【導(dǎo)讀】本文節(jié)選自 WILLIAM J. BEATY[1] 在1995年寫的一篇博文：HOW DO TRANSISTORS WORK? NO, HOW DO THEY REALLY WORK?[2] ，他就自己對(duì)于雙極性三極管工作機(jī)理的理解進(jìn)行了討論。他很善于表達(dá)，前后分成了 第一頁(yè)[7] 、 第二頁(yè)[3] 來(lái)充分討論。
雖然對(duì)于他的講解所使用的觀點(diǎn)與方法我尚未完全理解和認(rèn)同，但還是被他那充滿思考的論述以及詳盡的表示所吸引。相信這篇又臭又長(zhǎng)的文章更能激發(fā)每一個(gè)閱讀者，特別是工程技術(shù)人員去深入探索事物背后的物理機(jī)制。
大多數(shù)關(guān)于晶體三極管內(nèi)部工作機(jī)理講解的技術(shù)書籍都講解的不好。首先他們都是先假設(shè)三極管基極電流以某種方式控制著集電極電流，然后在解釋它們是如何相互影響的。這種講解注定要失敗，是因?yàn)槠胀ǖ碾p極性三極管，就像場(chǎng)效應(yīng)管一樣也是一種電壓控制器件，而不是一個(gè)電流去控制另一個(gè)電流。真實(shí)情況是基極-發(fā)射極電壓（Ube）控制著基極-發(fā)射極之間PN結(jié)的具有絕緣特性的耗盡層（Depletion）厚度，這層耗盡層位于基極、集電極電流的通道上。
“原作者注：本文探究設(shè)計(jì)型晶體管內(nèi)部工作機(jī)制：是從物理學(xué)家的視角，而不是從工程師或者技術(shù)人員應(yīng)用的角度。在解決電路設(shè)計(jì)問(wèn)題中，工程師需要將晶體管看成是電流放大器件模型，或是可變跨導(dǎo)器件，或是電荷控制的電流源。我們正式通過(guò)上述建立的黑盒子模型來(lái)理解帶有晶體管電子線路。值得警惕的是，當(dāng)我們想解開(kāi)罩在晶體管上的迷霧去了解其內(nèi)部工作機(jī)理時(shí)，這些有用的黑盒子模型反而會(huì)干擾我們的理解?！?/p>
圖1 通常情況下對(duì)于雙極型三極管電流放大機(jī)制示意圖
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“信仰”與“偏見(jiàn)”之間的差別就是你可以心平氣和的探討信仰，但對(duì)偏見(jiàn)卻不能。--無(wú)名氏”
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當(dāng)我在孩童時(shí)開(kāi)始對(duì)電子科學(xué)感興趣的時(shí)候，就開(kāi)始潛心探究晶體管是如何工作的。嗯，已經(jīng)達(dá)到了某種癡迷的程度。
我看過(guò)很多解釋“共基”放大電路的文章，這種“共基”放大電路最初是由晶體管發(fā)明者所使用的一種工作模式。使用鍺半導(dǎo)體做成的基極接地，信號(hào)通過(guò)發(fā)射極輸入到集體管。自從這種電路越來(lái)越少用，我也就不再夢(mèng)想去尋找自己對(duì)晶體管工作機(jī)理的解釋了，轉(zhuǎn)而在已知的“共射”放大電路的基礎(chǔ)上來(lái)建立晶體管工作原理。共射電路中，晶體管的發(fā)射極連接公共地，信號(hào)從基極送入晶體管，放大信號(hào)則是由集電極到電源的阻抗上產(chǎn)生。
圖2 最早晶體三極管專利與其工作原理介紹
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盡管存在著自己不滿意的地方，但基于共射電路來(lái)闡述晶體管工作原理還是行得通的。令人想不明白的是，為何教科書總是使用“共基”電路來(lái)給小白們講解晶體管工作機(jī)理。
