资深工程师谈晶体管使用心得（四）：晶体管的工作原理

作者：Mountain 燕山大学 本科毕业工作5年多, 从事医疗检测及分析仪器设备相关的硬件电路设计工作。

面对问题的处理方法，大体来说有两种处理方式，一种是复杂的问题简单化，那自然另一种是简单的问题复杂化。很多人都会采取将复杂的问题简单化，但这样带来的后果就是看问题时，偶尔会有种云里雾里的感觉。晶体管的工作原理，说简单也简单，说复杂也复杂。今天以略有复杂的方式来一起看下晶体管的工作原理，会提到掺杂半导体、空穴、多子、少子、PN结等在教科书里出现的概念，还有印象吗？

一、 两种类型的掺杂半导体

N-型半导体
N-型半导体是通过在本征半导体中掺入施主杂质而得到的，通常是在硅中掺入磷。N-型半导体的电子浓度远大于空穴浓度，而“N-型”也就是来自于电子的负电荷。在N-型半导体中，电子是多子，空穴是少子，如下图所示。

 
图1 N-型半导体

P-型半导体
P-型半导体是通过在本征半导体中掺入受主杂质而得到的，通常是在硅中掺入硼。P-型半导体的空穴浓度远大于电子浓度，而“P-型”也就是来自于空穴的正电荷。在P-型半导体中，空穴是多子，电子是少子，如下图所示。

 
图2 P-型半导体

二、 PN结
介绍完了两种掺杂半导体，PN结也就可以登场了，如图3所示。在一个晶体半导体内，P-型和N型两种半导体材料的交界面处形成了PN结。虽说单独的P-型、N-型半导体是导电的，但在两种半导体材料中间的PN结却是不导电的，因为没有电荷载流子

 
图3 PN结

在没有外部电压的情况下，一个PN结会达到一个平衡状态，并会在PN结两端产生一个电压差，这个电压差称为内建势垒电压，Vbi。P型和N型半导体结合后，在两者的接触面附近，来自P区的空穴会扩散到N区与电子结合，这时N区开始有带正电荷的离子。同样，来自N区的电子会扩散到P区与空穴结合，这时P区开始有带负电荷的离子。此时在P-N接触面附近不再是中性的，并且失去了它们的可移动的电荷载流子，也就形成了空间电荷区或者也可以称之为耗尽层。

 
图4 没有外加电压处于热平衡状态的PN结

由空间电荷区形成的电场会同时阻碍电荷和空穴的扩散过程。这里会有两个同时发生的现象，扩散过程会趋于产生更多的空间电荷，而由空间电荷产生的电场会趋于阻碍扩散过程。在图4中的红线和划线分别描述了在平衡状态下载流子的浓度，同时也展示了建立平衡状态的两种相互抗衡的现象。

三、 二极管
介绍完了PN结，轮到二极管上场了，因为二极管就是基于PN结的一种半导体二极管。
二极管反偏的时候，阴极的电压会相对高于阳极，因此在二极管击穿之前只有很小的电流流过（不再详细解释）。因此二极管的电流只往一个方向流通，也就是正偏的方向。

 

图5 二极管电流-电压特性曲线

如图5所示，正偏的时候，在达到一个非零的拐点电压之前，二极管没有明显的导通。高于这个电压后，电流开始以指数的关系增大。只需要一个很小的电压变化，而电流就可以产生很大的变化。到这里该引出这个重要的公式了，也就是二极管的直流I-V关系公式：

 

VD是二极管两端的直流电压，IR是反向饱和电流。
Vth是热电压，定义为Vth=kBT/q，在T=290K的时候，大约为25mV。
虽说高于拐点电压以后，电流以指数的关系增大，但电流电压的曲线斜率不是无限大的，也就是导通电压不为零，在某些电路里会使用这个导通电阻的特性。而在反向偏置的时候会有非零的漏电流，当反向电压足够大并且超过击穿电压以后，二极管的电流会迅速增大。
基本的准备知识都讲完了，好好理解一下，现在终于可以开始讲晶体管了，以NPN为例。

四、 晶体管
众所周知，晶体管的不同区域分别为集电极、基极和发射极，对于NPN来说，这三个区域分别为N-型、P-型和N-型掺杂半导体。这三个区域的掺杂浓度是什么量级的，都一样吗？还是有区别？

事实上，三个区域的掺杂浓度有着很大的区别。例如，集电极、基极和发射极三个区域的掺杂浓度分别是1015、1017、1019cm-3量级的。其中N-型发射极的掺杂浓度最高，有着很多的带负电荷的电子，而P-型基极的掺杂浓度比发射极要少很多，空穴是多子，N-型集电极的掺杂浓度最低。由于PN结两侧有不同的电荷浓度，扩散运动会使电荷载流子穿过PN结，也就形成了晶体管内部的电荷流动。

如图6所示，是三极管工作在放大状态下的偏置条件，也就是B-E正偏，B-C反偏。由于B-E是正偏，发射极的电子会穿过B-E之间的PN结进入基极，这时在基极会有过量的电子。实际的晶体管制造工艺要求基极非常窄，因此在理想的情况下，由发射极进入到基极的电子不会与基极的任何一个空穴结合。同时B-C是反向偏置的，在PN结边缘电子的浓度几乎为零（参照图4）。由于在B-C之间的PN结两侧有着很大的电子浓度梯度差异，最初来自发射极的电子会穿过基极进入到B-C之间PN结的空间电荷区，此时由于反向偏置电压形成的电场，会把进入到B-C之间PN结的空间电荷区的电子“收集”到集电极，也就形成了集电极电流。

 
图6 NPN BJT B-E正偏，B-C反偏

当VBE电压变化的时候，正常流入基极的电流应该遵守前面提到的二极管的直流I-V关系公式，即很小的电压变化，会引起较大的基极电流变化。但由于前面提及到的晶体管的不同区域的掺杂浓度及制造工艺要求等因素，实际造成流入基极的电流变成了一个很小的值，由基极较低浓度的空穴与发射极的电子结合形成。而流入发射极的电流却还是符合二极管I-V公式的电流，因此也就形成了一个很小的基极电流控制较大的发射极（集电极）电流的现象，这也就是晶体管的工作原理。

五、    晶体管工作原理的比喻（借用大神的语录）
看完上面的解释，晕了吗？多看几遍，一定会有收获的。如果似懂非懂，没关系，再来看一下大神关于三极管工作原理的解释，很形象也很有意思。

“BE之间的PN结犹如一个大鱼池（接触面积非常大），在Vbe的PN结加电压，在鱼池里面养了很多鱼（载流子），如果没人去抢鱼（Vce不加电压），则PN结导致Vbe和Ib有二极管特性，指数曲线。当Vce加电压时，极电极跟基极一起在鱼池里面抢鱼（载流子），由于故意设计得让极电极与鱼池的开口（接触面积）比基极与鱼池的开口（接触面积）成某个比例关系，导致极电极抢得的鱼与基极抢得的鱼成固定比例，起到放大作用。”

晶体管一个看似简单，但实际却很复杂的器件，前后三篇文章提及到的内容也只是冰山一角。在嵌入式大行其道的环境下，如果你想探索晶体管，想学习晶体管的各种特性，想了解晶体管的使用方法，想进入模拟电路的世界，晶体管这个最基本的半导体器件一定要弄明白。目前《晶体管电路设计》电路板项目在工程师众筹平台——聚丰众筹上已经进入了最后的倒计时，你还在犹豫什么，马上抓紧最后的时间报名来参加吧！

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