三极管的基极电流究竟做了什么?

2014-10-01  电子发烧友网
三极管的基极电流究竟做了什么?_第1张图片

  本人工科,电学相关专业,但看了无数本书,也没有解释清楚NPN/PNP型晶体管的基级电流究竟对于管子的整体工作意味着什么。都是泛泛地说了射极电流中的电子会有一部分扩散到基极,并维持一个比例,也就是β。

  这些书在解释场效应管的时候,都清晰地解释了门级电压对于载流子的影响,而载流子就决定了电流的通过能力。但对于晶体管就含糊其辞,一直不知道究竟是什么力量约束了基极电流和射极电流之间的比例。

  我们从下面这些回答寻找答案!

  胥超,微电子/功率半导体

  三极管(BJT)是电流控制型器件,也就是你说的基极电流Ib控制了集电极Ic到发射极Ie的电流。

  具体原理是在BE结正偏情况下,载流子从E跑到B,由于B是一个很窄的区域,掺杂浓度也较低,容许通过的电流很小。如果这时CB结反偏,B中的载流子大部分被C抽走了,所以Ic电流十分接近于Ie。

  放大系数β的控制,就是靠调整B区宽度或掺杂浓度,以此控制B区的电流通过的能力。

  BJT是双极器件,原理上也比MOSFET复杂许多,涉及到电子空穴分别的行为,量化的放大系数跟注入效率、渡越时间、输运系数有关。

  如果你想进一步了解,可以参考《晶体管原理与设计》 第二版 3.2节(陈星弼 张庆忠 编著)

  补充:

  发现书上第三章开头有的一段话很不起眼,但是很清楚地解释了这个原理,摘录如下:

  “……当PN结正偏时,电子从P区注入N区,空穴从P区注入N区,形成正向电流。正向电流的电荷来源是多子,所以正向电流很大。当PN结处于反偏时,电子从P区被拉向N区,空穴从P区被拉向P区,形成反向电流。反向电流的电荷来源是少子,所以反向电流很小。如果能够在反偏的PN结附近设法提供大量的少子,就能使反向电流提高。给反偏PN结提供少子的一种方法是在它附近制作一个正偏的PN结。如果两个PN结靠得很近,则整片PN结注入过来的少子还来不及复合,就被反偏的PN结所收集而形成较大的反偏电流。反向电流的大小取决于正偏PN结注入过来的少子的多少,而后者取决于加在正偏PN结上的偏压的大小。……”

  Eric Qiang

  我发现中文维基“三极管”这篇文章写得很好,既易懂,又说到了三极管之所以能放大电流的要点上了。下文均以NPN三极管为例。

  1. 物理结构上,集电极区域是器件的基底;发射极区域是器件上的一个小坑,重掺杂;基极区域是位于基底(即集电极)与发射极区域之间的很薄的一层,轻掺杂。因而,发射结的面积要远小于集电结的面积。上述这些重掺杂与轻掺杂、pn结的面积大小,决定了器件的性能,特别是那个电流放大系数 beta。

  

三极管的基极电流究竟做了什么?_第2张图片

  2. 如楼上几位解释的,发射结加正向偏置电压,集电结加反向偏置电压。这时大量电子从发射极区域注入基极。(因为发射极区域是重掺杂,所以多数载流子的密度很大) 而基极区域是轻掺杂,多数载流子(即空穴)的密度很低,所以由发射极区域注入基极区域的电子只有很少比例与空穴复合;又因为基极区域非常薄,远小于注入基极区域的电子的“扩散长度”,所以大部分电子都注入了集电极区域(这还是在集电结上不加电压处于热平衡态);如果在集电结上加上反向偏置电压,效果更好了。

  2.1 要知道,二极管或者pn结的“反向饱和电流”,这个“饱和”是从哪里来的?答案是pn结两侧区域的少子的浓度。因为这个少子浓度很低,所以在pn结的内在电场驱使下,反向跨越pn结的少子流很容易就“饱和”了。 现在三极管的集电结的基极一侧,有大量的少子(来自发射极注入的电子),所以这大量的少子漂移过集电结,就形成了集电极电流 I_c

  2.2 基极电流与集电极电流之比,是器件的物理结构(掺杂浓度、集电结的面积与形状)等决定的。

  2.3 在NPN三极管正向放大状态下,电子跨过发射结,主要是漂移;电子跨过基极区域,主要是扩散;电子跨过集电结,主要是漂移。从能谱图上看,电子先是跳悬崖(发射结),然后是一马平川(而且距离很短),再跳悬崖(集电结)。

  3. 为什么发射结上的微小电压变化(相当于很小的输入信号),就可以大幅度改变集电极电流从而获得被放大几十倍的输出信号?? 这个答案很简单、很简单! 看看二极管/pn结的伏安特性曲线,二极管在正向导通状态下伏安特性呈现指数形状,即pn结上正向偏置电压的微小变化将导致正向电流的指数级变化!!! 也就是说,发射极-基极电压的微小变化,导致了漂移过发射结的电流的巨大变化,从而导致了漂移过集电结的电流的巨大变化。就这么简单。

  3.1 如果你追问,为什么二极管/pn结在正向偏置导通状态,伏安特性呈现指数曲线形状啊? 答案是:正向偏置下,跨p-n结的电流强度取决于多数载流子的密度,而多子的密度随正向偏置电压的大小成指数增加。这使得二极管可以导通正向大电流。

  mike,发现更大的世界

  讲一下NPN的吧,PNP类似的。

  正常情况下PN结正向偏置电流才能通过(即P端加高电平,N端加低电平)。在NPN结构的三极管中,因为CB端的PN结是反向偏置,所以集电极Ic是通不过CB那个PN结,自然也流不到发射极E。但是当基极B有电流流进时,因为载流子浓度的关系,Ib将流向集电集C,这时就把CB端的PN给打通了,而Ib越大PN结的口子撕开的也越大,流过的电流自然也更大,这就是为什么Ib可以控制Ic的缘故。因为BE本来就正偏,所以Ic可以一路从集电极C流到发射极E。

  通俗的比喻ib的作用:三极管是个水管,CE处的PN结是个皮阀子,C端的水不能把它冲开,只有B端的水才能把它冲开。如果此时ib有水进来就用力捅一下CB那个皮阀子,它就打开了,Ib的力度越大,CB端的阀门就开的越大,一旦打开,C端的水也顺势冲了下来。B端的水的大小可以控制CB端皮阀子打开的大小,自然就控制了C端流进水的大小,从而控制整个水管水流的大小。而BE端也有一个皮阀子,但它可以自由的从B流向E端。所以整个管子导通!

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  MOSFET原理也类似,但mosfet的门集电压控制那个管道的打通,但它的不是皮阀子,而是水龙头。什么意思呢?因为皮阀子是单向通过的,而水龙头是双向随便通过。

  他们的功能区别是:MOS管是电压控制电流型,而三极管是电流控制电流型。

  看了楼上的回答。好像MOS管的原理更复杂吧?只不过MOS加工起来又更方便!现在功率器件基本上已经把BJT淘汰了!

  厚一点的模电书都有介绍的,只是比较枯燥,要静下心来看!我上学时候用的是清华大学绿皮版本的。

  贺兆宇,Semiconductor Device, PhD

  简单地说,好比街上突然出现三五个美女,会引来一群男人疯狂地跑过去拥抱,可是最终只有三五个男人可以如愿,大多数男人都扑了个空,白跑一趟。

  你们是怎么理解的呢?

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