當(dāng)我上了?？茖W(xué)校之后，依然驚奇的發(fā)現(xiàn)對(duì)于雙極型三極管的工作原理解釋一塌糊涂。誠(chéng)然三極管都是被精確的數(shù)學(xué)描述了：只要把基極電流乘以參數(shù)hfe就可以得到集電極電流；或者把三極管當(dāng)成雙端口網(wǎng)絡(luò)，使用 Ebers-Moll[4] 方程來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)傳遞方程。
但這仍然是將晶體管當(dāng)成一個(gè)黑盒子來(lái)看到，缺少對(duì)于其工作機(jī)理的解釋：到底小的基極電流如何影響大的集電極電流？ 仿佛所有人都對(duì)此問(wèn)題漠不關(guān)心。班級(jí)中其他同學(xué)也都是把對(duì)公式的記憶當(dāng)成對(duì)于概念的學(xué)習(xí)和工作原理的探究。
圖3 Collctor Current Determination
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R. Feynman[5] 將這種學(xué)習(xí)態(tài)度稱為歐幾里得式學(xué)習(xí)或者希臘式觀點(diǎn)，一種對(duì)數(shù)學(xué)的癡迷心態(tài)。與此對(duì)立的是理學(xué)家，他們采用* 巴比倫式觀點(diǎn) ，即概念遠(yuǎn)比公式重要。
我（作者）是一個(gè)徹底的巴比倫主義者，對(duì)我來(lái)說(shuō)，在起初數(shù)學(xué)是沒(méi)有用處的。公式就像程序Spice中的黑盒子一樣，盡快可以有效的工作，但無(wú)法產(chǎn)出器件中真實(shí)的工作機(jī)理。我可以學(xué)習(xí)公式，但它們就像在大腦中運(yùn)行的Spice程序一樣，用不到電腦，但仍然無(wú)法知道晶體管究竟如何工作的。
首先告訴我晶體管工作機(jī)制是什么，產(chǎn)生栩栩如生圖像，使用恰當(dāng)?shù)谋扔鳌Ｎ抑挥性谥庇^上和骨子里了解了事物的機(jī)理之后，數(shù)學(xué)模型才是有用的，并可以提純和精煉一些細(xì)節(jié)。對(duì)我來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型不是對(duì)事物本質(zhì)的描述，它只是一個(gè)工具、烹飪方法，它只能告訴你最終的數(shù)值結(jié)果，除此之外沒(méi)有別的，更沒(méi)有任何專業(yè)知識(shí)。
現(xiàn)在，許多年過(guò)去了，我想我現(xiàn)在知道了真正問(wèn)題所在。
傳統(tǒng)的晶體管工作機(jī)理解釋都太差勁了。
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在高中課本、電子愛(ài)好者雜志上看到的一個(gè)個(gè)解釋都令人恐懼，到處充滿著錯(cuò)誤和矛盾。他們對(duì)“電流”錯(cuò)誤解釋稱某種流動(dòng)的物質(zhì)，對(duì)于什么是絕緣體沒(méi)有能夠很好的說(shuō)明。他們?cè)噲D證明基極電流可以直接影響集電極電流。工程師的參考書中花費(fèi)大量的篇幅推導(dǎo)公式，并進(jìn)行軟件仿真，但并不打算坐下來(lái)使用大白話來(lái)描述一下在三級(jí)管中到底發(fā)生了什么。使用共基放電電路來(lái)對(duì)小白們解釋工作機(jī)理的人大有人在。用這種方法愚弄人難道僅僅這是傳統(tǒng)的解釋方法嗎？為啥不多費(fèi)些心思去改善解釋，難道這些都是玉皇大帝發(fā)布的金句良言？
好吧，如果只有我而沒(méi)有別人認(rèn)為關(guān)于晶體管的解釋需要改善，我就需要兌現(xiàn)我的承諾。如果我能夠做對(duì)了，就可以很容易對(duì)晶體管工作機(jī)理的解釋得到顯著的改善。
