一文講透三極管的工作原理

關(guān)于三極管，我相信每個(gè)搞硬件的應(yīng)該都有看過基本原理，現(xiàn)在我們算是溫故而知新，那么最好是帶著問題去看。

這里我準(zhǔn)備了幾個(gè)問題，咱們帶著這幾個(gè)問題往下看。

1.集電結(jié)為何會(huì)發(fā)生反偏導(dǎo)通并產(chǎn)生Ic，這看起來與二極管原理強(qiáng)調(diào)的PN結(jié)單向?qū)щ娦韵嗝堋?/p>

2.放大狀態(tài)下集電極電流Ic為什么會(huì)只受控于電流Ib而與電壓無關(guān)；即：Ic與Ib之間為什么存在著一個(gè)固定的放大倍數(shù)關(guān)系。雖然基區(qū)較薄，但只要Ib為零，則Ic即為零。

3.飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，仍然會(huì)有反向大電流Ic的產(chǎn)生。

以上這三點(diǎn)，都是為什么？

很多教科書對(duì)于這部分內(nèi)容，在講解方法上處理得并不適當(dāng)。特別是針對(duì)初、中級(jí)學(xué)者的普及性教科書，大多采用了回避的方法，只給出結(jié)論卻不講原因。

即使專業(yè)性很強(qiáng)的教科書，采用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。這些問題集中表現(xiàn)在講解方法的切入角度不恰當(dāng)，使講解內(nèi)容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的效果，使初學(xué)者看后容易產(chǎn)生一頭霧水的感覺。

傳統(tǒng)講法及問題

傳統(tǒng)講法一般分三步，以NPN型為例（以下所有討論皆以NPN型硅管為例），如下圖。

發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子；

電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合；

集電區(qū)收集由基區(qū)擴(kuò)散過來的電子。

問題1：這種講解方法在第3步中，講解集電極電流Ic的形成原因時(shí)，不是著重地從載流子的性質(zhì)方面說明集電區(qū)的反偏導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了Ic，而是不恰當(dāng)?shù)貍?cè)重強(qiáng)調(diào)了Vc的高電位作用，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄。這種強(qiáng)調(diào)很容易使人產(chǎn)生誤解。以為只要Vc足夠大基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可以反向?qū)?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦跃蜁?huì)失效。其實(shí)這正好與三極管的電流放大原理相矛盾。三極管的電流放大原理恰恰要求在放大狀態(tài)下Ic與Vc在數(shù)量上必須無關(guān)，Ic只能受控于Ib。

問題2：不能很好地說明三極管的飽和狀態(tài)。當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，Vc的值很小甚至還會(huì)低于Vb，此時(shí)仍然出現(xiàn)了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時(shí)，集電結(jié)仍然會(huì)出現(xiàn)反向?qū)ǖ默F(xiàn)象。這很明顯地與強(qiáng)調(diào)Vc的高電位作用相矛盾。

問題3：傳統(tǒng)講法第2步過于強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為是基區(qū)的足夠薄在支承三極管集電結(jié)的反向?qū)?，只要基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可能會(huì)失去PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?。這顯然與人們利用三極管內(nèi)部兩個(gè)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，來判斷管腳名稱的經(jīng)驗(yàn)相矛盾。既使基區(qū)很薄，人們判斷管腳名稱時(shí)，也并沒有發(fā)現(xiàn)因?yàn)榛鶇^(qū)的薄而導(dǎo)致PN結(jié)單向?qū)щ娦允У那闆r。基區(qū)很薄，但兩個(gè)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦匀匀煌旰脽o損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據(jù)。

問題4：在第2步講解為什么Ic會(huì)受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會(huì)存在著一個(gè)固定的比例關(guān)系時(shí)，不能形象加以說明。只是從工藝上強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄與摻雜度低，不能從根本上說明電流放大倍數(shù)為什么會(huì)保持不變。

問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)容上的自然過渡。甚至使人產(chǎn)生矛盾觀念，二極管原理強(qiáng)調(diào)PN結(jié)單向?qū)щ姺聪蚪刂梗龢O管原理則又要求PN結(jié)能夠反向?qū)?。同時(shí)，也不能體現(xiàn)晶體三極管與電子三極管之間在電流放大原理上的歷史聯(lián)系。

新講解方法

01 切入點(diǎn)

要想很自然地說明問題，就要選擇恰當(dāng)?shù)厍腥朦c(diǎn)。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結(jié)構(gòu)與原理都很簡單，內(nèi)部一個(gè)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如圖。

