关于三极管，我相信每个搞硬件的人都应该读过基本原理。现在回顾过去，最好是带着疑问去看。
我这里准备了几个问题，大家一起往下看。
为什么集电极结反向导通，产生Ic，这似乎与二极管原理强调的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。
在饱和且Vc电位较弱的情况下，仍会有较大的反向电流Ic。
以上三点是什么？
很多教材在讲解方法上没有妥善处理这部分内容。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，所采用的解释方法也仍然存在一些问题。这些问题主要表现在讲解方法切入角度不当，使得讲解内容前后不一致，甚至造成了讲不如不讲的效果，让初学者看完感到一头雾水。
#传统谚语和问题
传统的教学方法一般分为三步，以NPN型为例(以下所有讨论都以NPN型硅管为例)，如下图所示。
发射极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，在解释集电极电流Ic形成的原因时，这种解释方法没有从载流子的性质着眼于集电极区反向偏置导通，产生Ic，而是不适当地强调了Vc的高电位和基区的薄。这种强调容易误导人。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。其实这正好与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在放大下必须在量上独立，Ic只能由Ib控制。
问题二：三极管的饱和状态不能很好的解释。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的现象。这显然与强调Vc的高潜在效应相矛盾。
问题3:传统教学的第二步过于强调基区的薄，容易造成基区薄到可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。这显然与人们利用三极管内部两个PN结单向导通来判断管脚名称的经验相矛盾。即使基区很薄，但人们在判断pin名称时，并没有发现PN结的单向导通失效是由基区薄引起的。基区很薄，但两个PN结的单向导通仍然完好，这就让人有了判断三极管pin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之间有固定的比例关系，无法直观解释。只是从工艺上强调基区的薄和低掺杂度，不能从根本上解释为什么电流放大倍数不变。
问题5:断开二极管和三极管的自然连接原则上不能实现内容上的自然过渡。甚至人都有矛盾的想法。二极管原理强调PN结的单向导通和反向截止，三极管原理要求PN结反向导通。同时也不能体现电流放大原理中晶体管与电子晶体管的历史关系。
#新解释
二极管的结构和原理都很简单，里面的一个PN结是单向导通的，如图。
很明显，二极管处于反向偏置状态，PN结关断。我们应该特别注意这里的截止状态。实际上，当PN结截止时，总会有一个很小的漏电流，也就是说，总会有PN结反向关断的现象，PN结的单向导通并不是100%。
为什么会这样？
这主要是因为除了掺杂引起的多数载流子“空穴”之外，P区中总有少数本征载流子“电子”。N区也是如此。除了多数载流子电子之外，还会有非常少的载流子空穴。
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通过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的少数载流子数量就可以了。
因此，如图所示，如果可以在P区或N区人为地增加少数载流子的数量，自然会人为地增加漏电流。
其实这就是光电二极管的原理。
与普通光电二极管一样，光电二极管在其PN结处具有单向导电性。因此，光电二极管工作时应施加反向电压，如图所示。
无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1 10-8-1 10-9a(称为暗电流)，相当于光电二极管关断。
当有光照射时，PN结附近受到光子的轰击，半导体中的束缚价电子吸收光子能量，被激发产生电子-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区和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，因为光照可以增加少数载流子的数量，所以光照会导致反向漏电流的变化，人们利用这个原理来制作光电二极管。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，多数载流子携带电流，当偏压为负时，少数载流子携带电流。因此正向偏置电流大，反向偏置电流小，PN结呈现单向电特性。
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结中存在多数载流子相互扩散产生的内电场，内电场的方向总是阻碍多数载流子的正向通过。因此，当多数载流子通过PN结时，需要克服内部电场的影响，需要0.7伏左右的外加电压，这是PN结正向导通的栅压。
反向偏置时，在电源的作用下内部电场会加强，也就是PN结会增厚。当少数载流子通过thr时
这个结论可以很好的解释前面提到的“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，人们自然想知道能否改变控制方式，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，用“电”而不是“光”的方法控制电流(光增加本征载流子，后面提到的电注入增加掺杂载流子，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，我们将重点放在P区。P区的少数载流子是电子。用电注入的方法把电子注入P区的最好方法是在P区下面加一个N型半导体，用特殊的工艺，如图。
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，我们将直接使用三极管对应的名称(如“发射极结”、“集电极”等。)为下图所示的各部分名称。