下面就是關(guān)于我對(duì)于晶體管如何工作的真實(shí)機(jī)理的想法，它不是基于技術(shù)書籍或者電子愛(ài)好者雜志中的傳統(tǒng)解釋，而是根據(jù)半導(dǎo)體物理以及Evers-Moll模型背后的細(xì)節(jié)。我將通常的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成可以描述、直觀的闡述方式。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，一些新的概念將被引入。對(duì)你來(lái)說(shuō)也許記住幾個(gè)公式比了解這些內(nèi)部機(jī)理更容易，一旦你想解碼我的闡述以及附加的ASCII字符圖形，你就已經(jīng)成為可以真正懂得晶體管的少數(shù)精英。我發(fā)現(xiàn)很多資深的電子工程師對(duì)于晶體管工作機(jī)理并沒(méi)有清晰的理解，而你將會(huì)在這方面超過(guò)他們。
首先，你需要拋棄電流在晶體管中穿行或者在導(dǎo)線中流動(dòng)的觀念。是的，你聽(tīng)我的沒(méi)錯(cuò)：電流并不流動(dòng)[6] ！電流從來(lái)就沒(méi)流動(dòng)過(guò)，因?yàn)殡娏鲏焊筒皇且粋€(gè)實(shí)體。電流實(shí)際上是別的一些物體流動(dòng)所導(dǎo)致的。
類比一下，你可以問(wèn)問(wèn)自己：什么東西在河道中流動(dòng)？是“水流”？還是“河水”？
“既然電流是由電荷運(yùn)動(dòng)引起的，所以通常“電流流動(dòng)”的說(shuō)法就應(yīng)該避免，因?yàn)樽置嫔纤钦f(shuō)電荷的流動(dòng)的流動(dòng)?！?- MODERN COLLEGE PHYSICS, Richards, Sears, Wehr, Zemansky”
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電線中流動(dòng)的到底是啥玩意？
那些在電線中移動(dòng)的物體并不被稱為為“電流”，而是“電荷”。流動(dòng)的是帶電粒子而不是電流。帶電粒子可以運(yùn)動(dòng)、也可以靜止，但運(yùn)動(dòng)本身并不流動(dòng)，只有粒子才流動(dòng)。
就像在河道（或者水管）里，是水在流動(dòng)，而不是水流在流動(dòng)。關(guān)于輸水管道，也只有我們放棄管道是空的，才能很好理解管道網(wǎng)絡(luò)，從而相信一種神奇的事物叫“水流”。輸水管道本來(lái)就充滿著水，水在其中流動(dòng)。這一點(diǎn)比喻可以適用于電流。電線中并不充滿著“流動(dòng)的電流”，而是預(yù)先充滿了各種帶電粒子。電荷是可以移動(dòng)實(shí)體，它是由物理粒子攜帶，并以實(shí)際的速度和方向運(yùn)動(dòng)。這些帶電粒子行為上很像氣體，或者液體。但是電流與帶電粒子不同：帶電粒子是實(shí)體，但電流不是的。（如果將電流比作風(fēng)，那么帶電粒子就是氮原子?。?/p>
如果在下面的思想實(shí)驗(yàn)中，將電流忽略，代以對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)考察，就可以在電子器件原理的理解方面撥云見(jiàn)日。
其次，導(dǎo)體中的帶電粒子并不是靠相互之間的推搡而產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)的，而是通過(guò)電位差，是通過(guò)導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)的推動(dòng)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。帶電粒子不是被電源發(fā)送出來(lái)，就像水從水塔中流出那樣。如果你想象著電子從電源負(fù)極流出，通過(guò)電路中空曠的導(dǎo)線流動(dòng)，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。同樣如果你認(rèn)為電源工作時(shí)對(duì)外提供電荷也是錯(cuò)到?jīng)]邊了。電線并不是一個(gè)空的電子管道，電源也不對(duì)外提供任何電子。電源只是產(chǎn)生電流，或激勵(lì)出電流，在此過(guò)程中電源看起來(lái)并不是往電線里面發(fā)送電荷。電源更像水管中的水泵。水泵僅僅提供管道中的水壓，它不提供水本身。