很明顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN結(jié)截止。我們要特別注意這里的截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)際上PN結(jié)截止時(shí)，總是會(huì)有很小的漏電流存在，也就是說PN結(jié)總是存在著反向關(guān)不斷的現(xiàn)象，PN結(jié)的單向?qū)щ娦圆⒉皇前俜种佟?/p>

為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

這主要是因?yàn)镻區(qū)除了因“摻雜”而產(chǎn)生的多數(shù)載流子“空穴”之外，還總是會(huì)有極少數(shù)的本征載流子“電子”出現(xiàn)。N區(qū)也是一樣，除了多數(shù)載流子電子之外，也會(huì)有極少數(shù)的載流子空穴存在。

PN結(jié)反偏時(shí)，能夠正向?qū)щ姷亩鄶?shù)載流子被拉向電源，使PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN結(jié)承擔(dān)起載流導(dǎo)電的功能。

所以，此時(shí)漏電流的形成主要靠的是少數(shù)載流子，是少數(shù)載流子在起導(dǎo)電作用。

由上圖可知，PN結(jié)的內(nèi)電場方向是從N區(qū)指向P區(qū)的，這個(gè)內(nèi)電場對(duì)于少子穿過PN結(jié)起著促進(jìn)的作用。

漏電流之所以很小，是因?yàn)樯贁?shù)載流子的數(shù)量太少。很明顯，此時(shí)漏電流的大小主要取決于少數(shù)載流子的數(shù)量。如果要想人為地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時(shí)少數(shù)載流子的數(shù)量即可。

所以，如圖所示，如果能夠在P區(qū)或N區(qū)人為地增加少數(shù)載流子的數(shù)量，很自然的漏電流就會(huì)人為地增加。

其實(shí)，光敏二極管的原理就是如此。

光敏二極管與普通光敏二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｒ虼?，光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓，如圖所示。

當(dāng)無光照時(shí)，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1×10-8 —1×10 -9A(稱為暗電流)，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止；

當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，這些載流子的數(shù)目，對(duì)于多數(shù)載流子影響不大，但對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓作用下，反向飽和漏電流大大增加，形成光電流，該光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化。

光電流通過負(fù)載R時(shí)，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。

光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因?yàn)楣庹湛梢栽黾由贁?shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會(huì)導(dǎo)致反向漏電流的改變，人們就是利用這樣的道理制作出了光敏二極管。既然此時(shí)漏電流的增加是人為的，那么漏電流的增加部分也就很容易能夠?qū)崿F(xiàn)人為地控制。

02 強(qiáng)調(diào)一個(gè)結(jié)論

講到這里，一定要重點(diǎn)地說明PN結(jié)正、反偏時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當(dāng)?shù)慕巧捌湫再|(zhì)。正偏時(shí)是多數(shù)載流子載流導(dǎo)電，反偏時(shí)是少數(shù)載流子載流導(dǎo)電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN結(jié)顯示出單向電性。

特別是要重點(diǎn)說明，反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。

為什么呢？

大家知道PN結(jié)內(nèi)部存在有一個(gè)因多數(shù)載流子相互擴(kuò)散而產(chǎn)生的內(nèi)電場，而內(nèi)電場的作用方向總是阻礙多數(shù)載流子的正向通過，所以，多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)時(shí)就需要克服內(nèi)電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T電壓。

而反偏時(shí)，內(nèi)電場在電源作用下會(huì)被加強(qiáng)也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)時(shí)，內(nèi)電場作用方向和少數(shù)載流子通過PN結(jié)的方向一致，也就是說此時(shí)的內(nèi)電場對(duì)于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會(huì)有阻礙作用，甚至還會(huì)有幫助作用。

這就導(dǎo)致了以上我們所說的結(jié)論：反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。

這個(gè)結(jié)論可以很好解釋前面提到的“問題2”，也就是教材后續(xù)內(nèi)容要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位很低甚至?xí)咏蛏缘陀诨鶚O電位，集電結(jié)處于零偏置，但仍然會(huì)有較大的集電結(jié)的反向電流Ic產(chǎn)生。

03 自然過渡

繼續(xù)討論P(yáng)N結(jié)的反偏狀態(tài)。

利用光照控制少數(shù)載流子的產(chǎn)生數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會(huì)想到能否把控制的方法改變一下，不用光照而是用電注入的方法來增加N區(qū)或者是P區(qū)少數(shù)載流子的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PN結(jié)的漏電流的控制。

也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制（光照增加的是本征載流子，而后面講的電注入增加的是摻雜載流子，本征載流子是成對(duì)出現(xiàn)，是電子空穴對(duì)，正負(fù)對(duì)應(yīng)。這與摻雜載流子是有區(qū)別的）。

