3极管工作原理（三极管的工作原理讲解）

关于三极管，相信搞硬件的都应该看过基本原理。既然我们在借鉴过去的同时也在借鉴过去，不如带着疑问去看待它们。

我这里准备了几个问题。让带着这些问题往下看吧。

为什么集电极结会反向导通，产生Ic，这似乎和二极管原理强调的PN结单向导通相矛盾。

为什么集电极电流Ic在放大状态下只受电流Ib控制而与电压无关；也就是为什么Ic和Ib之间有固定的放大关系。虽然基区薄，但只要Ib为零，Ic也为零。

在饱和状态下，当Vc电位很弱时，仍然会有反向大电流Ic。

以上三点是为了什么？

很多教材在讲解方法上对这部分内容处理不当。尤其是针对初、中级学者的热门教材，大多采用回避的方式，只给出结论，不给出理由。

即使在专业性很强的教材中，所采用的大部分解释方法仍然存在一些值得商榷的问题。这些问题集中表现在讲解方法的角度不恰当，使得讲解内容前后不一致，甚至导致了会讲不如不会讲的效果，让初学者看完之后感到一头雾水。

#传统谚语和问题

传统的方法一般分为三步，以NPN型为例(以下所有讨论都以NPN型硅管为例)，如下图所示。

发射区将电子注入基极区；

基区中电子的扩散和复合；

集电极区域收集从基极区域扩散的电子。

问题1:第三步，这种解释方法解释了集电极电流Ic的形成原因，而不是从载流子的性质着眼于集电极区的反向导通，从而产生Ic，不恰当地强调了Vc的高势效应，同时强调了基区的薄。这种强调很容易导致误解。认为只要Vc足够大，基区足够薄，集电极结就可以反向导通，PN结的单向导通就会失效。其实这正好和三极管的电流放大原理相矛盾。三极管的电流放大原理要求Ic和Vc在放大状态下必须在量上独立，Ic只能由Ib控制。

问题2:它能不能很好地解释三极管的饱和状态。三极管工作在饱和区时，Vc的值很小，甚至低于Vb。此时仍有较大的反向饱和电流Ic，也就是说，当Vc很小时，集电极结仍会有反向导通。这显然与强调Vc的高潜在效应相矛盾。

问题3:传统方法的第二步过于强调基区的薄，容易给人一种基区薄到足以支撑三极管集电极结反向导通的误解。只要基区足够薄，集电极结就可能失去PN结的单向导电性。这显然与人矛盾利用三极管内部两个PN结的单向导通性判断管脚名称的经验。即使基区很薄，但人们在判断pin名称时，并没有发现PN结的单边导电性是因为基区薄而失效的。基区很薄，但两个PN结的单向导通仍然完好，这就使人们有了判断三极管管脚名称的方法和依据。

问题4:第二步，为什么Ic受Ib控制，为什么Ic和Ib有固定的比例关系，无法直观解释。它只是从工艺上强调基区的薄和低掺杂度，可以不能从根本上解释为什么现在的放大倍数会保持不变。

问题5:打破二极管和三极管原则上的自然连接可以不能实现内容的自然过渡。甚至会让人产生矛盾的想法。二极管原理强调PN结单向反向关断，三极管原理要求PN结可以反向导通。同时，它可以不能反映晶体管和电子之间的历史关系

很明显二极管处于反向偏置状态，PN结被截止。我们应该特别注意这里的截止状态。实际上PN结截止时，总会有一个很小的漏电流，也就是说PN结中一直存在反向关断现象，PN结的单边导通并不是100%。

为什么会出现这种现象？

这主要是因为除了多数携带者孔由兴奋剂在P区，总会有极少数的本征载流子电子。N区也是如此。除了大多数载流子电子之外，还会有非常少量的载流子空穴。

PN结反向时，正向可以导电的多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，多数载流子不再能承担通过PN结载流导电的功能。

所以这个时候漏电流的形成主要靠少数载流子，起导电作用。

从上图可以看出，PN结内部电场的方向是从N区到P区，这个内部电场起到了促进少数载流子穿越PN结的作用。

漏电流很小，因为少数载流子的数量太少。显然，此时的漏电流主要取决于少数载流子的数量。如果要人为增加漏电流，只需要想办法增加反向偏置中的少数载流子数量。

所以如图所示，如果可以在P区或N区人为增加少数载流子的数量，自然漏电流就会人为增加。

其实这就是光电二极管的原理。

光电二极管和普通光电二极管一样，其PN结具有单向导电性。所以光电二极管工作时要加反向电压，如图所示。

无光时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为110-8 —110 -9A(称为暗电流)，相当于光电二极管的关断。