第三，你是否參透了電子線路直觀理解中的最大的秘密？
所有導(dǎo)線都已經(jīng)充滿了帶電粒子
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包括金屬線、硅半導(dǎo)體等等，都像充滿水的管道或者水池。這里的水是指導(dǎo)體中數(shù)量眾多的可以自由移動(dòng)帶電粒子。電路可以看成“充滿水的管道”。這種想法常常被“流動(dòng)的電流”、“電源發(fā)送電流”等概念所蒙蔽。我們需要拋棄電線像一個(gè)空的管道的想法，也不要考慮在電線中的流動(dòng)的電流 。一旦拋開(kāi)電流這個(gè)概念，我們便可以悟出簡(jiǎn)單電路中令人驚訝的景象，嗯？！
如果將電路比喻成輸水管道，那么這個(gè)管道中永遠(yuǎn)充滿著水?；谶@個(gè)觀點(diǎn)非常重要，否則對(duì)于半導(dǎo)體就無(wú)法理解，甚至導(dǎo)體也無(wú)法理解。金屬中包含了海量可以運(yùn)動(dòng)的電子，仿佛形成了帶電液體。一塊銅片，就像一個(gè)電子水潭 ，物理學(xué)家稱其為“金屬中的電子海洋”，或者“帶電粒子海洋”。半導(dǎo)體同樣也充滿著可以移動(dòng)的帶電實(shí)體，無(wú)論它們是連接在電路中還是擺在書櫥里。當(dāng)電壓施加在一塊硅片中，里面的帶電粒子就會(huì)在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。
同樣請(qǐng)注意，金屬中的粒子是不帶電的。這是因?yàn)槊總€(gè)一電子周圍都存在這質(zhì)子，所以盡管金屬中存在海量的帶電粒子，但整體上并沒(méi)有出現(xiàn)凈電荷。金屬中的這些沒(méi)有電荷的粒子可以被稱為“抵消的電荷”。盡管電子上的電荷被周圍質(zhì)子中的電荷抵消，但依然可以在質(zhì)子周圍移動(dòng)。抵消電荷可以移動(dòng)，所以在沒(méi)有凈電荷的金屬中可以產(chǎn)生電荷流動(dòng)。
好吧，既然“管道”中已經(jīng)充滿了液體，在理解電路中我們就不應(yīng)該將電源輸出端口作為電路的開(kāi)始起點(diǎn)，相反可以把電路中任何元器件當(dāng)做電路的起點(diǎn)。當(dāng)考察的元器件被施加電壓時(shí)，其中的帶電粒子就會(huì)流動(dòng)。
對(duì)于在中學(xué)里學(xué)到的“電燈泡電路解釋”重新進(jìn)行修正，下面是修改過(guò)的版本：
一個(gè)精確的對(duì)電燈泡電路的解釋：
電線中充滿著電荷（所有導(dǎo)體都是?。┤绻銓⒁恍╇娋€連接成一個(gè)固體環(huán)路，你就構(gòu)造了一個(gè)電路。這個(gè)金屬環(huán)路就像一個(gè)由帶電粒子形成的移動(dòng)運(yùn)輸帶。接下來(lái)我們?cè)诃h(huán)路中斷開(kāi)幾處，接入電池、燈泡等。電池就像一個(gè)粒子泵，燈泡則像一個(gè)摩擦制動(dòng)器。電池驅(qū)動(dòng)著電荷沿著電線運(yùn)動(dòng)，電線中所有的電荷都在運(yùn)動(dòng)，此時(shí)燈泡就像摩擦制動(dòng)器一樣摩擦發(fā)熱。
