P接正，N接负）：外加电压削弱内建电场，耗尽层变窄。当正向电压超过阈值（硅管约0.7V，锗管约0.3V）时，多数载流子（P区空穴、N区电子）大量扩散，形成导通电流。电流方向是从P区（阳极）流向N区（阴极）。

• 反向偏置（P接负，N接正）：耗尽层变宽，电流截止（仅有微小漏电流）。

2. 作用

二极管在电路中具有多种用途：

• 整流：将交流电转换为直流电（如电源适配器）。
• 检波：从高频信号中提取调制信号（如收音机）。
• 稳压：齐纳二极管反向击穿时保持电压稳定。
• 保护：防止反向电压损坏电路（如电机反接保护）。

3. 应用电路

整流电路（半波/全波）

• 半波整流电路：单二极管串联在交流电源与负载之间。正半周：二极管正偏导通，电流通过负载。负半周：二极管反偏截止，无电流输出。

• 全波整流电路：使用中心抽头变压器和两个二极管，或桥式结构（无需中心抽头）。正半周：D1导通，电流流经上半绕组和负载。负半周：D2导通，电流流经下半绕组和负载。

稳压电路

齐纳二极管与电阻串联，稳定输出电压（如5V稳压）。

LED驱动

串联电阻限流，保护LED。

4. 选型要点

• 最大正向电流（IF）：根据负载电流选择（如1N4007为1A）。
• 反向击穿电压（VR）：需高于电路最大反向电压（如1N4007为1000V）。
• 开关速度：高频应用选快恢复二极管（如FR107）或肖特基二极管（如1N5819）。
• 特殊类型：
• 肖特基二极管：低正向压降（0.3V），用于高频开关。
• 齐纳二极管：稳压（如5.1V用于5V基准）。
• TVS二极管：瞬态电压抑制，防静电/浪涌。

二、三极管（BJT，双极型晶体管）

1. 原理

三极管由三个掺杂区（NPN或PNP）组成，分为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）。其工作原理是通过基极电流控制集电极电流：

• 放大模式：基极电流（IB）控制集电极电流（IC）。
• 饱和/截止模式：作为开关使用。

2. 作用

三极管的主要功能包括：

• 放大：用于小信号放大（如音频放大器）。
• 开关：控制大电流负载的通断（如继电器驱动）。
• 振荡：与电容电感组成振荡电路。

3. 应用电路

共射放大器

通过调节基极电阻控制增益。

开关电路

基极输入高电平→三极管饱和导通→驱动负载（如LED或电机）。

达林顿管

两级三极管组合提高电流增益（如ULN2003驱动步进电机）。

4. 选型要点

• 电流增益（β）：典型值50-300，需留余量（如驱动负载电流1A，β=100，则IB需10mA）。
• 最大集电极电流（IC_max）：必须大于负载电流（如2N2222的IC_max=800mA）。
• 功耗（Ptot）：需配合散热设计。
• 频率特性（fT）：高频电路选高fT型号（如2N3904的fT=300MHz）。
• 封装：TO-92（小功率）、TO-220（中功率）、SOT-23（贴片）。

三、MOS管（MOSFET）

1. 原理

MOS管由栅极（G）、源极（S）、漏极（D）组成，分为N沟道和P沟道。其工作原理是通过栅极电压控制导通：

• 增强型：栅极电压（VGS）高于阈值电压（Vth）时导通。
• 耗尽型：VGS=0时导通，加负压关断（较少使用）。

2. 作用

MOS管的主要应用包括：

• 功率开关：高效控制大电流（如电机、LED灯带）。
• 信号放大：用于高频或高输入阻抗电路（如射频放大器）。
• 逻辑门：CMOS结构实现低功耗数字电路。

3. 应用电路

开关电源（Buck/Boost）

MOS管作为高频开关，配合电感和电容实现电压转换。

H桥电机驱动

四个MOS管组成全桥，控制电机正反转（如L298N驱动模块）。

CMOS反相器

PMOS与NMOS互补组合，实现低功耗逻辑门。

4. 选型要点

• 阈值电压（Vth）：需低于驱动电压（如5V逻辑选Vth<3V）。
• 导通电阻（RDS(on)）：越小效率越高（如IRFZ44N的RDS(on)=17.5mΩ）。
• 最大漏源电压（VDS）：需高于电路最高电压（如24V系统选VDS≥30V）。
• 栅极电荷（Qg）：影响开关速度，Qg小则驱动简单。
• 类型选择：
• 逻辑电平MOS管：Vth低（2-3V），适合5V/3.3V驱动。
• 功率MOS管：高电流（如IRFP4668，ID=130A）。
• 低侧/高侧开关：注意是否需要自举电路驱动高侧MOS。

四、三者的对比与选型总结

五、实际设计注意事项

1. 二极管：

• 高频电路避免使用普通整流二极管（反向恢复时间长），改用肖特基或快恢复二极管。
• 稳压二极管需串联限流电阻，防止过流烧毁。

2. 三极管：

• 基极必须串联电阻限制电流，防止烧毁（如5V驱动时）。
• 开关应用需工作在饱和区（VCE≈0.2V），降低功耗。

3. MOS管：

• 栅极驱动电压需足够高（通常VGS≥10V确保完全导通）。
• 高频开关需注意PCB布局，减少寄生电感（如栅极电阻靠近MOS管）。
• 高侧驱动需使用自举电路或专用驱动器（如IR2110）。