深入理解三极管

三极管的疑问：

三极管是经常应用的一个电子元器件，在模拟电路中经常利用其工作在线性区来做信号处理电流放大等，在数字电路中又会利用其工作在饱和区截止区来作为开关控制。作为开关使用，除了在数字电路中应用以外，还多用于电力电子中用作功率处理，常见有开关电源、逆变器等。然而，很多资料对三极管的介绍常常太过简单或不够深入

三极管的由来

双极性晶体管，全程双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），也就是我们常说的三极管。三极管的发明在电子学历史上具有革命意义，1956年，威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）因为三极管的发明工作被授予诺贝尔物理学奖。

在讲解其工作原理之前，先简单的介绍下半导体物理中的一些基本概念。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质，在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。电子半导体器件所用的材料大部分为硅、锗等在元素周期表中处于金属非金属交界处的四价元素。

本征半导体 (intrinsic semiconductor))是指完全不含杂质的纯净半导体。因为不含杂质，其中的载流子仅仅只靠本征激发产生，其导电性很差。与之对应的是非本征半导体，根据掺杂不同分为N型半导体和P型半导体。

图1 本征半导体

N型半导体是指在本征半导体掺入+5价元素（如P、Sb等）的半导体。由于加入了最外层为5个电子的元素，在形成共价键后会多出一个电子，这个电子就成了自由电子。半导体因为掺杂而多出了载流子为自由电子，所以称为N型半导体。在N型半导体中，电子为多数载流子。

图2 N型半导体

P型半导体是指在本征半导体中掺入了+3价元素（如B、Al）的半导体。由于加入了最外层为3个电子的元素，在形成共价键时会多出一个“空位”。周围的电子会填充这个“空位”，看起来就像是“空位”在移动，我们称这个“空位”为空穴。因为载流子空穴显现出正电特性，这种半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴为多数载流子。

图3 P型半导体

PN结

PN结的形成

扩散运动:扩散运动就是物质从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象。

空间电荷区:单纯的P型半导体或者N型半导体是没有办法达到我们所说的单向导电性。但是当两种半导体合并在一起的时候，因为P型半导体掺杂的是三价B（硼元素），多子是空穴，而N型半导体多子是自由电子，所以当合并到一起的时候，就会彼此发生扩散运动。但是扩散运动并不会永无止境的进行。直到形成如下图的空间电荷区。
空间电荷区的电场方向从N→P，所以对于两方的多子来说，内电场也就是空间电荷区会变成阻碍双方多子的扩散势垒。但是内电场对于彼此的少子而言，又是一个加速电场，双方少子在内电场作用下的运动就是漂移运动。

而所谓的空间电荷区也就是我们口中的PN结啦。

对称结:P型半导体和N型半导体掺杂杂质浓度相同并形成PN结的时候，PN结是对称的，而当一方掺杂杂质浓度较少的时候，浓度较小的一方结较大，此时不对称。

PN结的单向导电性

外加正向电场:P接正极N接负极，此时外电场与内电场方向相反，势垒的作用会被抵消，但是只抵消一点内电场，多子的运动还不够明显，当外电场到达一定值的时候，多子的运动（电流）再随外电场的增加而成指数增加，此时的外电场电压就是PN结的开启电压。

外加反向电场:P接负极N接正极，此时内电场和外电场方向相同，PN结被加厚，双方多子的运动被进一步限制，但是漂移运动被加强，漂移运动产生的电流就是漏电流。漏电流极其微小，一般在几uA。


PN结的电流方程
I=Is*（e^U/Ut-1）
Is为反向饱和电流（漏电流）
U导通电压
Ut温度当量。室温取26mv

PN结的导通特性
正向特性:带死区电压，正向电压超过死区电压之后，电流成指数增加

反向特性:低于击穿电压只有反向的漏电流，当高于击穿电压的时候，二极管被击穿，电流瞬间变大，可用作稳压。

雪崩击穿:当掺杂浓度较低的时候，PN结较宽，外加反向电压变大，PN结就成为了一个粒子加速器，双方少子经过加速之后获得很大的能量，这个能量大到足以打散共价键，就会产生更多的电子与空穴，此时电流瞬间变大，这个击穿的过程也就是雪崩击穿。温度越高，雪崩击穿所需要电压越高，因为晶格结构的震动使粒子很容易撞在共价键上，加速时间变短所以需要更大的电压。

齐纳击穿:当掺杂浓度较高的时候，PN结很窄，反向电压变大，PN结窄场强很大，价电子可以直接从共价键中拉出来。温度越高，齐纳击穿所需要的电压越低。

通过控制掺杂浓度，可以控制击穿电压，掺杂浓度越高击穿电压越低，此时是齐纳击穿，掺杂浓度越低击穿电压越高，此时是雪崩击穿。

PN结之间的电容效应
电容是表征电量与电压之间的关系，PN结一边是负电荷，一边是正电荷，而且随着电压的增大，PN结变变宽或变窄，与电容的特性相同，这个电容发生在势垒里面，称为势垒电容。而PN结的两侧的电荷量也随着电压的变化而变化，所以PN结两侧也存在电容，这个电容叫做扩散电容，他是由非平衡少子和电压之间的关系构成的。

