半导体物理中的一些基本概念

在解释其工作原理之前，先简单介绍一下半导体物理中的一些基本概念。

半导体是介于导体和绝缘体之间的介质，在不同的条件下可以表现出导电或不导电的特性。电子半导体器件中使用的材料大多是元素周期表中金属和非金属界面上的硅、锗等四价元素。

本征半导体是指完全没有杂质的纯半导体。因为它不含杂质，里面的载流子只是本征激发产生的，导电性很差。与之相对应的是非本征半导体，根据掺杂的不同可以分为N型半导体和P型半导体。

图1 本征半导体

N型半导体是指本征半导体掺杂有+5价元素(如P、Sb等)的半导体。因为最外层加了五个电子，共价键形成后会多一个电子，这个电子会变成自由电子。半导体被称为N型半导体，因为它们由于掺杂而具有额外的载流子作为自由电子。在N型半导体中，电子是主要的载流子。

图2 N型半导体

P型半导体是指在本征半导体中掺杂+3价元素(如B、Al)的半导体。因为最外层加了三个电子，形成共价键的时候会多一个“空位”。周围的电子会填补这个“空缺”，看起来“空缺”在移动。我们称这个“空缺”为洞。这种半导体被称为P型半导体，因为载流子空穴表现出正的电学特性。在p型半导体中，空穴是主要的载流子。

图3 P型半导体

三极管的结构

三极管结构有NPN和PNP两种，因为电子的迁移率比空穴高，所以NPN比PNP三极管应用更广泛。本文介绍了NPN三极管。下图是NPN晶体管内部结构的示意图和符号。可以看出，晶体管的基本结构是由两个背靠背的PN结组成的。基极和发射极之间的PN结称为发射极结，基极和集电极之间的PN结称为集电结。

图4 三极管的结构图和符号

在三极管器件的设计中，通常在发射极区进行N型高掺杂，使得发射极结正向偏置时，从发射极区注入基极区的电子在基极区形成相当高的电子浓度梯度。基区被设计得非常薄，以至于只有一小部分注入基区的电子与多个空穴复合形成基区电流。与基极电子复合的稳定的空穴流需要基极提供电流来维持它们。设计中，集电极区掺杂低P型，面积大，使基极区的高浓度电子扩散到集电极区，形成集电极电流。

图5 三极管中的载流子分布

三极管的工作原理

图6是三极管共发射极电路，图7是三极管的Ic-Vce输出特性曲线。三极管的输出特性曲线对电路分析非常重要，它可以分为截止区、线性放大区和饱和区。我们非常有必要深入了解各个地区的工作条件和工作机制。将参照图6和图7分析每个区域的工作状态。

图6 共发射极状态下内部载流子的分布

图7 三极管的输出特性曲线和工作状态

在图6中，我们向三极管的发射极结施加正向偏置电压，因为PN结(发射结)的输入曲线(图8)是指数型的，即当输入电压超过二极管的mosfet时，输入电压增加很少，输入电流急剧增加。同时，三极管基极区的复合空穴主要由基极提供，所以双极型晶体管也称为电流模式控制器件。相应地，MOSFET被称为电压模式控制器件，因为它通过电压来控制输出电流。

图8 pn结特性曲线

1.当输入电压小于三极管的mosfet时，输入基极电流非常小，小于基极截止电流。此时，只有一个小的集电极截止电流，三极管工作在截止状态。

2.当输入电压高于三极管的mosfet时，输入基极电流由(Vin-Vbe)/R1决定。此时，在正向偏置基极电压的作用下，高掺杂发射极区的电子穿过发射极结扩散到基极区。扩散到基区的小部分自由电子与基区的空穴复合形成基区电流，复合的空穴由基区电流补充。当集电极结反转时，基极区的大部分电子继续扩散，进入集电极区，形成集电极电流。

在基极电流不变的情况下，集电极-发射极电压Vce从零开始缓慢增加(因为此时Vbe≈0.7V，当Vce从零开始增加时，意味着集电极结电压Vcb从-0.7V缓慢增加到正值。也就是说，集电极结缓慢地从0.7V正向偏置变为反向偏置(图9)。

