博鱼·boyu体育双极型晶体三极管结构与原理详解

　　博鱼引言：本文从半导体基本结构出发，介绍及梳理了PN结及NPN型双极型晶体三极管的结构和工作原理。为方便阅读理解 ，搜集、改绘了大量的示意图，对相关数据也作了查证，还对一些难点进行了类比说明。对于半导体材料中电子与空穴的能带结构随器件构造变化的相关理论，为不增加复杂性，本文基本不涉及到。由于笔者水平有限，文中不当或错误之处，敬请批评指正。

　　把半导体材料硅提纯并拉为单晶后，就是所谓的本征半导体，它是一种不存在任何掺杂物质的纯半导体。

　　制作现代芯片的半导体硅需要高达 99.999999999% （即11个9）的超高纯度，并做成单晶结构。

　　单晶的每个硅原子与周边的4个硅原子分别共享1个电子，形成共价键。当原子共享电子时，原子间吸引力和斥力的稳定平衡被称为共价键。

　　电子和空穴从价带跃迁到导带所需的能量称为带隙。Si（硅）的带隙为 1.12 eV（电子伏特）

　　需要说明的是，本文中提到了许多参数有明确的数值或数值范围，它们对理解三极管的工作原理有很重要的作用。

　　晶体实际上是在三维上形成周期性规则 排列的空间结构的，硅晶体的空间排列为金刚石立方结构，本文通过下图略作介绍。为理解、图示方便，其他部分仍采用2维平面图进行分析。

　　每个小球代表1个原子。左图同球同色表示 1种元素，右图球是双色的表示不同元素（如硫化锌）。

　　小球伸出的4个臂表示原子间的共价键，每个臂表示与另1个硅原子的1个价电子共同组成的一个键。所以1条臂包括了2个共享的价电子。

　　每球的各臂之间的空间角度相同，按这一规律，4臂形成的结构必定形成金刚石晶体结构。

　　当本征半导体的温度为绝对零度时，电子均被束缚在键上，它表现得像绝缘体。绝对零度等于零下273.15

　　随着半导体温度的升高，电子获得更多的热能，可以脱离其壳层，成为自由电子。从能量的角度来说，该电子被激发并从“价带”移动到“导带”。

　　电子被逐出后，原子之间的键中产生了一个电子空位，该空位称为“空穴”，台湾人称为“电洞”，它相当于一个有效的正电荷。

　　对于共价键，一个键同属于拥有它的2个原子，因此，无法判断这个空穴属于哪个原子。但缺少了1个电子后，空穴位置处会暴露出原子核内的正电荷。

　　空穴会被电子重新占据，从而该位置恢复为电中性位置，而电子原来的位置就形成一个新的空穴。这样，空穴或有效正电荷就从一个位置转移到另一个位置。

　　，可估算出约在10000亿个原子中才会有1个电子空穴对。如果对照人类数量，也就是在143个地球（世界人口70亿）的人数中才能找到1个。因此本征半导体可供导电的电子空穴极少，导电率也很差，基本上就是良好的绝缘体。

　　为了制作导电率能变化的器件 ，人们在本征半导体中进行掺杂，提高导电能力。

　　少量的掺杂原子可以改变半导体的导电能力博鱼·boyu体育。一般视半导体设计的需要，掺杂浓度从每立方厘米10^{13}\sim10^{18}个原子。对应于硅原子密度为每立方厘米10^{22}数量级，掺杂比例约为10亿分之一到千分之一之间。

　　当大约每 1 亿个原子添加一个掺杂剂原子时，这种掺杂被称为低掺杂或轻掺杂。掺杂比例约为万分之一时称为高掺杂或重掺杂。高掺杂通常显示为n+或p+，掺杂到这么高水平的半导体更像是导体，此时称其为退化半导体——可以理解为“退化为导体了”。