根據(jù)這個(gè)描述，帶電粒子從燈泡中燈絲的一端出發(fā)（注意，并不是從電池出發(fā)，而是在燈泡內(nèi)分析）。帶電粒子被強(qiáng)迫流過(guò)燈絲，然后從另外一端流出，并沿著第一段連接金屬線流向電源接口。（在同時(shí)，更多的帶電粒子從燈絲另一端流入燈絲）。電池驅(qū)動(dòng)帶電粒子通過(guò)它并從另一端離開(kāi)，并沿著第二條線流向燈泡。它們通過(guò)燈泡內(nèi)的燈絲形成閉合回路。同時(shí)，電路中的其它部分電子都做相同的運(yùn)動(dòng)。這就像 一個(gè)由帶電粒子組成的傳送帶。電線就像內(nèi)部藏有一個(gè)傳送帶。燈泡看起來(lái)像一個(gè)摩擦制動(dòng)器，當(dāng)電荷被強(qiáng)迫通過(guò)時(shí)摩擦發(fā)熱。電池的作用是加速整個(gè)傳送到運(yùn)行速度，同時(shí)燈泡的阻力將它放慢。最終傳送到達(dá)到一個(gè)恒定的運(yùn)行速度，燈泡發(fā)熱發(fā)光。
“真相在使得你放飛自我之前先把你惹毛了?！?無(wú)名氏”
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簡(jiǎn)要總結(jié)：
??1. 導(dǎo)體中流動(dòng)的是帶電粒子，而通常講的電流并不流動(dòng)；
??2. 導(dǎo)體中的帶電粒子是由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)；
??3. 任何電線中都預(yù)先充滿著海量可以移動(dòng)的電荷；
??4. 電池、電源就像一個(gè)電荷泵；只提供電荷運(yùn)動(dòng)的電壓，而不產(chǎn)生任何電荷；
??5. 電燈泡，或者電阻看起來(lái)像一個(gè)摩擦制動(dòng)器；
最后，導(dǎo)體和絕緣體的差別很簡(jiǎn)單：導(dǎo)體是一個(gè)預(yù)先充滿水的管道，而絕緣體則像一個(gè)被結(jié)冰堵塞的水管。它們都包含有帶電物質(zhì)，但絕緣體中的帶電物質(zhì)無(wú)法運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水管中存在水壓時(shí)，水會(huì)流動(dòng)。但對(duì)于空水管，沒(méi)有任何可以流動(dòng)的物體，所以也不會(huì)有水流。當(dāng)水管中結(jié)冰堵塞，冰被卡在其中無(wú)法移動(dòng)，也同樣不會(huì)產(chǎn)水流。所以絕緣體，要么沒(méi)有帶電粒子，要么帶電粒子無(wú)法移動(dòng)。這一點(diǎn)在很多教科書上描述錯(cuò)誤。他們往往將導(dǎo)體定義為帶電粒子可以通過(guò)的物體，絕緣體則是阻礙帶電粒子通過(guò)。不是的，就像空氣，真空實(shí)際上并不阻礙帶電粒子通過(guò)，但它們是良好的絕緣體。事實(shí)上，導(dǎo)體是一些充滿可移動(dòng)帶電粒子的物體，而絕緣體則缺乏這些移動(dòng)帶電粒子。
如果一本書在這些基礎(chǔ)概念上出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么后面的解釋，就像在垃圾上搭建的高樓，也會(huì)隨之崩塌。
在正式探討晶體管之前，還有一個(gè)事情：硅與普通的金屬存在著不同之處。金屬中充滿著可以動(dòng)的帶電粒子，摻雜后的硅也通常充滿著可以移動(dòng)的帶電粒子。它們之間有什么區(qū)別嗎？
當(dāng)然有，這是關(guān)于“帶隙”的概念，是電子和空穴之間的差異。但這不是最重要的。真正重要的差別也很簡(jiǎn)單：金屬中的移動(dòng)帶電粒子很多，但硅中則很少。比如在銅中，每一個(gè)銅原子都可以貢獻(xiàn)一個(gè)可以移動(dòng)的電子組成電子海洋。銅中的電子液體非常稠密，與銅里面的原子一樣稠密（是指的數(shù)量上）。但在摻雜后的硅中，僅僅每10億個(gè)硅原子才有一個(gè)可以貢獻(xiàn)一個(gè)可以移動(dòng)的帶電粒子。此時(shí)，硅晶體就像一個(gè)空曠的空間，游蕩者少量的 帶電粒子。在普通的硅中 ，你可以只需要幾個(gè)伏特電壓就可以將其中帶電粒子清除出晶體，而在金屬中則需要幾十億伏的電壓在能夠?qū)⑵渲锌梢砸苿?dòng)的電子全部驅(qū)離出金屬晶體。所以，換個(gè)比喻方式：
