作者：Mountain 燕山大學 本科畢業工作5年多, 從事醫療檢測及分析儀器設備相關的硬體電路設計工作。
面對問題的處理方法，大體來說有兩種處理方式，一種是複雜的問題簡單化，那自然另一種是簡單的問題複雜化。很多人都會採取將複雜的問題簡單化，但這樣帶來的後果就是看問題時，偶爾會有種雲裡霧裡的感覺。電晶體的工作原理，說簡單也簡單，說複雜也複雜。今天以略有複雜的方式來一起看下電晶體的工作原理，會提到摻雜半導體、空穴、多子、少子、PN結等在教科書裡出現的概念，還有印象嗎？
一、 兩種類型的摻雜半導體
N-型半導體
N-型半導體是通過在本徵半導體中摻入施主雜質而得到的，通常是在矽中摻入磷。N-型半導體的電子濃度遠大於空穴濃度，而「N-型」也就是來自於電子的負電荷。在N-型半導體中，電子是多子，空穴是少子，如下圖所示。
圖1 N-型半導體
P-型半導體
P-型半導體是通過在本徵半導體中摻入受主雜質而得到的，通常是在矽中摻入硼。P-型半導體的空穴濃度遠大於電子濃度，而「P-型」也就是來自於空穴的正電荷。在P-型半導體中，空穴是多子，電子是少子，如下圖所示。
圖2 P-型半導體
二、 PN結
介紹完了兩種摻雜半導體，PN結也就可以登場了，如圖3所示。在一個晶體半導體內，P-型和N型兩種半導體材料的交界面處形成了PN結。雖說單獨的P-型、N-型半導體是導電的，但在兩種半導體材料中間的PN結卻是不導電的，因為沒有電荷載流子
圖3 PN結
在沒有外部電壓的情況下，一個PN結會達到一個平衡狀態，並會在PN結兩端產生一個電壓差，這個電壓差稱為內建勢壘電壓，Vbi。P型和N型半導體結合後，在兩者的接觸面附近，來自P區的空穴會擴散到N區與電子結合，這時N區開始有帶正電荷的離子。同樣，來自N區的電子會擴散到P區與空穴結合，這時P區開始有帶負電荷的離子。此時在P-N接觸面附近不再是中性的，並且失去了它們的可移動的電荷載流子，也就形成了空間電荷區或者也可以稱之為耗盡層。
圖4 沒有外加電壓處於熱平衡狀態的PN結
由空間電荷區形成的電場會同時阻礙電荷和空穴的擴散過程。這裡會有兩個同時發生的現象，擴散過程會趨於產生更多的空間電荷，而由空間電荷產生的電場會趨於阻礙擴散過程。在圖4中的紅線和劃線分別描述了在平衡狀態下載流子的濃度，同時也展示了建立平衡狀態的兩種相互抗衡的現象。
三、 二極體
介紹完了PN結，輪到二極體上場了，因為二極體就是基於PN結的一種半導體二極體。
二極體反偏的時候，陰極的電壓會相對高於陽極，因此在二極體擊穿之前只有很小的電流流過（不再詳細解釋）。因此二極體的電流只往一個方向流通，也就是正偏的方向。
圖5 二極體電流-電壓特性曲線
如圖5所示，正偏的時候，在達到一個非零的拐點電壓之前，二極體沒有明顯的導通。高於這個電壓後，電流開始以指數的關係增大。只需要一個很小的電壓變化，而電流就可以產生很大的變化。到這裡該引出這個重要的公式了，也就是二極體的直流I-V關係公式：
VD是二極體兩端的直流電壓，IR是反向飽和電流。
Vth是熱電壓，定義為Vth=kBT/q，在T=290K的時候，大約為25mV。
雖說高於拐點電壓以後，電流以指數的關係增大，但電流電壓的曲線斜率不是無限大的，也就是導通電壓不為零，在某些電路裡會使用這個導通電阻的特性。而在反向偏置的時候會有非零的漏電流，當反向電壓足夠大並且超過擊穿電壓以後，二極體的電流會迅速增大。
