晶体三极管如何工作的？不，我是问它的真实工作原理
时间：2021-10-12 15:31:32
[导读]“简介：本文节选自 WILLIAMJ.BEATY[1] 在1995年写的一篇博文：HOWDOTRANSISTORSWORK? NO,HOWDOTHEYREALLYWORK?[2]，他就自己对于双极性三极管工作机理的理解进行了讨论。他很善于表达，前后分成了第一页[7]、第二页[3]...
“简 介： 本文节选自 WILLIAM J. BEATY[1] 在1995年写的一篇博文：HOW DO TRANSISTORS WORK? NO, HOW DO THEY REALLY WORK?[2] ，他就自己对于双极性三极管工作机理的理解进行了讨论。他很善于表达，前后分成了 第一页[7] 、 第二页[3] 来充分讨论。大多数关于晶体三极管内部工作机理讲解的技术书籍都讲解的不好。首先他们都是先假设三极管基极电流以某种方式控制着集电极电流，然后在解释它们是如何相互影响的。这种讲解注定要失败，是因为普通的双极性三极管，就像场效应管一样也是一种电压控制器件，而不是一个电流去控制另一个电流。真实情况是基极-发射极电压（Ube）控制着基极-发射极之间PN结的具有绝缘特性的耗尽层（Depletion）厚度，这层耗尽层位于基极、集电极电流的通道上。
虽然对于他的讲解所使用的观点与方法我尚未完全理解和认同，但还是被他那充满思考的论述以及详尽的表示所吸引。相信这篇又臭又长的文章更能激发每一个阅读者，特别是工程技术人员去深入探索事物背后的物理机制。”关键词： 三极管，耗散层，电流放大
“原作者注：本文探究设计型晶体管内部工作机制：是从物理学家的视角，而不是从工程师或者技术人员应用的角度。在解决电路设计问题中，工程师需要将晶体管看成是电流放大器件模型，或是可变跨导器件，或是电荷控制的电流源。我们正式通过上述建立的黑盒子模型来理解带有晶体管电子线路。值得警惕的是，当我们想解开罩在晶体管上的迷雾去了解其内部工作机理时，这些有用的黑盒子模型反而会干扰我们的理解。”
““信仰”与“偏见”之间的差别就是你可以心平气和的探讨信仰，但对偏见却不能。--无名氏”当我在孩童时开始对电子科学感兴趣的时候，就开始潜心探究晶体管是如何工作的。嗯，已经达到了某种痴迷的程度。 我看过很多解释“共基”放大电路的文章，这种“共基”放大电路最初是由晶体管发明者所使用的一种工作模式。使用锗半导体做成的基极接地，信号通过发射极输入到集体管。自从这种电路越来越少用，我也就不再梦想去寻找自己对晶体管工作机理的解释了，转而在已知的“共射”放大电路的基础上来建立晶体管工作原理。共射电路中，晶体管的发射极连接公共地，信号从基极送入晶体管，放大信号则是由集电极到电源的阻抗上产生。 尽管存在着自己不满意的地方，但基于共射电路来阐述晶体管工作原理还是行得通的。令人想不明白的是，为何教科书总是使用“共基”电路来给小白们讲解晶体管工作机理。 当我上了专科学校之后，依然惊奇的发现对于双极型三极管的工作原理解释一塌糊涂。诚然三极管都是被精确的数学描述了：只要把基极电流乘以参数hfe就可以得到集电极电流；或者把三极管当成双端口网络，使用 Ebers-Moll[4] 方程来描述网络传递方程。 但这仍然是将晶体管当成一个黑盒子来看到，缺少对于其工作机理的解释：到底小的基极电流如何影响大的集电极电流？ 仿佛所有人都对此问题漠不关心。班级中其他同学也都是把对公式的记忆当成对于概念的学习和工作原理的探究。 