半导体的基础-三极管的工作原理，史上绝无仅有的理解方式

半导体的器件的根基：晶体三极管（三极管，mos管等），所有的模拟电路用他们的线性区，所有的数字电路用他们的饱和区和截止区。

本文适合电类学科的大中专及以上的人士阅读，最好是已经学完了模电，但是仍旧不能实质性的搞清楚三极管放大原理，又抱有好奇心的同学阅读。对于还没有学习的模电的同学，建议先学完模电再看，不然很多概念会把人搞死。

关于模拟电路这门科学的学习，建议系统的学习《Analysis and design of analog integrated circuits》, P.R. Gray, P.J. Hurst, Lewis and R.G.Meyer. 4TH.这本书。

该书是模电的经典教材，要看英文原版的，不能看翻译版的，翻译的很多关键的难理解的地方也是糊弄过去的，十分影响原文的理解。

有人说这书好难看。如果畏惧这么点艰难，那就不要学它啦。

另外，国内近40年之内出版的模电教材，大多数都是做了很多简化，有的鱼龙混杂，最好不要接触，容易被带偏。

《三极管工作原理分析，精辟、透彻，看后你就懂》三极管工作原理分析，精辟、透彻，看后你就懂_Ralap Zhong的专栏-CSDN博客_三极管工作原理

上面这篇文章已经讲的很好，在此对博主表示崇高的敬意。

顺便对上文中我认为的核心思想做个一句话的总结：对于NPN三极管，通过某些技术大量增加反偏PN结P区少子的浓度，来大大提升少子产生的漏电流的数量级，形成Ic。

下面我也结合着自己的理解，做一些分析。

本文十分不严谨，只是期待在不违反物理原则的前提下，试图把问题尽量地简化，尽量做到浅显易懂，以便于理解与接受。同时通过本文的写作，也锻炼自己对这部分知识的理解深度。怀着与同行共同探讨的愿望把它写出来，以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。

神奇的半导体

单质就是由同种元素组成的纯净物质。半导体就是单质，常见的半导体有硅单质，锗单质。

自然界的物质从导电性能上分可分为：

1、导电性能好的导体物质；

2、导电性能差的绝缘体物质；

3、和介于导体绝缘体之间的半导体物质

第三种物质的神奇之处就在于，通过某些技术手段，它的导电性能可控，这种技术手段可以使第三种物质快速的转变成导体或者绝缘体。这种技术就是半导体技术，即半导体加工的各种技术，包括晶圆的生长技术、薄膜沉积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术。

半导体相关的部分概念

本证半导体：纯净的半导体物质，如硅，锗。

N型半导体：在本证半导体中掺杂五价元素形成的混合物。（他们没有进行化学反应）

P型半导体：在本证半导体中掺杂三价元素形成的混合物。

N、P型半导体中载流子的情况：常规条件下，N型中自由电子远远多于空穴，P型中空穴远远多于自由电子。

多子的概念：

N型半导体中通常自由电子浓度大于空穴浓度，有时候也可以反过来。但是我们还是将自由电子定义为N型半导体的多子。

P型半导体中通常空穴浓度大于自由电子，有时候也可以反过来。但是我们还是将空穴定义为P型半导体的多子。

上面概念中的“有时候可以反过来”，会很让人迷惑，但是这也正是三极管工作原理的核心关键点所在。所以先来稍作解释，以P型半导体为例,在P型半导体中，什么情况下自由电子的浓度大于空穴的浓度呢？如果我通过一种技术，将P型半导体注入大量的自由电子，直到自由电子的浓度大于空穴的浓度，此时就反过来了。即使此时P型半导体中的空穴浓度小于自由电子，但是仍然要把空穴叫做多子。这种技术如何实现呢，其实就是三极管所采用的技术，后面会细说。