　　用磷、砷、锑、铋、锂等V 族元素进行掺杂，可以形成N型半导体，这些掺杂元素成为电子供体，因此称它们是“施主杂质”。

　　磷有5个价电子，磷原子替代一个硅原子，只需4个价电子与周边的硅形成共价键，多出的1个价电子很容易脱离束缚成为自由电子；

　　因为这类掺杂半导体导电主要是靠带负电荷电子，所以称为N型（负电型）半导体。

　　用硼、铝、镓、铟等 III族元素进行掺杂，可以形成P型半导体，这些掺杂元素成为电子受体，因此称它们为“受主杂质”。

　　硼替代硅后，因为少了一个价电子，在共价键中就出现了一个空穴。与本征半导体类似，这个空穴的位置也在共价键上。

　　如果有电子掉入空穴，这个过程称为“复合”。复合后，因为硼原子缺少平衡这个电子的正电荷而成为“负离子”。

　　空穴带1个电荷的正电，可以参与导电，因此这类半导体称为P型（正电型）。

　　上图，在外电场的作用下，b电子向左跳入a空穴，ａ被填，ｂ处产生一个新空穴；然后是ｃ电子填充ｂ空穴、ｄ电子再填充ｃ空穴……

　　此过程沿电场方向连续发生，这个空穴就好像能移动一样，移动负极方向去了。因此，可以把空穴看作带正电的“载流子”。

　　载流子是可以自由移动、携带电荷的粒子或准粒子，特别是在电导体中携带电荷的粒子，例如金属中的电子、溶液中的离子和半导体中的电子和空穴。

　　在许多金属中，电荷载流子是电子。每个原子的一个或两个价电子能够在金属的晶体结构中自由移动而成为自由电子，被称为传导电子。

　　在外加电场的作用下，N型半导体中的自由电子奔向正电场，形成电子电流，如下图。

　　P型半导体的空穴则通过“接力”的方式奔向负电场，到达电源负极端时，被负极提供的电子填充而消失。而正极端处的“磷离子”的电子被外电场“拉出”而形成新的空穴。

　　因为半导体中存在电子和空穴两种载流子，因而，组合使用P型和N型材料制作成的器件 ，称为双极型半导体器件。

　　从前面的分析可知，p 型和 n 型半导体依靠空穴和电子可以参与导电，它们的导电性不如金属。但如果说制作半导体是为了导电，则无需使用半导体，用个电阻就行。

　　半导体的优点或特性是它能够根据特定条件允许或停止电流流动。这是当把N、P型半导体连接起来形成所谓的“PN结”后发生的神奇现象。半导体背后的基本原理都是使用 pn 结的整流行为。

　　当P 型和N 型材料相互接触时，接触面产生了一种神奇的现象，从而产生了所谓的PN结。这个过程可以简述为：2种载流子——N区的电子和P区的空穴，相互扩散到对方区域，引发复合，因复合消耗载流子而形成逐渐增厚的耗尽层，直到耗尽层产生的电场阻止继续扩散为止，该电场由载流子供体原子所形成的正、负离子所建立。

　　PN结的形成，涉及多个重要概念：扩散、复合、耗尽区、内建电场等，下面作具体分析介绍 。

　　所谓扩散，是指载流子粒子即半导体的空穴和电子，从浓度较高的地方移动到浓度较低的地方。

　　当P型和N型半导体接触时，接触面上P型侧的空穴浓度高，N型侧的电子浓度高，双方相互向对方区域扩散；

　　扩散导致：2区的空穴到3区与电子结合，3区的电子到2区与空穴复合。这种结合可以让杂质原子与周边的硅原子形成稳定的共价键结构；

　　但这种结合也让2区多出了许多负电荷，原因是2区掺杂的是3价的硼，空穴获得电子后硼原子外层有4个电子，但原子核内部的正电荷并没有增加，因此

　　稳定状态下，2区中的空穴被3区来的电子全部填充，2区的空穴已耗尽；3区中的自由电子也全部扩散到2区，3区的自由电子也已耗尽。因此称2区和3区为

　　是半导体物理学中的重要概念，也称为耗尽层、耗尽区、结区、空间电荷区或空间电荷层，是导电的掺杂半导体材料内的一个绝缘区域，该区域中的移动电荷载流子已被扩散对对方区域，如果其他区域的载流子再想进来，会被