R. Feynman[5] 将这种学习态度称为欧几里得式学习或者希腊式观点，一种对数学的痴迷心态。与此对立的是理学家，他们采用* 巴比伦式观点 ，即概念远比公式重要。 我（作者）是一个彻底的巴比伦主义者，对我来说，在起初数学是没有用处的。公式就像程序Spice中的黑盒子一样，尽快可以有效的工作，但无法产出器件中真实的工作机理。我可以学习公式，但它们就像在大脑中运行的Spice程序一样，用不到电脑，但仍然无法知道晶体管究竟如何工作的。 首先告诉我晶体管工作机制是什么，产生栩栩如生图像，使用恰当的比喻。我只有在直观上和骨子里了解了事物的机理之后，数学模型才是有用的，并可以提纯和精炼一些细节。对我来说，数学模型不是对事物本质的描述，它只是一个工具、烹饪方法，它只能告诉你最终的数值结果，除此之外没有别的，更没有任何专业知识。 现在，许多年过去了，我想我现在知道了真正问题所在。
“既然电流是由电荷运动引起的，所以通常“电流流动”的说法就应该避免，因为字面上它是说电荷的流动的流动。△ - MODERN COLLEGE PHYSICS, Richards, Sears, Wehr, Zemansky”电线中流动的到底是啥玩意？ 那些在电线中移动的物体并不被称为为“电流”，而是“电荷”。流动的是带电粒子而不是电流。带电粒子可以运动、也可以静止，但运动本身并不流动，只有粒子才流动。 就像在河道（或者水管）里，是水在流动，而不是水流在流动。关于输水管道，也只有我们放弃管道是空的，才能很好理解管道网络，从而相信一种神奇的事物叫“水流”。输水管道本来就充满着水，水在其中流动。这一点比喻可以适用于电流。电线中并不充满着“流动的电流”，而是预先充满了各种带电粒子。电荷是可以移动实体，它是由物理粒子携带，并以实际的速度和方向运动。这些带电粒子行为上很像气体，或者液体。但是电流与带电粒子不同：带电粒子是实体，但电流不是的。（如果将电流比作风，那么带电粒子就是氮原子！）。 如果在下面的思想实验中，将电流忽略，代以对带电粒子运动的运动细节考察，就可以在电子器件原理的理解方面拨云见日。 其次，导体中的带电粒子并不是靠相互之间的推搡而产生定向运动的，而是通过电位差，是通过导体内部电场的推动产生定向运动。带电粒子不是被电源发送出来，就像水从水塔中流出那样。如果你想象着电子从电源负极流出，通过电路中空旷的导线流动，那就大错特错了。同样如果你认为电源工作时对外提供电荷也是错到没边了。电线并不是一个空的电子管道，电源也不对外提供任何电子。电源只是产生电流，或激励出电流，在此过程中电源看起来并不是往电线里面发送电荷。电源更像水管中的水泵。水泵仅仅提供管道中的水压，它不提供水本身。 第三，你是否参透了电子线路直观理解中的最大的秘密？
“真相在使得你放飞自我之前先把你惹毛了。△ 无名氏”简要总结： 1. 导体中流动的是带电粒子，而通常讲的电流并不流动； 2. 导体中的带电粒子是由电场驱动下运动； 3. 任何电线中都预先充满着海量可以移动的电荷； 4. 电池、电源就像一个电荷泵；只提供电荷运动的电压，而不产生任何电荷； 5. 电灯泡，或者电阻看起来像一个摩擦制动器； 最后，导体和绝缘体的差别很简单：导体是一个预先充满水的管道，而绝缘体则像一个被结冰堵塞的水管。它们都包含有带电物质，但绝缘体中的带电物质无法运动。当水管中存在水压时，水会流动。但对于空水管，没有任何可以流动的物体，所以也不会有水流。当水管中结冰堵塞，冰被卡在其中无法移动，也同样不会产水流。所以绝缘体，要么没有带电粒子，要么带电粒子无法移动。