基本的準備知識都講完了，好好理解一下，現在終於可以開始講電晶體了，以NPN為例。
四、 電晶體
眾所周知，電晶體的不同區域分別為集電極、基極和發射極，對於NPN來說，這三個區域分別為N-型、P-型和N-型摻雜半導體。這三個區域的摻雜濃度是什麼量級的，都一樣嗎？還是有區別？
事實上，三個區域的摻雜濃度有著很大的區別。例如，集電極、基極和發射極三個區域的摻雜濃度分別是1015、1017、1019cm-3量級的。其中N-型發射極的摻雜濃度最高，有著很多的帶負電荷的電子，而P-型基極的摻雜濃度比發射極要少很多，空穴是多子，N-型集電極的摻雜濃度最低。由於PN結兩側有不同的電荷濃度，擴散運動會使電荷載流子穿過PN結，也就形成了電晶體內部的電荷流動。
如圖6所示，是三極體工作在放大狀態下的偏置條件，也就是B-E正偏，B-C反偏。由於B-E是正偏，發射極的電子會穿過B-E之間的PN結進入基極，這時在基極會有過量的電子。實際的電晶體製造工藝要求基極非常窄，因此在理想的情況下，由發射極進入到基極的電子不會與基極的任何一個空穴結合。同時B-C是反向偏置的，在PN結邊緣電子的濃度幾乎為零（參照圖4）。由於在B-C之間的PN結兩側有著很大的電子濃度梯度差異，最初來自發射極的電子會穿過基極進入到B-C之間PN結的空間電荷區，此時由於反向偏置電壓形成的電場，會把進入到B-C之間PN結的空間電荷區的電子「收集」到集電極，也就形成了集電極電流。
圖6 NPN BJT B-E正偏，B-C反偏
當VBE電壓變化的時候，正常流入基極的電流應該遵守前面提到的二極體的直流I-V關係公式，即很小的電壓變化，會引起較大的基極電流變化。但由於前面提及到的電晶體的不同區域的摻雜濃度及製造工藝要求等因素，實際造成流入基極的電流變成了一個很小的值，由基極較低濃度的空穴與發射極的電子結合形成。而流入發射極的電流卻還是符合二極體I-V公式的電流，因此也就形成了一個很小的基極電流控制較大的發射極（集電極）電流的現象，這也就是電晶體的工作原理。
五、 電晶體工作原理的比喻（借用大神的語錄）
看完上面的解釋，暈了嗎？多看幾遍，一定會有收穫的。如果似懂非懂，沒關係，再來看一下大神關於三極體工作原理的解釋，很形象也很有意思。
「BE之間的PN結猶如一個大魚池（接觸面積非常大），在Vbe的PN結加電壓，在魚池裡面養了很多魚（載流子），如果沒人去搶魚（Vce不加電壓），則PN結導致Vbe和Ib有二極體特性，指數曲線。當Vce加電壓時，極電極跟基極一起在魚池裡面搶魚（載流子），由於故意設計得讓極電極與魚池的開口（接觸面積）比基極與魚池的開口（接觸面積）成某個比例關係，導致極電極搶得的魚與基極搶得的魚成固定比例，起到放大作用。」
電晶體一個看似簡單，但實際卻很複雜的器件，前後三篇文章提及到的內容也只是冰山一角。在嵌入式大行其道的環境下，如果你想探索電晶體，想學習電晶體的各種特性，想了解電晶體的使用方法，想進入模擬電路的世界，電晶體這個最基本的半導體器件一定要弄明白。目前《電晶體電路設計》電路板項目在工程師眾籌平臺——聚豐眾籌上已經進入了最後的倒計時，你還在猶豫什麼，馬上抓緊最後的時間報名來參加吧！
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