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備相關的硬件電路設計工作。
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。
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。
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
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。
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。
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。
當VBE電壓變化的時候，正常流入基極的電流應該遵守前面提到的二極管的直流I-V關系公式，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，沒關系，再來看一下大神關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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