这一点在很多教科书上描述错误。他们往往将导体定义为带电粒子可以通过的物体，绝缘体则是阻碍带电粒子通过。不是的，就像空气，真空实际上并不阻碍带电粒子通过，但它们是良好的绝缘体。事实上，导体是一些充满可移动带电粒子的物体，而绝缘体则缺乏这些移动带电粒子。 如果一本书在这些基础概念上出现错误，那么后面的解释，就像在垃圾上搭建的高楼，也会随之崩塌。 在正式探讨晶体管之前，还有一个事情：硅与普通的金属存在着不同之处。金属中充满着可以动的带电粒子，掺杂后的硅也通常充满着可以移动的带电粒子。它们之间有什么区别吗？ 当然有，这是关于“带隙”的概念，是电子和空穴之间的差异。但这不是最重要的。真正重要的差别也很简单：金属中的移动带电粒子很多，但硅中则很少。比如在铜中，每一个铜原子都可以贡献一个可以移动的电子组成电子海洋。铜中的电子液体非常稠密，与铜里面的原子一样稠密（是指的数量上）。但在掺杂后的硅中，仅仅每10亿个硅原子才有一个可以贡献一个可以移动的带电粒子。此时，硅晶体就像一个空旷的空间，游荡者少量的 带电粒子。在普通的硅中 ，你可以只需要几个伏特电压就可以将其中带电粒子清除出晶体，而在金属中则需要几十亿伏的电压在能够将其中可以移动的电子全部驱离出金属晶体。所以，换个比喻方式： 6. 在半导体中的带电粒子就像一个可以压缩的空气，而金属中的电子则像一个不可压缩的液体。 如果将物体中的移动电荷清除，则会将该物体从导体变成绝缘体。如果将硅半导体比喻成一个橡胶水管，它就是一个充满着可压缩气体的管道，很容易将其中的气体挤压并将其变成一个绝缘体。如果将铜线比喻成橡胶水管，则其中充满着不可压缩的铁屑，你可以挤压它们但无法将它们挤出。但对于充满气体的橡胶软管，可以比较容易从旁边挤压，使其通道关断，阻止流动。 好吧，下面让我们先看看通常情况下对于晶体三极管解释方法。 当在晶体三极管的基极和发射极之间施加正电压，便可以将一个NPN三极管打开。这个外部施加的电压使得基极中的电子流出，并流向电源正极。这使得基极中出现更多的空穴。空穴就像一些带有正电荷粒子，沿着电子流动的反方向送入基极。按照这种讲法，基极的引线仿佛就像在往基极注入空穴，也就是注入带电粒子。 （注意，这里提到的流动的带电粒子，不是指正电荷对应的常规电流） 这就是通常情况下对于NPN三极管基极电流的解释。为什么这一点对于理解三极管工作十分重要呢？就是因为“实际情况不是这样的！”。基极电流对于晶体管工作并不重要，它只是实际工作过程中的副产品。而真正其关键作用的是一层绝缘层，通常被称为“耗尽层”的区域。如果注意力都放在基极电流上，大多数作者都会在他们的解释中走入死胡同。为了避免这种结局，我们需要在一开始就避开基极电流，而是抓住其它部分来帮助理解。请看下面的示意图： 在晶体管中的耗尽层存在于基极与发射极之间，它是一个绝缘层。为什么那里存在绝缘层？这是因为基极是 p型掺杂半导体，其中充满着自发产生的空穴，当p型半导体与n型半导体接触时，n型半导体中的电子落入空穴从而形成了耗尽层。 虽然在 p型半导体中也有电子，就像算盘中排列紧密的算盘珠，空穴相当于一排算盘珠子中间的间隔。往一个方向拨动一个算盘珠，空穴就向反方向移动一格。当p型半导体与n型半导体相遇时，情况就不同了，n型半导体中独自运动电子与空穴相互结合，不会产生新的空穴。空穴与电子相互蚕食，最终形成了缺少 移动电荷的绝缘层。 记住：导体并不是允许电荷通过的物体（上面总结第3条）。实际上导体是充满着可以移动电荷的物体。如果没有可以自由移动电荷的物体都是绝缘体。