当有光时，PN结被光子轰击，半导体中的束缚价电子吸收光子能量，被撞击产生电子-空穴对。这些载流子的数量对多数载流子影响不大，但对于P和N区的少数载流子，少数载流子的浓度会大大增加。在反向电压的作用下，反向饱和漏电流会大大增加，形成光电流，光电流会随着入射光强的变化而相应变化。

当光电流通过负载R时，在电阻两端将获得随入射光变化的电压信号。光电二极管就是这样完成电功能转换的。

光电二极管工作在反向偏置状态，因为光可以增加少数载流子的数量，所以光会导致反向漏电流的变化。人们利用这一原理制造光电二极管。由于此时漏电流的增加是人为的，所以漏电流的增加很容易被人为控制。

2、强调结论

在这一点上，我们必须重点讨论PN结正向和反向偏置时多数载流子和少数载流子的作用和性质。当偏压为正时，多数载流子载流导电，当偏压为负时，少数载流子载流导电。因此正向偏置电流大，反向偏置电流小，PN结呈现单向电性。

特别需要强调的是，少数载流子在反向偏压下很容易通过PN结，甚至比多数载流子在正向偏压下更容易通过PN结。

为什么？

众所周知，PN结内部存在多数载流子扩散产生的内电场，内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过。因此，多数载流子通过PN结时，需要克服内部电场的影响，这就需要施加0.7伏左右的电压，这是PN结正导通的栅压。

当偏置反向时，电源下内部电场会加强，即PN结会增厚。当少数载流子反向通过PN结时，内部载流子的方向

这个结论可以很好地解释前面提到的问题2 ，也就是教材下面内容要提到的三极管的饱和状态。三极管饱和时，集电极电位很低甚至接近或略低于基极电位，集电极结处于零偏置，但仍然会有很大的集电极结反向电流Ic。

3、自然过渡

继续讨论PN结的反向偏置状态。

通过控制照明产生的少数载流子的数量，可以人为地控制漏电流。在这种情况下，人们自然会想到是否可以改变控制方式，用电注入代替光照来增加N区或P区的少数载流子数量，从而控制PN结的漏电流。

也就是说，代替光方法，电流由电方法(光增加本征载流子，电注入后期增加掺杂载流子，本征载流子成对出现，是电子-空穴对，正负对应。这不同于掺杂载流子)。

接下来，我们将重点讨论P区，这里的少数载流子是电子。用电注入的方法把电子注入P区，最好的办法是在P区下面加一个N型半导体，用特殊的工艺，如图所示。

其实上图就是NPN晶体管的原型，其对应部分的名称和功能都和晶体管一模一样。

为了讨论方便，我们将直接使用与三重奏相对应的名称(如发射极结，收藏家等。)为下图所示的各个部分的名称。

底部发射区中的N型半导体中的电子作为多数载流子大量存在。而且，如图所示，只要发射极结为正偏置，很容易将电子从发射极区注入或发射到P区(基极区)。

具体地，在基极和发射极之间施加足够的正向栅极电压(大约0.7V)就足够了。在外加栅电压的作用下，发射区的电子可以很容易地发射并注入基区，从而改变少数载流子的数目电子在根据地。

4、集电极电流Ic的形成

在用正偏压接通结后，发射极区中的多数载流子——电子将很容易被外加电压发射到基极区中。

这些载流子一旦进入基区，其在基区(P区)的性质仍然属于少数载流子的性质。如上所述，少数载流子在反向偏置状态下很容易穿过PN结，所以这些载流子——电子在反向偏置状态下会很容易向上穿过集电极结到达集电极区形成集电极电流Ic。

可以看出，集电极电流的形成并不一定依赖于集电极的高电位。集电极电流的大小主要取决于发射极区载流子向基极区的发射和注入，并取决于这种发射和注入的程度。这种载流子的发射注入程度与集电极电位无关。

这自然可以解释为什么三极管处于放大状态时，集电极电流Ic与集电极电位Vc无关。在放大状态下，Ic不受Vc控制，Vc的作用主要是维持集电极结的反向偏置状态，以满足三极管放大状态所需的外部电路条件。

对于集成电路，可以得出以下结论：集成电路的本质是少数承运人电流，这是人为可控的集电极结泄漏通过电子注入实现的电流，因此它可以很容易地通过集电极结反向。

5、Ic和Ib之间的关系

在下面的讨论中，集电极电流Ic与集电极电位Vc无关，主要取决于发射极区载流子对基极区的发射注入程度。

通过上面的讨论，现在已经清楚了，三极管内部的主要电流是由载流子电子在电流放大状态下经过发射极区、基极区，然后经过集电极区形成的。即流经三极管的电流Ic主要是电子电流。