??6. 在半導(dǎo)體中的帶電粒子就像一個(gè)可以壓縮的空氣，而金屬中的電子則像一個(gè)不可壓縮的液體。
如果將物體中的移動(dòng)電荷清除，則會(huì)將該物體從導(dǎo)體變成絕緣體。如果將硅半導(dǎo)體比喻成一個(gè)橡膠水管，它就是一個(gè)充滿著可壓縮氣體的管道，很容易將其中的氣體擠壓并將其變成一個(gè)絕緣體。如果將銅線比喻成橡膠水管，則其中充滿著不可壓縮的鐵屑，你可以擠壓它們但無(wú)法將它們擠出。但對(duì)于充滿氣體的橡膠軟管，可以比較容易從旁邊擠壓，使其通道關(guān)斷，阻止流動(dòng)。
好吧，下面讓我們先看看通常情況下對(duì)于晶體三極管解釋方法。
當(dāng)在晶體三極管的基極和發(fā)射極之間施加正電壓，便可以將一個(gè)NPN三極管打開(kāi)。這個(gè)外部施加的電壓使得基極中的電子流出，并流向電源正極。這使得基極中出現(xiàn)更多的空穴?？昭ň拖褚恍в姓姾闪Ｗ?，沿著電子流動(dòng)的反方向送入基極。按照這種講法，基極的引線仿佛就像在往基極注入空穴，也就是注入帶電粒子。
（注意，這里提到的流動(dòng)的帶電粒子，不是指正電荷對(duì)應(yīng)的常規(guī)電流）
圖4 對(duì)于NPN三極管施加B-E正向電壓
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這就是通常情況下對(duì)于NPN三極管基極電流的解釋。為什么這一點(diǎn)對(duì)于理解三極管工作十分重要呢？就是因?yàn)椤皩?shí)際情況不是這樣的！”?；鶚O電流對(duì)于晶體管工作并不重要，它只是實(shí)際工作過(guò)程中的副產(chǎn)品。而真正其關(guān)鍵作用的是一層絕緣層，通常被稱為“耗盡層”的區(qū)域。如果注意力都放在基極電流上，大多數(shù)作者都會(huì)在他們的解釋中走入死胡同。為了避免這種結(jié)局，我們需要在一開(kāi)始就避開(kāi)基極電流，而是抓住其它部分來(lái)幫助理解。請(qǐng)看下面的示意圖：
圖5 三極管結(jié)構(gòu)以及其中的可以動(dòng)帶電粒子
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在晶體管中的耗盡層存在于基極與發(fā)射極之間，它是一個(gè)絕緣層。為什么那里存在絕緣層？這是因?yàn)榛鶚O是 p型摻雜半導(dǎo)體，其中充滿著自發(fā)產(chǎn)生的空穴，當(dāng)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，n型半導(dǎo)體中的電子落入空穴從而形成了耗盡層。
圖6 三極管中B-E之間的耗盡層
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雖然在 p型半導(dǎo)體中也有電子，就像算盤中排列緊密的算盤珠，空穴相當(dāng)于一排算盤珠子中間的間隔。往一個(gè)方向撥動(dòng)一個(gè)算盤珠，空穴就向反方向移動(dòng)一格。當(dāng)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體相遇時(shí)，情況就不同了，n型半導(dǎo)體中獨(dú)自運(yùn)動(dòng)電子與空穴相互結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生新的空穴?？昭ㄅc電子相互蠶食，最終形成了缺少 移動(dòng)電荷的絕緣層。
記?。簩?dǎo)體并不是允許電荷通過(guò)的物體（上面總結(jié)第3條）。實(shí)際上導(dǎo)體是充滿著可以移動(dòng)電荷的物體。如果沒(méi)有可以自由移動(dòng)電荷的物體都是絕緣體。所以在耗盡層中，所有極性相反電荷相互湮滅消失，就像算盤中所有的空擋都被算珠填滿，則不再有算盤珠可以移動(dòng)了。在硅晶體中，所有帶電粒子都不可以自由移動(dòng)因此就形成了絕緣體。當(dāng)沒(méi)有電壓施加在這個(gè)耗散層上，這個(gè)絕緣層就會(huì)逐步變厚，此時(shí)三極管就被關(guān)斷了。