　　了解耗尽区是解释现代半导体 电子学的关键：二极管、双极结型晶体管、场效应晶体管和可变电容二极管都依赖于耗尽区现象。

　　让扩散不再持续下去的原因是离子电荷建立的内电场。考察现在4区的电子，假设其进入3区后向2区靠近，必定受到2区的负电场作用，当电场力大于扩散驱动力时，电子将被逼回，因而电子无法再越过界面进入2区的。实际上，稳定状态下2区的负电场的作用力，恰好可以达到3区右侧面，将电子逼停在4区。左边空穴的情况也可作类似分析。

　　至此，3区的自由电子要么已进入2区复合而耗尽，要么被2区的负电场逼回4区，载流子已全部耗尽。

　　典型硅二极管中耗尽区的物理宽度范围从几分之一微米到几十微米（具体取决于器件几何形状、掺杂分布和外部偏置），势垒电位0.6V。用锗制作的pn结二极管，耗尽层厚度为

　　1区和4区，空穴和电子浓度不变，且都与掺杂原子核内正电荷相平衡，对外不呈电性。所以一个二极管的2端是测不到内部的势垒电场的。

　　光棍村（N区）和女儿村（P区）毗邻，光棍（电子）扩散到女儿村、女儿（空穴）扩散到光棍村，光棍女儿成对结为夫妻（复合作用），形成了一定范围的夫妻区。夫妻区内男女全部配对，耗尽了男女光棍。夫妻们如胶似漆、乐不思蜀，过年也不回去看望父母，引发了夫妻区双方父母（正负离子）的强烈不满，夫妻区原女儿村一边的父母（硼负离子）恨透了光棍夺走了女儿，夫妻区原光棍村一边的父母（磷正离子）也恨死了女儿，他们组成联合阵线（电场），在两侧设立屏障，阻止外面的新光棍和新女儿进入夫妻区（他们在夫妻区博鱼·boyu体育，作用力也仅到夫妻区内）。

　　上图中，P、N区分离时，双方互不相干。接触后，电子开始扩散到空穴处复合。复合区出现正负离子的堆积产生一个内电场，该电场阻止了后续扩散和复合。

　　当向PN结施加正向电压（ P正、N负）时，耗尽层将发生改变。为对照看图方便，下图将无偏与正偏放在一起。

　　设想外加如上图所示方向的正向偏压，并考虑电压从小到大增加，分析PN结发生的变化。

　　正向电压较小时，1区的空穴在外加正电压作用下往右移动，逼近2区最靠左的一个薄面。该薄面在无偏时是硼负离子，电子受正电场作用被抽出左移。电子一旦被抽出，硼负离子变为中性原子，空穴恢复。因此，该薄面性质从耗尽层变为P型硅，也就是2区变薄了。

　　同样，4区电子往左移逼近3区，并进入3区右侧薄层，中和磷正离子，将薄层恢复为N型硅。

　　加大正向偏置电压，PN结耗尽层将变薄，当电压达到0.6-0.7V时，耗尽层的势垒电压被完全抵消，耗尽层的离子恢复为P型硅和N型硅，从而打通了壁垒，2种载流子均可顺畅通过PN结，电流迅速增加，PN结呈导通状态。

　　政府采用强势政策（外加正向偏置电压）鼓励光棍村与女儿村通婚，分别派人（正负电场）深入基层，一方面向光棍、女儿宣传政策（致使双方向PN结靠近），一方面做双方家长（耗尽区离子）的工作，逐步做通后，家长放弃阻拦，实现适龄青年的自由流通。