所以在耗尽层中，所有极性相反电荷相互湮灭消失，就像算盘中所有的空挡都被算珠填满，则不再有算盘珠可以移动了。在硅晶体中，所有带电粒子都不可以自由移动因此就形成了绝缘体。当没有电压施加在这个耗散层上，这个绝缘层就会逐步变厚，此时三极管就被关断了。 我喜欢将晶体管中硅晶体看成一个闪着银光的导体（或者类似的金属），但对于P-N结中的绝缘层，则想象成一个绝缘玻璃。所以，硅晶体就像一个可以变成玻璃的金属。 每当在基极与发射极之间施加电压时，这层绝缘层的厚度就会发生改变。当（ ）极施加在p型（基极）半导体，（-）极施加在n型（发射极）半导体，在n型半导体中的电子就会在电压驱动下往p型半导体移动，此时绝缘层就会变薄，直到电子和空穴云雾在绝缘层中相遇并结合。此时在基极-发射极之间就会建立起电流。这个电流对于的工作并不重要。关键是施加在基极-发射极的电压引起B-E之间的绝缘层变薄，使得发射极-基极之间的电荷可以流通。 此时三极管就像一个在B-E之间包含一个绝缘玻璃层，它的厚度可以由施加在B-E之间的电压进行调节。B-E电压增加，绝缘层变薄，反之变厚。这是因为施加的电压驱动着在p型，n型中的移动电荷做相向运动，从而改变它们之间绝缘层的厚度。当绝缘层薄的一定程度，一些移动的电荷便可以跳跃绝缘层而移动到对应区域。所以可以将这个绝缘层看成有电压控制的开关。当施加正确的电压时，开关闭合。这个开关是一个比例开关，流过的电荷多少与施加电压之间存在关系。 对于硅半导体，开始能够有电荷通过时所需要的电压大约为0.3V。当升到0.7V时，电流就会很高了。（这是对于硅半导体，对于其它半导体对应的电压阈值会不同）。 电压越高，绝缘层越薄，通过整个晶体管的电流越大。通过施加正确的电压，我们可以控制晶体三极管在闭合、打开或者部分闭合等状态间转换。 检查一下我们得到了什么结论？晶体三极管并不是由电流控制。相反它是由基极-发射极之间的电压控制。 7. P型，N型掺杂硅是导体，因为其中包含可以移动的带电粒子； 8. 在P型，N型掺杂硅相接触时，在接触面上产生一个绝缘层； 9. 通过施加电压可以改变绝缘层的厚度；
“什么是物理？那是对人们已经习以为常的事物产生新的深刻见解的学科。除非你对于某一个事物有两到三个独立方法进行解释，否则就别认为自己已经对它了解了。”好，我们所知的一切包含错误，晶体三极管并不是一个“电流放大器件”。而是一个有基极电压控制的元器件。 绝缘层的厚度变化改变着晶体管开关状态。既然基极电压是改变绝缘层厚度的因素，是否我们就可以不用管基极电流了呢？ 且慢，我们想对晶体管哪一股带电粒子流动进行开关控制？啊，我们还需要在另外增加一个电路回路。在下面，我们将另一个电池施加在整个晶体管上，连接在发射极与集电极。这里使用了9V的电池。 所以，基极上施加的电池用来打开三极管的开关，让9V的集电极电池驱动大量带电粒子垂直通过整个三极管。 集电极硅是使用的什么类型掺杂？施加在集电极上的电池电压难道不会影响基极所施加的电压吗？使用三层结构到底是究竟是为了什么？在集电极-基极之间的的第二个耗尽层难道不会将整个三极管关断吗？你不是想形成集电极电流吗？那就直接把集电极9V电压连在基极上不就行了吗？ 所有的答案都蕴藏在最后的一个问题中。如果我们不要集电极那一层，而是将9V集电极电压直接连接在基极上。由于半导体是一个很好的导体，所以最终我们只是得到一个单向导通的二极管。两个电池之间存在电压降，基极将它们短路连接起来。 所以，集电极这一层是必须增加的，但集电极也带来了一些看起来更加奇怪的情形。 