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

面對問題的處理方法,，大體來說有兩種處理方式,，一種是復雜的問題簡單化，那自然另一種是簡單的問題復雜化,。很多人都會采取將復雜的問題簡單化,，但這樣帶來的后果就是看問題時，偶爾會有種云里霧里的感覺,。晶體管的工作原理，說簡單也簡單,，說復雜也復雜,。今天以略有復雜的方式來一起看下晶體管的工作原理，會提到摻雜半導體,、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體

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

 
圖1 N-型半導體

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

 
圖2 P-型半導體

二,、 PN結(jié)
介紹完了兩種摻雜半導體，PN結(jié)也就可以登場了,，如圖3所示,。在一個晶體半導體內(nèi)，P-型和N型兩種半導體材料的交界面處形成了PN結(jié),。雖說單獨的P-型,、N-型半導體是導電的，但在兩種半導體材料中間的PN結(jié)卻是不導電的,，因為沒有電荷載流子

 
圖3 PN結(jié)

在沒有外部電壓的情況下,，一個PN結(jié)會達到一個平衡狀態(tài)，并會在PN結(jié)兩端產(chǎn)生一個電壓差,，這個電壓差稱為內(nèi)建勢壘電壓,，Vbi。P型和N型半導體結(jié)合后,，在兩者的接觸面附近,，來自P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)與電子結(jié)合，這時N區(qū)開始有帶正電荷的離子,。同樣,，來自N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)與空穴結(jié)合，這時P區(qū)開始有帶負電荷的離子,。此時在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)形成的電場會同時阻礙電荷和空穴的擴散過程,。這里會有兩個同時發(fā)生的現(xiàn)象,，擴散過程會趨于產(chǎn)生更多的空間電荷，而由空間電荷產(chǎn)生的電場會趨于阻礙擴散過程,。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),，輪到二極管上場了，因為二極管就是基于PN結(jié)的一種半導體二極管,。
二極管反偏的時候,，陰極的電壓會相對高于陽極，因此在二極管擊穿之前只有很小的電流流過（不再詳細解釋）,。因此二極管的電流只往一個方向流通,，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,，正偏的時候,，在達到一個非零的拐點電壓之前，二極管沒有明顯的導通,。高于這個電壓后,，電流開始以指數(shù)的關(guān)系增大。只需要一個很小的電壓變化,，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的時候,，大約為25mV。
雖說高于拐點電壓以后,，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限大的，也就是導通電壓不為零,，在某些電路里會使用這個導通電阻的特性。而在反向偏置的時候會有非零的漏電流,，當反向電壓足夠大并且超過擊穿電壓以后,，二極管的電流會迅速增大,。
基本的準備知識都講完了，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,，對于NPN來說,，這三個區(qū)域分別為N-型、P-型和N-型摻雜半導體,。這三個區(qū)域的摻雜濃度是什么量級的,，都一樣嗎？還是有區(qū)別,？

事實上,，三個區(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)射極三個區(qū)域的摻雜濃度分別是1015、1017,、1019cm-3量級的,。其中N-型發(fā)射極的摻雜濃度最高，有著很多的帶負電荷的電子,，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,，擴散運動會使電荷載流子穿過PN結(jié)，也就形成了晶體管內(nèi)部的電荷流動,。

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)射極的電子會穿過B-E之間的PN結(jié)進入基極,，這時在基極會有過量的電子,。實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)射極進入到基極的電子不會與基極的任何一個空穴結(jié)合,。同時B-C是反向偏置的,，在PN結(jié)邊緣電子的濃度幾乎為零（參照圖4）。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,，最初來自發(fā)射極的電子會穿過基極進入到B-C之間PN結(jié)的空間電荷區(qū),，此時由于反向偏置電壓形成的電場，會把進入到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VBE電壓變化的時候,，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,，實際造成流入基極的電流變成了一個很小的值，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（借用大神的語錄）
看完上面的解釋，暈了嗎,？多看幾遍,，一定會有收獲的。如果似懂非懂,，沒關(guān)系,，再來看一下大神關(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)導致Vbe和Ib有二極管特性，指數(shù)曲線,。當Vce加電壓時,，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）成某個比例關(guān)系,，導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。”

晶體管一個看似簡單,，但實際卻很復雜的器件,，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，想學習晶體管的各種特性,，想了解晶體管的使用方法,，想進入模擬電路的世界，晶體管這個最基本的半導體器件一定要弄明白,。目前《晶體管電路設(shè)計》電路板項目在工程師眾籌平臺——聚豐眾籌上已經(jīng)進入了最后的倒計時,，你還在猶豫什么，馬上抓緊最后的時間報名來參加吧,！

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