　　反偏的结果是：P区的空穴往左跑，P区靠近2区的薄层也变为负离子了。也就是2区的耗尽层变厚了。N区一侧也类似。这导致电子和电洞彼此远离，它们更不会在界面处相遇复合，电流也就无法流动。

　　晶体三极管能放大小信号，也能当作开关器件。这是比PN结二极管更加神奇的功能，但它的原理是建立在PN结原理之上的。

　　这里稍微提一下，发明晶体三极管前，人们是仿照电子管三极管的“电场控制”原理来寻找突破的，因此最早尝试的实际上是“场效应晶体管”，但限于技术工艺一直造不出来。后来还是双极管晶体三极管（BJT）被最早发明出来。当然，场效应管后来还是发明制造成功了，并且成为现代芯片的基石。

　　下图是双极型晶体三极管的结构示意图，有2种组合方式，分别为NPN和PNP。 三层结构，形成2个PN结，相当于2个二极管反向连接。

　　当然，事情没有那么简单，如果你简单组合二个二极管，并不能实现三极管的功能。三极管的功能是：从发射极“发射”的电流（对NPN管来说实际上是电子），再到集电极端“收集”，这个电子流要受基极的控制，而且基极是“以小控大”，还要成比例控制博鱼·boyu体育。这就是所谓的放大作用。

　　那么，晶体管为什么能对内部电流进行这样的导向和分配？——这跟其制造结构有关，下面进行详细的分析。

　　为了理解方便，这里再列一下数据：按每立方厘米的原子数量级，本征硅是22次方，也就是百万亿亿，各区的掺杂原子数量级为：发射区18-19次方，基区16次方，集电区17次方。

　　换算一下，也可以说：发射区掺杂浓度约为 1/10000——1/1000，基区掺杂浓度为 1/1000000，集电区掺杂浓度为 1/10000。可见，发射区掺杂浓度是基区的100倍以上。

　　晶体管工作时集电极-基极结会加载较高的电压，这种掺杂特点，使小信号硅晶体管的击穿电压可达 60-80 V。对于高压晶体管，它可能会达到数百伏。

　　如果晶体管必须处理高电流，则集电极也需要重掺杂以最小化欧姆损耗。通过在金属接触区域更重地掺杂集电极，可以满足这些相互矛盾的要求。退化的意思是半导体掺杂如此之高而表现为导体了。

　　现在，你有一个NPN型晶体管，如下图，没接任何电源，内部的2个PN结处形成了2个耗尽层。

　　然后，将双极结晶体管的基极-集电极结反向偏置，如下图所示，这也是晶体管工作时的通常接法。注意，这会增加耗尽区的宽度。对于大多数晶体管，反向偏置电压可能是几伏到几十伏。现在，集电极电路中没有电流流动。

　　接着，一个较小的电压（约0.6V）添加到发射极基极电路，发射极-基极结形成正向偏置，以克服发射结耗尽区的势垒电场，这类似于正向偏置结型二极管。如下图：

　　在该正向偏置电压的作用下，发射结PN结的耗尽层变薄，发射极N区的多数载流子（指电子）才能从发射极扩散进入基极。

　　我们知道，发射区掺杂浓度百倍、千倍于基区，如下图示意。该图假想基区做得很厚，我们先来分析这种情况下的电流走向。

　　假设我们考察的某一个时间段中，发射区有100个电子扩散进入基区，因为基区的空穴浓度极低，电子扩散过程中，好久才能遇到一个空穴进行复合。但下图中故意把基区做得很厚，只要基区足够厚，这些电子总是能遇到空穴进行复合，从而100%形成基极电流，流出P极引线 假想基区很厚时的分析图