你会注意到，施加在集电极上的电池（ ）极是在集电极，但集电极却是 n型半导体。这不是一个缺陷吗？这个电压不就在集电极与基极接触面上形成了第二个完整的耗尽层？ 对！既然使用了9V电压，它驱使P型中的空穴远离耗尽层，所以这层耗尽层很厚。相当于一个关断的绝缘开关，嗯？它是.....，不，它不是。我个人认为这是三极管工作机制中最令人感到奇怪的部分了。我花费了很长时间，直到我不再考虑它那诡异之处，对于其中所发生的机理顿感醍醐灌顶。 首先，这层新的耗散层阻挡了集电极电压对于三极管其它部分的影响。如果增加9V电池电压，基极-集电极之间绝缘层就会变得更厚，这使得下面B-E之间的并不会感觉到集电极电压的影响。 其次，在基极的上层，靠近集电极部分耗尽层则会感受到集电极9V电压的影响，但下面电路就不会受到影响。就像我们在电灯泡电路周围晃动一个充满电荷气球在电灯电路周围晃动，对于电路本身没有任何影响。 然而！ 由于基极电压将在发射极上的绝缘层变薄，大量的 可移动电子会从发射极涌入基极。实际上只有少量电子会直接进入基极，因为此时在基极发生了交通拥堵，除非基极引线可以将造成交通拥堵电子吸出去。或者在准确一些，如果基极中的电子没有离开，并且也没有被空穴吞并，任何进入基极的电子都会使得基极变成负极性，从而排斥更多的电子从发射极上升到基极。你看，这是不是一个交通拥堵？ 所以现在我们看到一股由少量电子形成的稀疏的电子云发射极升腾而起，一些漂移到p型基极区域的上半部分。结果呢，这些电子云感受到9V电池正向电压的吸引。此时，上层的绝缘层不像是绝缘的玻璃，而是绝缘的空气层。只有在没有 移动带电粒子存在时，它才绝缘，但它并不阻碍移动的带电粒子。然而，如果没有带电粒子存在，电压也不能够产生电流。 另外，不要忘记在基极中存在着丰富的带电的空穴，一旦它们漂移到上面耗散层都会被正向电压排斥往下移动。从这一点上来看，耗散层一个绝缘层，它将移动的空穴往下排斥，移动的电子往上吸引。如果你将集电极、基极都想象成导体，那么它们之间的耗散层就好比真空区间，里面产生了静电场。 我们已经将集电极充电到 9V电压。在耗尽层出现的空隙中如果伸出一些脆米糕碎屑，如果它们带有负电荷，就会被吸引往上运动。那好，在基极中游荡的少量电子，这些带有负电荷粒子一旦漂移到基极上层，忽悠一下就会被吸引上去。被吸入的电子就会在剩下的电路中流入地线。这只有当电子运动到基极上层时才会发生。对于基极区域的下面，导电的基极就像一个金属屏蔽罩对上面电场进行屏蔽，下面电子实际上感觉不到来自集电极的吸引电场。 一些电子冲到基极上面离开基极，这缓解了基极的交通拥堵。当基极中这些往上移动电子消失后，它们被集电极立即俘获。下面就会有更多电子涌入基极，这就会使得更多电子往上冲去，如此反复，形成大量往上运动电子。 交通拥堵，与基极-发射极之间耗散薄层的阀门作用，它们形成了控制流过整个三极管主要电流的机制。任何从发射极透过薄的耗散层涌入基极的电子都同样可以漂移过很薄的基极到达上半区域，最终形成集电极电流的 一部分。基极电压是控制薄耗尽层的厚度，从而控制了涌入集电极电荷的数量。集电极的9V电压提供了对电子的吸引力，从而驱动主要纵向流动的电荷。如果我们改变集电极电压，它并不能改变集电极电流。这是因为它只是吸引了那些由基极电压控制的电子，所以集电极电压不能够改变集电极电流。这就是通常所说的压控-恒流源。 注意，基极需要做的相当薄，这一点很重要，这样可以使得交通拥堵现象变得最大化，也可以使得那些通过基极引线游离出基极的电荷减少。我们依靠电子自己在基极自行漂移的自然能力。在这个过程中，并没有外部电压驱使他们往上运动。基极电压产生的吸引力只是使得漂移电子往基极引线端偏移一点点。集电极电池也无法对它们漂移运动施加推动，只有等到它们到达基极最上边。