上面啰嗦了一大堆，感觉很绕口也很绕脑子，目的就是想强调一点：注意多子的概念，多子通常比少子浓度大，也有可能比少子浓度小。

二极管的工作原理

在上面的基础上展开二极管的工作原理，在二极管中，反偏阻止浓度高的多子通过PN结，促进浓度低的少子通过PN结；正偏促进浓度高的多子通过PN结，阻止浓度低的少子

二极管工作时，一切都是常规的，多子浓度确实比少子浓度多。

图1 二极管反偏的情形（偷懒从网上找的图片进行加工）

反偏时，耗尽区的内建电场变宽，电压降变大，约等于自建电场压降加上电源电压。这新的电场方向从右到左。对于左边P型区域红色空穴多子，由于浓度远远大于耗尽区，产生扩散运动闯入耗尽区，但是耗尽区的电场排斥它，让它减速到退回P型去，对于右边的N型区的多子电子也是这样的。这就是说，反偏时候，多子被PN结的电场阻挡了，无法通过。但是对于少子而言，左边的少子是电子蓝色的，它在P区的浓度远远小于多子空穴，但是仍旧比耗尽层的电子浓度大，因此仍旧会向耗尽层扩散，电子如果扩散到了耗尽层，会受到内建电场的强烈吸引穿过PN结到N区；对于右边的少子空穴也是这样的。这就是说，反偏时候，少子产生强烈的漂移运动穿过PN结形成漏电流。但是少子浓度低，漏电流等级很小。此时，如果人为的注入P区少子--自由电子，那么这个自由电子也会被耗尽区电场加速通过PN结，此时的漏电流就会非常大了，这一点对于后面讲述三级管的工作原理非常重要。

正偏时，耗尽区内建电场变窄，自建电场压降大大降低，外加电场方向在PN结上向右，自建电场方向向左，所以加在 PN结上的电压约等于外加电压减去自建电压，方向同外加电场方向，朝右。此时左边P去的多子空穴扩散到耗尽区后，得到电场加速，穿过耗尽区，右边的多子电子也是这样的，这个电流就是正向导通电流。左边的少子是空穴，右边的少子是自由电子，他们受到PN结电场的排斥作用，不能通过，这样，正偏导电是多子导电，电流比较大。

三级管的工作原理

以NPN型三级管为例，如下图2所示。

图2 NPN三极管内部示意图

P区掺杂的浓度非常低，图2示意图的P区画的比较稀疏来表示，P区多子是空穴，相对少子多不少，图中8个小圆圈代表P区的多子空穴，两个小黑点代表P区的少子自由电子。但是由于掺杂浓度低，即使是多子空穴的浓度也远远低于N区多子自由电子的浓度。

两个N区掺杂浓度较高，多子是电子，所以自由电子浓度比较高。里面大量的小黑点代表多子自由电子，少量的小圆圈代表少子空穴。

给BE加正向电压，其就是一个正向导通的二极管，大量的E极的多子自由电子穿过下面的PN结，进入基区，这时候基区的少子自由电子的浓度急剧增加，远远超过多子空穴的浓度，并且基区掺杂浓度低，所以空穴浓度也低，中和电子的能力低，虽然中和了，但是基极电源源源不断的供给正电荷，保持基区的空穴浓度平衡，从而形成基极电流Ib。

此时由于基区聚集了大量少子自由电子，而上面的PN接是反偏的，根据二极管的工作原理分析，反偏二极管极大的促进少子流过PN结，所以，此时基区的大量少子电子除了少部分成了Ib流入基极电源，剩下的自由电子流过上面的PN结形成Ic。

至此我们定性的搞清楚了，NPN三极管BE的PN结正偏置，BC的PN结反向偏置，会产生很大的IC，和很小的Ib。但是并没有搞清楚为什么是Ib控制Ic？这个问题就要用基于半导体物理学的数学建模来分析了，如下图3所示;

图3 Ie电流推导

由图3的推导，可知，基极电流在小信号下是线性的控制Ie的，且系数较大，基本稳定。这里偷下懒，不做更具体的解释。读者仔细琢磨上面的推导吧。

即PN结电流的大小Ie受Ib控制，而Ib的大小受外电路特性控制，Ib是控制Ie的把柄，或者把手。

NPN三级管的原理已经分析完了，PNP三级管的原理核心思想跟NPN是一样的：通过CE之间的PN结正偏，大量向基区注入少子，高浓度的少子在基区产生扩散运动，闯入CB之间的PN结，在PN结中被电场加速(即漂移运动)，进入集电极，形成Ic。

对于PNP三级管，看着下面的两个图来理解如下的文字：

集电极和发射极是P型半导体，多子是空穴，掺杂浓度高；

基极是N型半导体，掺杂浓度低，多子是电子，浓度远远低于P区空穴浓度，这就是放大状态是，基极电流很小的原因，

基区的少子空穴的浓度更低，但是放大运行时，稍低浓度大大增加，增加到比P区多子浓度可能还高或者差不多一样的浓度。

为了保证基极发射极的PN结正偏，从而给基极注入大量的少子-空穴，和为了保证集电极基极PN结反偏，从而增强内建电场而加速闯入这个耗尽区的基区少子空穴；外电路的配置应该入下图所示。

结合下图和上文对NPN三极管的讲解，姐可以理解PNP三级管的原理。

如果第一遍看到这里了，说明你沉下心看了，至少是有点毅力的人啦。

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