作者：Mountain 燕山大學(xué) 本科畢業(yè)工作5年多, 從事醫(yī)療檢測(cè)及分析儀器設(shè)備相關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)工作。

面對(duì)問(wèn)題的處理方法，大體來(lái)說(shuō)有兩種處理方式，一種是復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，那自然另一種是簡(jiǎn)單的問(wèn)題復(fù)雜化。很多人都會(huì)采取將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，但這樣帶來(lái)的后果就是看問(wèn)題時(shí)，偶爾會(huì)有種云里霧里的感覺。晶體管的工作原理，說(shuō)簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單，說(shuō)復(fù)雜也復(fù)雜。今天以略有復(fù)雜的方式來(lái)一起看下晶體管的工作原理，會(huì)提到摻雜半導(dǎo)體、空穴、多子、少子、PN結(jié)等在教科書里出現(xiàn)的概念，還有印象嗎？

一、 兩種類型的摻雜半導(dǎo)體

N-型半導(dǎo)體
N-型半導(dǎo)體是通過(guò)在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)而得到的，通常是在硅中摻入磷。N-型半導(dǎo)體的電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，而“N-型”也就是來(lái)自于電子的負(fù)電荷。在N-型半導(dǎo)體中，電子是多子，空穴是少子，如下圖所示。

 
圖1 N-型半導(dǎo)體

P-型半導(dǎo)體
P-型半導(dǎo)體是通過(guò)在本征半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)而得到的，通常是在硅中摻入硼。P-型半導(dǎo)體的空穴濃度遠(yuǎn)大于電子濃度，而“P-型”也就是來(lái)自于空穴的正電荷。在P-型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子，如下圖所示。

 
圖2 P-型半導(dǎo)體

二、 PN結(jié)
介紹完了兩種摻雜半導(dǎo)體，PN結(jié)也就可以登場(chǎng)了，如圖3所示。在一個(gè)晶體半導(dǎo)體內(nèi)，P-型和N型兩種半導(dǎo)體材料的交界面處形成了PN結(jié)。雖說(shuō)單獨(dú)的P-型、N-型半導(dǎo)體是導(dǎo)電的，但在兩種半導(dǎo)體材料中間的PN結(jié)卻是不導(dǎo)電的，因?yàn)闆]有電荷載流子

 
圖3 PN結(jié)

在沒有外部電壓的情況下，一個(gè)PN結(jié)會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，并會(huì)在PN結(jié)兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓差，這個(gè)電壓差稱為內(nèi)建勢(shì)壘電壓，Vbi。P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在兩者的接觸面附近，來(lái)自P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)與電子結(jié)合，這時(shí)N區(qū)開始有帶正電荷的離子。同樣，來(lái)自N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)與空穴結(jié)合，這時(shí)P區(qū)開始有帶負(fù)電荷的離子。此時(shí)在P-N接觸面附近不再是中性的，并且失去了它們的可移動(dòng)的電荷載流子，也就形成了空間電荷區(qū)或者也可以稱之為耗盡層。

 
圖4 沒有外加電壓處于熱平衡狀態(tài)的PN結(jié)

由空間電荷區(qū)形成的電場(chǎng)會(huì)同時(shí)阻礙電荷和空穴的擴(kuò)散過(guò)程。這里會(huì)有兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，擴(kuò)散過(guò)程會(huì)趨于產(chǎn)生更多的空間電荷，而由空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)趨于阻礙擴(kuò)散過(guò)程。在圖4中的紅線和劃線分別描述了在平衡狀態(tài)下載流子的濃度，同時(shí)也展示了建立平衡狀態(tài)的兩種相互抗衡的現(xiàn)象。

三、 二極管
介紹完了PN結(jié)，輪到二極管上場(chǎng)了，因?yàn)槎O管就是基于PN結(jié)的一種半導(dǎo)體二極管。
二極管反偏的時(shí)候，陰極的電壓會(huì)相對(duì)高于陽(yáng)極，因此在二極管擊穿之前只有很小的電流流過(guò)（不再詳細(xì)解釋）。因此二極管的電流只往一個(gè)方向流通，也就是正偏的方向。

 

圖5 二極管電流-電壓特性曲線

如圖5所示，正偏的時(shí)候，在達(dá)到一個(gè)非零的拐點(diǎn)電壓之前，二極管沒有明顯的導(dǎo)通。高于這個(gè)電壓后，電流開始以指數(shù)的關(guān)系增大。只需要一個(gè)很小的電壓變化，而電流就可以產(chǎn)生很大的變化。到這里該引出這個(gè)重要的公式了，也就是二極管的直流I-V關(guān)系公式：

VD是二極管兩端的直流電壓，IR是反向飽和電流。
Vth是熱電壓，定義為Vth=kBT/q，在T=290K的時(shí)候，大約為25mV。
雖說(shuō)高于拐點(diǎn)電壓以后，電流以指數(shù)的關(guān)系增大，但電流電壓的曲線斜率不是無(wú)限大的，也就是導(dǎo)通電壓不為零，在某些電路里會(huì)使用這個(gè)導(dǎo)通電阻的特性。而在反向偏置的時(shí)候會(huì)有非零的漏電流，當(dāng)反向電壓足夠大并且超過(guò)擊穿電壓以后，二極管的電流會(huì)迅速增大。
基本的準(zhǔn)備知識(shí)都講完了，好好理解一下，現(xiàn)在終于可以開始講晶體管了，以NPN為例。

