深入理解模电-2 三极管

1. 从二极管到三极管 

前序——二极管与PN结： 

深入理解模电-1 PN结与二极管_电子异术家的博客-CSDN博客一切都要从半导体物理说起，从PN结说起https://blog.csdn.net/yyyyang666/article/details/129557682

         LINK：22 晶体管的部件Parts of a transistor Khan Academy_哔哩哔哩_bilibili

• 发射结正偏，集电结反偏。
• 发射结-正向导通的PN结
  • 发射区：掺杂浓度高，从而电子浓度很高(NPN)
  • 基区：薄、掺杂浓度低，从而空穴数量就很少(NPN)

        从而使得工作时，正偏的发射结可以看成一个正向导通的PN结，大量电子进入到基区，但是基区很薄，大量电子直接到了前面集电结区域。且基区掺杂浓度很低，只有很少的电子和空穴复合，形成很小的基极电流。

• 集电结-反向导通的PN结
  • 发射区：掺杂浓度高，从而电子浓度很高(NPN)
  • 集电区：面积大

        从而使得工作时，反偏的发射结可以看成一个反向导通的PN结，从发射级来的大量电子穿过发射结，由于基级很薄，直接进入集电结区域。而电子在基区是少子，基区是P，反偏的PN结电流又只和少子有关，且反偏时内建电场宽度很大，故就有了很大的反偏电流，实现了放大。

        为了使反偏电流大时，反偏的集电结不会被烧毁，因此把集电区面积做大，使得其温度上升的不会那么快，以免引发热击穿；同时掺杂浓度低，掺杂浓度越低，反向击穿电压则越高（齐纳二极管高参杂，使其击穿电压低）

相关问题1：能否用两只二极管相互反接来组成三极管? 为什么?

       否;两只二极管相互反接是通过金属电极相接，并没有形成三极管所需要的基区。

密接触的2个二极管，才是三极管

        多亲密才行？

        基区宽度，必须远小于基区少子的扩散长度。给出典型值感受一下，前者是2微米，后者是30微米，相差15倍，满足远小于的要求。

        从发射区扩散到基区的电子，只有不足1％的能与空穴复合，都直接穿过了整个基极，进入了下一个PN结的耗尽层，因为相比于扩散长度，基极太窄了。这完全不同于单PN结中的情况：扩散越过耗尽层的电子，大多都会与空穴复合。

        这意味着，这2个PN结，由于共用一个极窄的基区，已经深度地相互影响，必须合为一个整体来分析。量变积累成质变，一种新的器件即将诞生！

 

Ref. 三极管1：BJT原理漫谈 - 知乎 (zhihu.com)

相关问题2：晶体管“电流控制电流源”的实质

看似电流控制，实为电压控制

        BJT三极管，表面上是一个电流控制器件，实质上是一个电压控制器件。

表面上，存在关系式Ie=β*Ib ，计算简便；而且BJT的电路简化模型，也是依据这个公式。正是如此，才导致流控的观点，越发流行，几乎成了共识。但是，用来理解三极管的原理，就是一个大坑；木旦文本人，蹲此坑多年，经验丰富。此关系式与简化模型，只是为了硬件工程师用起来方便，不是用来理解原理的，简化过程可能违背了原理。

        从原理实质上，其实是电压Vbe同时控制Ie与Ib，即一个电压控制着两个电流。先是Vbe削弱了发射结的内建电场，然后扩散强于漂移，发射区多子电子扩散进入基区形成Ie，同时，基区多子空穴扩散进入发射区形成Ib；先与后，因与果，非常清晰，无法颠倒。Vbe通过控制发射结的内建电场，同时控制Ie与Ib，这两个电流是平级关系，谁也控制不了谁。

犹如，一个水库里，一个超宽水闸，同时控制2个不同宽度的水平并列的泄洪口，宽度比是10:1。只要测量窄口的水流量，乘以10就是宽口的水流量。

        路过水库的人，一看就明白，是水闸的抬起高度，同时控制着两个口的水流量；少有人会相信，是窄口的控制着宽口的。

 

 Ref. 三极管1：BJT原理漫谈 - 知乎 (zhihu.com)

2. 晶体管的符号、电流关系

        LINK： 23晶体管电路符号Transistor symbol Khan Academy_哔哩哔哩_bilibili

         晶体管的符号起源于第一个晶体管的样子。很明显基级就是一块大板子作为基础。所以有了名字和画法。

         通过之前的原理理解，很容易就得到了三极管的电流关系。

        放大倍数β是一个固定的参数，极大程度取决于晶体管发射级和基级掺杂浓度之比和基极的宽度。

3. 输出输入特性

        此节建议参考 上交大 郑益慧 07-BJT特性曲线共射_哔哩哔哩_bilibili 

输入特性 

正确的描述输入特性的曲线

假设VBE=0.7V不变

• VCE=0时，此时发射结和集电结都正偏，相当于两个PN结并联形成的一个PN结
• VCE逐渐增加时，集电结正偏电压逐渐减小，故IB下降
• VCE增加至集电结反偏时，晶体管呈现放大状态。此时IB的电流源于发射结的少量电子在基区复合形成的，绝大多数电子则被“捕获”漂移进入集电结。再增大VCE，更多的电子被“捕获”，IB进一步略微减小，直达后面也不会有太大的变化了。

输出特性

        从外电路角度分析：水平离开饱和区，集电极电流Ic迅速增大、直至不变

        首先，IB不等于0，意味着BE导通且正偏。而由于UCE很小，因此所谓的饱和区正是发射结正偏，集电结也正偏的状态。因此，此时UCE电压增大，相当于增大外接电阻RE电压，使得IC增大。注意此时在饱和区，IC不由IB控制。

        从内电路角度分析：水平进入饱和区后，集电极电流Ic迅速减小、直至归零

        基极电流Ib是由两部分组成的，基区多子向发射极扩散形成Ibe，向集电极扩散形成Ibc，即 Ib=Ibe+Ibc。

        当发射结正偏、集电结反偏时：Ibc极小可以忽略，Ibe是绝对的主力。

        当发射结正偏、集电结正偏时：Ibc迅速增加，不能再被忽略了；此时基极外接的恒流源为保证恒流，必须自动降低电压Vb，Ibe随之迅速减小、直到可忽略。

        所以，恒流源可以控制电压Vb，从而控制了发射极的发射。

        更概括一些：集电结正偏的增强，导致发射结正偏被减弱，导致发射减弱、直至枯竭，所以电流归零。釜底抽薪，这是最快捷，最有效的方式。

 

Ref. 三极管3：BJT放大区中的「楔形危机」 - 知乎 (zhihu.com)

 

进一步深入理解各个区域的划分

        各个区域划分的对象，不是Ic与Vce的关系，而是Ic与Ib的关系。

 垂直路径进入“饱和区”，才是理解“饱和”的正确方式

        此时Vce不变，使得Ib从0逐渐增大，工作点垂直上升，从截止区出发，穿过放大区，进入饱和区后，Ic虽然还是增大，但是增速趋缓，直至Ic基本不变，即Ic趋于饱和。

 

Ref. 三极管2：进入饱和区，路在何方 - 知乎 (zhihu.com)

        LINK：27 NPN晶体管的放大、饱和和截至状态Active, saturation, & cutoff state of NPN transistor_哔哩哔哩_bilibili

        在饱和区时，VCE很小，几乎等于0，可以看作CE之间短路。而在截止区内，VCE达到了最大值VCC，故可以看作CE之间断路。 由此性质可以利用晶体管作为开关。