三极管又称作双极性晶体管（BJT）。

结构及类型：构成方式：如下图
    如上图的a和b晶体结构，先看图b，从图上来看的话，三极管的发射区与集电区是完全对称的，那为何不能两边对调使用的？图中并没有将三极管的晶体结构完全细节的表现出来。发射极，故名思意，发射电子的地方，所以发射区的掺杂浓度就要做的很高，集电极，收集电子的区域，所以集电区的掺杂浓度比较低。所以两者的主要区别在于掺杂浓度不同。再看图a，从图中我们可以看出，P型半导体最薄，也就是基区，其次是发射区，最后体积最大的是集电区。

这里提出一个问题：为什么要把基区做的这么薄这个问题我们在下面的分析中会得到答案。

三极管有两个PN结，基区与发射区组成的PN结叫做发射结，基区与集电区组成的结叫做集电结。

我们再看其符号，三极管分为两种，NPN型三极管和PNP型三极管，相比于NPN型三极管，PNP的造价稍高。初学者常常无法分清两个三极管的符号，其实很简单，看箭头的方向，箭头方向代表P→N，例如NPN型三极管，箭头往下，中间也就是基区P，所以就是NPN。其次是三个字母代表的三个极。e发射，b basic基极，c collect 集电极。

所以总结一下：一个三极管，三个区域，三个电极，两个PN结，PN结前面几篇文章讲的很详细了，不清楚的小伙伴可以翻翻我之前的几篇文章。

工作时，内部载流子运动（如何放大的）为了方便理解，需要使用一个最为常见的三极管的电路。基本共射放大电路如下图。

    其实从图中可以看出来，说他是放大，不如说是电源控制器更为贴切。能量是守恒的，因为是共射极输入，所以是Ic对Ib进行放大，而这个放大的能量来源是直流电源Vcc。前面我说的可以不懂，看限免就行了。这里不考虑为什么这么接，只考虑这么接了之后，三极管内部电流是怎么流通的。看下图。

    首先，已知的是VCC>VBB。所以两个结的偏置状态正好相反，基区的电压大于发射区，所以发射结正向偏置，简称正偏，而集电结正好相反，反向偏置简称反偏。上图中，自上而下分别是集电区，基区，发射区。

1.先看IEN基区与发射区的的发射结正向偏置，那么扩散运动就可以进行，因为发射区的掺杂浓度特别高，所以很多很多的自由电子扩散到基区里面，基区是空穴的天下，但是不能将发射区扩散过来的自由电子全部都与空穴复合了，所以基区做的薄而且掺杂浓度低，发射区扩散过来的电子数目远远高于基区内空穴的数目，所以扩散过来的电子只有很少一部分与基区内的空穴复合，这个电流就是IBN,而剩下的自由电子呢？这个时候不能忘记的是集电结反偏，反向偏置的时候对于多子的扩散运动有阻碍，但是却是少子的粒子加速器，此时基区内的自由电子比它的多子还要多，经过集电结的作用，自由电子全部被抽到了集电区，这个很大的电流就是ICN。ICN和IBN组成了IEN。

2.IEP发射结正偏，基区内的多子——空穴的扩散运动。这个电流很小。

3.ICBO集电结反偏，基区与集电区少子的扩散运动，这个电流也特别小。Ic=Icbo+Icn    Ib=Iep-Ibn-Icbo        Ie=Iep+Ien

放大系数

共射放大系数

直流放大系数为β⑧（β上面加个横线）=ICN/IBN=(IC-ICBO)/(IB-ICBO)(自动把IEP忽略了，因为太小了)≈IC/IB

交流放大系数β=ΔIC/ΔIB

当基极开路的时候有一个ICEO，ICEO产生的原因是因为基极开路的时候集电结反偏，双方少子有漂移运动，基区的电压就慢慢上升，当电荷积累到一定程度，会使得发射结正向偏置电压高到足以导通发射结，此时发射区电子扩散至基区，（基区的部分空穴扩散至发射极在此忽略，不忽略也不影响最终关系）少部分电子与空穴复合，而大部分电子飘移至极电区，它们两之间的数量比近似为1：β。则有βQcb的电子穿越集电结。设这一过程用时为T

则Iceo=（1+β）Qcb/T，而飘移速率Qcb/T基本恒定，且等于lcbo。

所以lceo=(1+β)lcbo
ICEO成为穿透电流。

射极开路有一个ICBO，CB端接反向电压所得恒定（当温度一定）电流，名曰集电结反偏电流。

直流放大系数和交流放大系数基本相等。所以统一用β代替。

共基极α=IC/IE=β/1+β