“如果你使得人们认为他们在思考，他们会喜欢你。但当你使得他们真正在思考，他们将会憎恨你。△ Don Marquis”哎呦，上面讲的的确够多的了，很难一下子消化掉。如果它使得你的大脑将所有拼图连在一起时，不要感到惊讶。它花费了我数年的时间才明白这一切。也只有在我上了两个学期的工科课程，专门探讨对这整个主题进行描述 Ebers-Moll[7] 数学模型之后才明白。Ebers-Moll模型所给出的电压控制电压的观点越来越多的出现在教课中，但显然还没有被广泛的理解。一旦它们被理解，人们对于双极性三极管是一个电压控制器件并不感到烦恼，集电极电流与B-E之间的电压成比例关系。 至此，我们做些总结： 10. 晶体管相当于一个可以部分开启关闭的开关； 11. 施加在集电极-发射极之间的电压源是为了产生大量带电粒子移动； 12. 在集电极与基极之间存在着一个很厚的耗尽层； 13. 这个耗尽层像是一个绝缘的空气间隙； 14. 任何随机漂移过基极的电子都被集电极捕获，在通过上层耗尽层过程中它们是被电压驱动的。 15. 基极电压可以改变集电极电流，但集电极电压只有很小的影响； 如果我们加大基极电压，发射极耗尽层变薄，直到完全打开，非常大量电子就会造成集电极电流狂增，此时三极管就有可能在集电极电压作用下短路烧坏。所以让它开关控制其它的器件，让一个电灯泡串联在集电极回路中。 最后，我们还是看一下在基极引线中流动的电流。尽管是B-E之间的电压来控制三极管，我们并没有将基极电流完全忽略，它还是有重要的作用。仅仅是巧合，对！非常巧合，微弱的基极-发射极之间的电流与强大的集电极-发射极之间电流呈现比例关系。所以，当我们知道基极电流时，只要乘以一个电流放大因子，就可以得到集电极电流。外边看起来，三极充当一个电流放大的作用。但实际上它是通过微小的电压变化来影响大的电流。 基极电流与集电极电流成比例关系，并非真的是偶然，它们都与基极-发射极电压有关系，这个电压控制着基极-发射极耗散层的厚度。之所以集电极电流大，是因为绝大多数来自发射极的电子都被集电极吸引过去，而只有少了的电子用来改变B-E之间的电压，从而控制B-E耗尽层厚度，所以基极电流很小。 一个地方的电压控制另外一个地方的带电粒子的流动。这个事实也决定了整个器件的命名。变化的电压改变电流，所以器件像一个电阻。但是控制电流的电压是在别的不同的电路回路上，所以这种电压对电流影响的效果是从基极回路转移到（Transferred）集电极回路。转移电阻（Transfer Resistor = Transistor）。 16. 基极电压控制集电极电流； 17. 真的是纯粹巧合？从基极泄露出的电流与集电极电流成比例； 18. 晶体管不是电流放大器件。但当我们将其假装看成电流放大器件会简化我们的电路分析过程。 嗯，关于晶体管工作机理的这个解释是否像懒婆娘的裹脚布，又臭又长？如果想使得这个理解在大众中变得容易，只有所有的教科书作者本身对晶体管工作机理有着良好的理解，他们不再向人们传输三极管是一个电流放大器件才行。或许，我掐掉我的烟蒂，创建一些形象的动画，将会使得上面的描述更加靠近大众。
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