最低发射极区的N型半导体中的电子作为多数载流子大量存在，如图所示，只要发射极结为正偏置，就很容易将电子从发射极区注入或发射到p区(基极区)。
具体地说，在基极和发射极之间增加了足够的正向栅极电压(约0.7伏)。在外栅电压的作用下，发射区的电子会很容易发射并注入基区，从而改变基区少数载流子“电子”的数量。
4、集电极电流Ic的形成
发射极结被正偏压导通后，在外加电压的作用下，发射极区的多数载流子——电子将很容易大量发射到基极区。
这些载流子一旦进入基区，其在基区(P区)的性质仍然是少数载流子。如上所述，少数载流子很容易穿过反向偏置的PN结，所以这——个电子很容易穿过反向偏置的集电极结，到达集电极区，形成集电极电流Ic。
可见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载流子从发射极区到基极区的发射和注入，并且取决于这种发射和注入的程度。这种载流子的发射和注入程度与集电极电位无关。
这自然可以解释为什么当晶体管处于放大状态时，集电极电流Ic与集电极电位Vc无关。Ic在放大状态下不受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Ic，可以得出以下结论：Ic的本质是少数载流子电流，是通过电子注入实现的人为可控的集电极结漏电流，所以很容易通过集电极结反向。
5、Ic和Ib之间的关系
按照上面的讨论，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。
从上面的讨论，现在已经清楚了，三极管中的主电流是在电流放大状态下，载流子电子从发射极区经过三极管到集电极区形成的。也就是说，流经三极管的电流Ic主要是电子流。
这种穿透性的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。电子三极管的电流放大原理，因为有s的直观形象，自然可以解释
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栅极(基极)的结构。
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，流过电子管的电流主要是从发射极经过栅极到集电极的电子流。当电子流通过栅极时，很明显栅极会对其进行拦截，拦截时存在拦截比的问题。
拦截比主要与网格的密度有关。网格密的话，它的等效拦截面积就大，拦截比自然就大，拦截的电子就多。反之，如果截取比小，截取的电子流就少。
被栅极截获的电子流实际上是电流Ib，其余通过栅极到集电极的电子流是Ic。从图中可以看出，只要确定了门的结构尺寸，就确定了截取比，即Ic与Ib的比值。
所以，只要管道内部结构确定，这个比例就是固定的。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。
其实晶体管的电流放大关系和电子晶体管类似。
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，当穿过整管的电子流穿过基区时，基区类似于电子管的栅极作用，会对电子流进行拦截(电子会与基区中的空穴复合，穿过基区时消失)。
如果基区做得薄，掺杂程度低，基区的空穴数就会少，那么空穴对电子的截面流量就会小，相当于电子管的栅极稀疏，反之亦然。
显然，只要确定了晶体管三极管的内部结构，这个截比也就确定了。因此，为了获得更大的电流放大系数，使值足够高，在制作三极管时，基极区往往做得很薄，其掺杂程度也控制得很低。
与电子管不同，晶体管的拦截主要是通过穿透电子流中带负电的“电子”中和基区分布的带正电的“空穴”来实现的。因此，截流的效果主要取决于基区的孔数。
而且这个过程是一个动态的过程，在这个过程中“空穴”不断地被“电子”中和，同时“空穴”也不断地被外部的电源补充。在这个动态过程中，等效总孔数是不变的。基区中空穴的总数主要取决于基区的掺杂程度和厚度。只要确定了晶体管结构，就确定了基区空穴的总配额，也就确定了其对应的动态总量。
这样，截止比被确定，并且晶体管的电流放大因子的值是恒定值。这就是为什么在放大状态下，晶体管的电流Ic和Ib之间存在固定的比例关系。
6、截止状态的解释
比例关系表明，电流Ic在放大状态下受电流Ib以固定比例控制，而这个固定的控制比例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“电子”注入发射极区，所以此时既不会有电流Ib，也不会有电流Ic。
另外，从目前纯数学的放大公式更容易得出结论，Ic=Ib，Ib为0，显然Ic为0。
#新教学法中应注意的问题
上面我们用了一个新的切入角度，在讲解方法中讨论了三极管的原理。特别是为什么集电极电流是由集电极结un的反向导通形成的
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有必然的关系。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。而且这样的解释会使问题通俗易懂，生动形象，前后内容自然和谐，合乎逻辑。
这种说法的缺点是从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，本征载流子的电流往往对晶体管的特性有负面影响，需要克服。晶体管电流的放大主要通过掺杂载流子来实现。注意概念上的区别。
另外需要注意的是，晶体中载流子的问题本质上并不简单，它涉及到晶体的能级分析，能带结构，载流子运动的势垒分析。所以不仅仅是找一两个导体或者带载流子的半导体做一个PN结，还要做一个晶体管，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情况下，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！
文章来源：【微信微信官方账号：硬件攻城狮】欢迎添加关注！请注明文章出处。
审计唐子红
标签：电流电子PN