这种穿透式电子流，很像历史上的电子三极管。下图是电子三极管的原理图。curre原则

很容易理解，电子三极管Ib和ic的固定比例关系主要取决于电子管的栅极(基极)结构。

当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，通过电子管的电流主要是通过栅极从发射极到集电极的电子流。当电子流穿过栅极时，很明显栅极会对其进行拦截，拦截时存在一个拦截比的问题。

拦截比的大小主要与网格的密度有关。如果网格密集，其等效拦截面积就大，拦截比自然就大，导致拦截的电子流更多。反之，截取比越小，截取的电子流越少。

栅极截获的电子流实际上就是电流Ib，其余通过栅极到集电极的电子流就是Ic。从图中可以看出，只要确定了网格的结构尺寸，那么就确定了截止比，即Ic与Ib的比值。

所以只要管道内部结构确定了，这个比例就固定了。可以看出，电流放大的值主要与栅极的密度有关。网格越密，截留率越大，对应的值越低；网格越细，拦截比越小，对应的值越高。

实际上，晶体管的电流放大关系类似于电子晶体管。

晶体管的基极相当于电子晶体管的栅极，基区相当于栅极，但晶体管的栅极是动态的，不可见的。在放大状态下，当流过整管的电子流经过基区时，基区的作用就像电子管的栅极，会对电子流进行拦截(当电子经过基区时，会与基区的空穴复合而消失)。

如果基区做得薄且掺杂程度低，基区中空穴的数量将少，因此空穴对电子的阻挡流将小，这相当于电子管的栅极相对稀疏，而阻挡流将大。

显然，只要确定了晶体管三极管的内部结构，电流截止比也就确定了。因此，为了获得较大的电流放大系数，使值足够高，在制作三极管时，应将基区做得很薄，并将其掺杂度控制得很低。

与电子管不同，晶体管截止主要是通过分布在基区的正电荷空穴中和穿透电子流中的负电荷电子来实现的。因此，截流的效果主要取决于基区的孔数。

此外，这个过程是一个动态的过程。孔不断被“中和”。电子，而孔由外部电源不断补充。在这个动态过程中，等效总孔数是不变的。基极空穴的总数主要取决于基极区的掺杂程度和厚度。只要确定了晶体管结构，就确定了基极空穴的总定额，也就确定了其对应的动态总。

这样，截止比被确定，并且晶体管的电流放大因子的值是固定值。这就是为什么在放大状态下三极管的电流Ic和Ib之间存在固定的比例关系。

6、截止状态说明

该比值表明，电流Ic在放大状态下受电流Ib以固定比值控制，而这个固定的控制比值主要取决于晶体管的内部结构。

对于Ib等于0的截止态，问题更简单。当Ib等于0时，说明外部电压Ube太小，达不到发射极结的栅极电压，没有载流子的发射注入电子进入发射极区的基极区。所以此时既不会有电流Ib，也不会有电流Ic。

另外，从纯数学的电流放大公式更容易推导出结论，Ic=Ib，Ib为0，显然Ic也为0。

#新教学法中应注意的问题

以上，我们讨论了用新的角度切入三极管原理的解释方法。特别是，收集的原因

其实从二极管PN的反向截止特性曲线很容易看出，只要将这条特性曲线转过180度，如图所示，其情况与三极管的输出特性非常相似。

这说明二极管和三极管在原理上是有联系的。所以在解释方法上选择这样一个切入点，从PN结的反向偏置状态入手来讲三极管，是非常合适的。而且这样的解释会让问题通俗易懂，生动形象，前后内容自然和谐。

这种方法的缺点是从PN结漏电流入手，容易混淆本征漏电流和放大电流的概念。

本征载流子对电流放大没有贡献，本征载流子的电流对晶体管特性的影响往往是负面的，需要克服。晶体管的电流放大主要是通过掺杂载流子实现的。注意概念上的区别。

另外需要注意的是，从本质上来说，晶体中载流子的问题并不简单，它涉及到晶体的能级分析、能带结构和载流子运动的势垒分析。所以，不仅仅是找到一两种可以做成PN结和晶体管的导体或带载流子的半导体，晶体管的实际制造工艺也不是那么简单。

这种解释方法主要是在不违背物理原理的前提下，尽量把问题简单化，尽量让问题容易理解和接受。这是这种解释方法的主要意义。

原标题：本文深入剖析了三极管的工作原理！

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审计唐子红