　　仍旧作类比：光棍村里光棍密度很高（发射区自由电子浓度高），女儿村里女儿密度很低（基区空穴密度低）。在政策鼓励的条件下（PN结正偏），光棍们冲向女儿村，虽然女儿密度低，但区域广大，女儿总数并不少，因此光棍们近则几里、远则几十上百公里，总能遇到一个女儿。

　　然而，这并不人们所需要的结果。政府的目的是在集电区设立了一个工厂，广招光棍们来打工（只招男工不招女工）。但工厂受国际影响及季节影响产能变化很大，因此需要有一个控制方法。有人就想法用设立一个特殊的女儿村来控制。这个女儿村特殊在2个方面：一是女儿密度要尽量低，因为主要用途是把光棍吸引过来；二是女儿区宜窄不宜广，这样女儿总数就很少，要让光棍过来后多数都找不到女儿，甚至连女儿影子都没看到，就扩散到了工厂附近，被保安（集电极正电场）强制扫入工厂。

　　这些电子最终穿越基区，进入集电极结的耗尽层，下图d。在那里它们被强电场扫入集电极，形成集电极电流。

　　在这种情况下，我们仍旧假设某一时间段有100个电子扩散进入基区，但基区很薄，空穴又很少，因此电子们在到达集电结时，只有1个电子遇到空穴，其他99个被扫入集电区。

　　这样，三极管的电流分配就是：发射极电流=1%的基极电流+99%的集电极电流。

　　I_B的比率，也称为β，定义为三极管的直流放大倍数。因此，这个三极管的放大倍数就是99倍。从上述分析可知：三极管的放大倍数与发射区掺杂浓度几倍于基区有关，浓度比越大，放大部数就越高。同时也与基区厚度有关，基区越厚，放大倍数就越小。因此，一个三极管制造后，它的放大倍数基本上是固定的。

　　最近还要解释一个问题：发射结偏压变化时（基极电流也随之变化），为什么基、集电流还能成比例分配？

　　这个问题是这样产生的：基极电压略有上升，发射结PN结耗尽区变薄，更多电子扩散到基区，理论上基区空穴数量在晶体管制造后固定的，并不会增多，似乎会得到“基极电流固定不变、发射极电流增加”，这样放大倍数会变大。

　　V_{CE}为0V、10V和20V的三条曲线。这里分析一下为什么V_{CE}增大后，产生同样的基极电流，反而需要更高的V_{BE}偏压。其原因如下图：>

　　图27 不同Vce电压对基区厚度的影响

　　V_{CE}=10V。当V_{CE}较大时，集电结PN结反偏更严重，又因基区掺杂浓度低，耗尽区就会向基区方向更深入，导致原本较薄的基区变得更薄，可用空穴数量减少，从而导致基极电流也减小。为了达到与10V曲线相同的基极电流，自然需要更高的发射结正偏电压了。该原因同时也导致了输出特性曲线簇的斜率上升效应，如下图：

　　I_B驱动下）斜率略微上升，即同样的基极电流，V_{CE}增大，集电极电流增大，也就是放大倍数增大。其原因也如前图所示，V_{CE}增大导致集电结P区侧耗尽层增厚，基区空穴减少，从而基极电流与集电极电流比例发生变化，放大倍数增加。总结

　　通过掺杂本征半导体，人们获得了N型和P型半导体，N型主要依靠自由电子导电，也有极少空穴，分别称为多数载流子（多子）和少数载流子（少子）。P型则相反，主要依靠空穴导电，空穴是多子、自由电子是少子。

　　P型和N型半导体的联结形成了一个特殊的结构PN结，电子和空穴的复合在联结区域产生了一定厚度的耗尽层，耗尽层离子电压建立起了内部势垒电压，阻止电子空穴继续复合。在正偏电压作用下，PN结耗尽层减小，从而重新开通电子博鱼·boyu体育、空穴复合通道博鱼·boyu体育，形成正向导通电流。反之，反偏电压加厚耗尽层，使PN结反向截止。