四、 晶體管
眾所周知，晶體管的不同區(qū)域分別為集電極、基極和發(fā)射極，對(duì)于NPN來(lái)說(shuō)，這三個(gè)區(qū)域分別為N-型、P-型和N-型摻雜半導(dǎo)體。這三個(gè)區(qū)域的摻雜濃度是什么量級(jí)的，都一樣嗎？還是有區(qū)別？

事實(shí)上，三個(gè)區(qū)域的摻雜濃度有著很大的區(qū)別。例如，集電極、基極和發(fā)射極三個(gè)區(qū)域的摻雜濃度分別是1015、1017、1019cm-3量級(jí)的。其中N-型發(fā)射極的摻雜濃度最高，有著很多的帶負(fù)電荷的電子，而P-型基極的摻雜濃度比發(fā)射極要少很多，空穴是多子，N-型集電極的摻雜濃度最低。由于PN結(jié)兩側(cè)有不同的電荷濃度，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)會(huì)使電荷載流子穿過(guò)PN結(jié)，也就形成了晶體管內(nèi)部的電荷流動(dòng)。

如圖6所示，是三極管工作在放大狀態(tài)下的偏置條件，也就是B-E正偏，B-C反偏。由于B-E是正偏，發(fā)射極的電子會(huì)穿過(guò)B-E之間的PN結(jié)進(jìn)入基極，這時(shí)在基極會(huì)有過(guò)量的電子。實(shí)際的晶體管制造工藝要求基極非常窄，因此在理想的情況下，由發(fā)射極進(jìn)入到基極的電子不會(huì)與基極的任何一個(gè)空穴結(jié)合。同時(shí)B-C是反向偏置的，在PN結(jié)邊緣電子的濃度幾乎為零（參照?qǐng)D4）。由于在B-C之間的PN結(jié)兩側(cè)有著很大的電子濃度梯度差異，最初來(lái)自發(fā)射極的電子會(huì)穿過(guò)基極進(jìn)入到B-C之間PN結(jié)的空間電荷區(qū)，此時(shí)由于反向偏置電壓形成的電場(chǎng)，會(huì)把進(jìn)入到B-C之間PN結(jié)的空間電荷區(qū)的電子“收集”到集電極，也就形成了集電極電流。

 
圖6 NPN BJT B-E正偏，B-C反偏

當(dāng)VBE電壓變化的時(shí)候，正常流入基極的電流應(yīng)該遵守前面提到的二極管的直流I-V關(guān)系公式，即很小的電壓變化，會(huì)引起較大的基極電流變化。但由于前面提及到的晶體管的不同區(qū)域的摻雜濃度及制造工藝要求等因素，實(shí)際造成流入基極的電流變成了一個(gè)很小的值，由基極較低濃度的空穴與發(fā)射極的電子結(jié)合形成。而流入發(fā)射極的電流卻還是符合二極管I-V公式的電流，因此也就形成了一個(gè)很小的基極電流控制較大的發(fā)射極（集電極）電流的現(xiàn)象，這也就是晶體管的工作原理。

五、    晶體管工作原理的比喻（借用大神的語(yǔ)錄）
看完上面的解釋，暈了嗎？多看幾遍，一定會(huì)有收獲的。如果似懂非懂，沒關(guān)系，再來(lái)看一下大神關(guān)于三極管工作原理的解釋，很形象也很有意思。

“BE之間的PN結(jié)猶如一個(gè)大魚池（接觸面積非常大），在Vbe的PN結(jié)加電壓，在魚池里面養(yǎng)了很多魚（載流子），如果沒人去搶魚（Vce不加電壓），則PN結(jié)導(dǎo)致Vbe和Ib有二極管特性，指數(shù)曲線。當(dāng)Vce加電壓時(shí)，極電極跟基極一起在魚池里面搶魚（載流子），由于故意設(shè)計(jì)得讓極電極與魚池的開口（接觸面積）比基極與魚池的開口（接觸面積）成某個(gè)比例關(guān)系，導(dǎo)致極電極搶得的魚與基極搶得的魚成固定比例，起到放大作用?！?/p>

晶體管一個(gè)看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際卻很復(fù)雜的器件，前后三篇文章提及到的內(nèi)容也只是冰山一角。在嵌入式大行其道的環(huán)境下，如果你想探索晶體管，想學(xué)習(xí)晶體管的各種特性，想了解晶體管的使用方法，想進(jìn)入模擬電路的世界，晶體管這個(gè)最基本的半導(dǎo)體器件一定要弄明白。目前《晶體管電路設(shè)計(jì)》電路板項(xiàng)目在工程師眾籌平臺(tái)——聚豐眾籌上已經(jīng)進(jìn)入了最后的倒計(jì)時(shí)，你還在猶豫什么，馬上抓緊最后的時(shí)間報(bào)名來(lái)參加吧！

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