接下來重點(diǎn)討論P(yáng)區(qū)，P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，要想用電注入的方法向P區(qū)注入電子，最好的方法就是如圖所示，在P區(qū)下面再用特殊工藝加一塊N型半導(dǎo)體。

其實(shí)上圖就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應(yīng)各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。

為方便討論，以下我們對(duì)圖中所示的各個(gè)部分的名稱直接采用與三極管相應(yīng)的名稱（如“發(fā)射結(jié)”，“集電極”等）。

最下面的發(fā)射區(qū)N型半導(dǎo)體內(nèi)電子作為多數(shù)載流子大量存在，而且，如圖中所示，要將發(fā)射區(qū)的電子注入或者說是發(fā)射到P區(qū)（基區(qū)）是很容易的，只要使發(fā)射結(jié)正偏即可。

具體說就是在基極與發(fā)射極之間加上一個(gè)足夠的正向的門電壓（約為0.7伏）就可以了。在外加門電壓作用下，發(fā)射區(qū)的電子就會(huì)很容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子“電子”在數(shù)量上的改變。

04 集電極電流IC的形成

發(fā)射結(jié)加上正偏電壓導(dǎo)通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——電子就會(huì)很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區(qū)。

這些載流子一旦進(jìn)入基區(qū)，它們在基區(qū)（P區(qū)）的性質(zhì)仍然屬于少數(shù)載流子的性質(zhì)。如前所述，少數(shù)載流子很容易反向穿過處于反偏狀態(tài)的PN結(jié)，所以，這些載流子——電子就會(huì)很容易向上穿過處于反偏狀態(tài)的集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)形成集電極電流Ic。

由此可見，集電極電流的形成并不是一定要靠集電極的高電位。集電極電流的大小更主要的要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射與注入，取決于這種發(fā)射與注入的程度。這種載流子的發(fā)射注入程度與集電極電位的高低沒有什么關(guān)系。

這正好能自然地說明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關(guān)的原因。放大狀態(tài)下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)，以此來滿足三極管放大態(tài)下所需要外部電路條件。

對(duì)于Ic還可以做如下結(jié)論：Ic的本質(zhì)是“少子”電流，是通過電子注入而實(shí)現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流，因此它就可以很容易地反向通過集電結(jié)。

05 Ic與Ib的關(guān)系

接著上面的討論，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關(guān)，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射注入程度。

通過上面的討論，現(xiàn)在已經(jīng)明白，三極管在電流放大狀態(tài)下，內(nèi)部的主要電流就是由載流子電子由發(fā)射區(qū)經(jīng)基區(qū)再到集電區(qū)貫穿三極管所形成。也就是貫穿三極管的電流Ic主要是電子流。

這種貫穿的電子流與歷史上的電子三極管非常類似。下圖就是電子三極管的原理示意圖。電子三極管的電流放大原理因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的直觀形象，可以很自然得到解釋。

很容易理解，電子三極管Ib與Ic之間的固定比例關(guān)系，主要取決于電子管柵極（基極）的構(gòu)造。

當(dāng)外部電路條件滿足時(shí)，電子三極管工作在放大狀態(tài)。在放大狀態(tài)下，穿過管子的電流主要是由發(fā)射極經(jīng)柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時(shí)，很顯然柵極會(huì)對(duì)其進(jìn)行截流，截流時(shí)就存在著一個(gè)截流比問題。

截流比的大小，則主要與柵極的疏密度有關(guān)，如果柵極做的密，它的等效截流面積就大，截流比例自然就大，攔截下來的電子流就多。反之截流比小，攔截下來的電子流就少。

柵極攔截下來的電子流其實(shí)就是電流Ib，其余的穿過柵極到達(dá)集電極的電子流就是Ic。從圖中可以看出，只要柵極的結(jié)構(gòu)尺寸確定，那么截流比例就確定，也就是Ic與Ib的比值確定。

所以，只要管子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，這個(gè)比值就固定不變。由此可知，電流放大倍數(shù)的β值主要與柵極的疏密度有關(guān)。柵極越密則截流比例越大，相應(yīng)的β值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應(yīng)的β值越高。

其實(shí)晶體三極管的電流放大關(guān)系與電子三極管類似。

晶體三極管的基極就相當(dāng)于電子三極管的柵極，基區(qū)就相當(dāng)于柵網(wǎng)，只不過晶體管的這個(gè)柵網(wǎng)是動(dòng)態(tài)的是不可見的。放大狀態(tài)下，貫穿整個(gè)管子的電子流在通過基區(qū)時(shí)，基區(qū)與電子管的柵網(wǎng)作用相類似，會(huì)對(duì)電子流進(jìn)行截流（電子穿過基區(qū)時(shí)會(huì)與基區(qū)空穴復(fù)合消失）。