当集电极电压为0，即集电极结的正向偏置电压为0.7V时，来自发射极区的自由电子被由集电极结的正向偏置电压0.7V建立的势垒完全阻挡..集电极电流几乎为零。

当集电极电压缓慢升高，但集电极结电压仍处于正偏置状态时，基极区的电子由于集电极结势垒降低，开始进入集电极区形成集电极电流。集电极正向偏置电压越低，基极电子越容易向集电极扩散，集电极电流越大。因此，集电极电流随着Vce的增加而增加。

当集电极电压大到足以使集电极结零偏或反偏时，基区的自由电子除了与基区的空穴复合外，几乎可以进入集电极区形成集电极电流。此时，集电极电压再次升高，但集电极电流没有增加。

当基极电流增大时，从PN结的特性可知，电流增大通常伴随着电压增大或者电压增大导致电流增大。因此，当基极电流增加时，相应的发射极结电压也增加，从发射极区扩散到基极区的自由电子也增加。当集电极结处于反向偏置时，相应的集电极电流线性增加。当集电极结反向偏置或零偏置时，集电极电流随着基极电流的增加而线性增加。此时三极管工作在线性放大区。

图9 三极管的工作状态与偏置有关

3.从2中的分析可知，当集电极结正向偏置(正向偏置电压<0.7V)时，基极区的电子向集电极区的扩散受阻。此时，虽然基极电流的增加仍然会增加进入基极区的电子数量，但集电极电流不会增加，因为从基极区扩散到集电极区的电子受到集电极结正向偏置的影响。换句话说，在这种情况下，集电极电流的增加受到集电极结正向偏置的限制，基极电流不再是限制因素。在集电极结正向偏置的情况下，集电极电流不会随着基极电流的增加而增加，称为饱和。此时三极管工作在饱和状态。

由以上分析可知，三极管工作在饱和状态，与基极电流关系不大，与集电极结的偏置状态有关。在图9所示的工作电路中，假设Vce=5V，因为Vbe≈0.7V，集电极结处于反向偏置状态，三极管应该工作在线性放大区。理论上，如果基极电流继续增加，晶体管集电极电流也会一直线性增加。因此，对于Vce=5V，如果基极电流足够大，集电极电流也会非常大，直到器件的发热超过其结温，导致器件烧毁。

在图6的情况下，当基极电流从0增加时，三极管将从截止区进入线性放大区(参见图7)。随着基极电流的增加，由于集电极结反向偏置，三极管工作在线性区域，集电极电流也随之增加。当基极电流足够大时，Vce电压降低，使集电极结正向偏置，三极管进入饱和区。三极管的工作状态沿着图7中的红色曲线从b点到a点移动。Vcc电源与一个电阻串联，以限制集电极电流。

电子电路应用分析

三极管的不同工作状态可以用于不同的目的。三极管工作在线性放大区，可用于设计线性稳压器。工作在截止区和饱和区，可作为开关电源的开关。下面是一个串联线性稳压电源的例子，说明它在不同电路中的作用。

串联型线性稳压源

图10 串联电压调整器

该电路是由稳压器控制的串联稳压器，输出稳定的Vbe电压。从电路可以看出，三极管的集电极结是反向偏置的，发射极结是正向偏置的，工作在线性放大区。将参照图10分析电路的工作状态。

当负载电阻降低时，负载电流通过发射极结电容的放电而增加。此时集电极电流保持不变，因为三极管还没有来得及调整。

由于发射极结电容放电增加的电流不足以保持负载电压恒定，输出电压Vo的降低导致Vbe增加，使得发射极结积累的电子扩散到集电极区域，增加集电极电流。也就是说，基极电流增加，集电极电流增加，从而提供负载所需的额外电流。

当调整到稳定状态时，输出电压会比调整前稍低。随着负载电流的增加，三极管对应的基极电流也增加，所以对应的Vbe也更大，所以输出电压Vo=Vz-Vbe也略低。

图11可以更好地描述串联线性稳压器负载电流增大时三极管工作状态的变化。

图11

当负载电流变小时，可以用同样的方法分析。

三极管因为是NPN/PNP结构，所以结构比较复杂。要想更好的应用，就要从本质上理解它的工作机制。本文从半导体物理的角度分析了三极管在不同工作条件下的工作机理，并以串联线性稳压器为例分析了其工作过程。