如果基區(qū)做得薄，摻雜度低，基區(qū)的空穴數(shù)就會(huì)少，那么空穴對(duì)電子的截流量就小，這就相當(dāng)于電子管的柵網(wǎng)比較疏一樣，反之截流量就會(huì)大。

很明顯只要晶體管三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，這個(gè)截流比也就確定。所以，為了獲得較大的電流放大倍數(shù)，使β值足夠高，在制作三極管時(shí)往往要把基區(qū)做得很薄，而且其摻雜度也要控制得很低。

與電子管不同的是，晶體管的截流主要是靠分布在基區(qū)的帶正電的“空穴”對(duì)貫穿的電子流中帶負(fù)電的“電子”中和來實(shí)現(xiàn)。所以，截流的效果主要取決于基區(qū)空穴的數(shù)量。

而且，這個(gè)過程是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時(shí)“空穴”又不斷地會(huì)在外部電源作用下得到補(bǔ)充。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，空穴的等效總數(shù)量是不變的。基區(qū)空穴的總數(shù)量主要取決于摻“雜”度以及基區(qū)的厚薄，只要晶體管結(jié)構(gòu)確定，基區(qū)空穴的總定額就確定，其相應(yīng)的動(dòng)態(tài)總量就確定。

這樣，截流比就確定，晶體管的電流放大倍數(shù)的值就是定值。這就是為什么放大狀態(tài)下，三極管的電流Ic與Ib之間會(huì)有一個(gè)固定的比例關(guān)系的原因。

06 對(duì)于截止?fàn)顟B(tài)的解釋

比例關(guān)系說明，放大狀態(tài)下電流Ic按一個(gè)固定的比例受控于電流Ib，這個(gè)固定的控制比例主要取決于晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

對(duì)于Ib等于0的截止?fàn)顟B(tài)，問題更為簡單。當(dāng)Ib等于0時(shí)，說明外部電壓Ube太小，沒有達(dá)到發(fā)射結(jié)的門電壓值，發(fā)射區(qū)沒有載流子“電子”向基區(qū)的發(fā)射注入，所以，此時(shí)既不會(huì)有電流Ib，也更不可能有電流Ic。

另外，從純數(shù)學(xué)的電流放大公式更容易推出結(jié)論，Ic=βIb，Ib為0，很顯然Ic也為0。

新講法需要注意的問題

以上，我們用了一種新的切入角度，對(duì)三極管的原理在講解方法上進(jìn)行了探討。特別是對(duì)晶體三極管放大狀態(tài)下，集電結(jié)為什么會(huì)反向?qū)щ娦纬杉姌O電流做了重點(diǎn)討論，同時(shí)，對(duì)三極管的電流放大倍數(shù)為什么是定值也做了深入分析。

這種講解方法的關(guān)鍵，在于強(qiáng)調(diào)二極管與三極管在原理上的聯(lián)系。

其實(shí)，從二極管PN的反向截止特性曲線上很容易看出，只要將這個(gè)特性曲線轉(zhuǎn)過180度，如圖所示，它的情形與三極管的輸出特性非常相似。

這說明了二極管與三極管在原理上存在著很必然的聯(lián)系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點(diǎn)，從PN結(jié)的反偏狀態(tài)入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會(huì)使問題變得淺顯易懂生動(dòng)形象，前后內(nèi)容之間自然和諧順理成章。

這種講法的不足點(diǎn)在于，從PN結(jié)的漏電流入手講起，容易造成本征漏電流與放大電流在概念上的混淆。

本征載流子對(duì)電流放大沒有貢獻(xiàn)，本征載流子的電流對(duì)晶體管的特性影響往往是負(fù)面的，是需要克服的。晶體管電流放大作用主要靠摻雜載流子來實(shí)現(xiàn)。要注意在概念上進(jìn)行區(qū)別。

另外，還要注意說明，從本質(zhì)上晶體內(nèi)部有關(guān)載流子的問題其實(shí)并不簡單，它涉及到晶體的能級(jí)分析能帶結(jié)構(gòu)，以及載流子移動(dòng)的勢壘分析等。所以，并不是隨便找一種或兩種具有載流子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體就可以制成PN結(jié)，就可以制成晶體管，晶體管實(shí)際的制造工藝也并不是如此簡單。

這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下，試圖把問題盡量地簡化，盡量做到淺顯易懂，以便于理解與接受。這才是這種講解方法的主要意義所在。

審核編輯：湯梓紅