我喜歡將晶體管中硅晶體看成一個(gè)閃著銀光的導(dǎo)體（或者類似的金屬），但對(duì)于P-N結(jié)中的絕緣層，則想象成一個(gè)絕緣玻璃。所以，硅晶體就像一個(gè)可以變成玻璃的金屬。
圖7 在B-E之間的耗散層就像夾在導(dǎo)電硅中間的一層絕緣玻璃
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每當(dāng)在基極與發(fā)射極之間施加電壓時(shí)，這層絕緣層的厚度就會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)（+）極施加在p型（基極）半導(dǎo)體，（-）極施加在n型（發(fā)射極）半導(dǎo)體，在n型半導(dǎo)體中的電子就會(huì)在電壓驅(qū)動(dòng)下往p型半導(dǎo)體移動(dòng)，此時(shí)絕緣層就會(huì)變薄，直到電子和空穴云霧在絕緣層中相遇并結(jié)合。此時(shí)在基極-發(fā)射極之間就會(huì)建立起電流。這個(gè)電流對(duì)于的工作并不重要。關(guān)鍵是施加在基極-發(fā)射極的電壓引起B(yǎng)-E之間的絕緣層變薄，使得發(fā)射極-基極之間的電荷可以流通。
此時(shí)三極管就像一個(gè)在B-E之間包含一個(gè)絕緣玻璃層，它的厚度可以由施加在B-E之間的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。B-E電壓增加，絕緣層變薄，反之變厚。這是因?yàn)槭┘拥碾妷候?qū)動(dòng)著在p型，n型中的移動(dòng)電荷做相向運(yùn)動(dòng)，從而改變它們之間絕緣層的厚度。當(dāng)絕緣層薄的一定程度，一些移動(dòng)的電荷便可以跳躍絕緣層而移動(dòng)到對(duì)應(yīng)區(qū)域。所以可以將這個(gè)絕緣層看成有電壓控制的開(kāi)關(guān)。當(dāng)施加正確的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合。這個(gè)開(kāi)關(guān)是一個(gè)比例開(kāi)關(guān)，流過(guò)的電荷多少與施加電壓之間存在關(guān)系。
對(duì)于硅半導(dǎo)體，開(kāi)始能夠有電荷通過(guò)時(shí)所需要的電壓大約為0.3V。當(dāng)升到0.7V時(shí)，電流就會(huì)很高了。（這是對(duì)于硅半導(dǎo)體，對(duì)于其它半導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的電壓閾值會(huì)不同）。
電壓越高，絕緣層越薄，通過(guò)整個(gè)晶體管的電流越大。通過(guò)施加正確的電壓，我們可以控制晶體三極管在閉合、打開(kāi)或者部分閉合等狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。
檢查一下我們得到了什么結(jié)論？晶體三極管并不是由電流控制。相反它是由基極-發(fā)射極之間的電壓控制。
??7. P型，N型摻雜硅是導(dǎo)體，因?yàn)槠渲邪梢砸苿?dòng)的帶電粒子；
??8. 在P型，N型摻雜硅相接觸時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生一個(gè)絕緣層；
??9. 通過(guò)施加電壓可以改變絕緣層的厚度；
圖8 通過(guò)在B-E之間施加電壓可以將絕緣層變薄
“什么是物理？那是對(duì)人們已經(jīng)習(xí)以為常的事物產(chǎn)生新的深刻見(jiàn)解的學(xué)科。除非你對(duì)于某一個(gè)事物有兩到三個(gè)獨(dú)立方法進(jìn)行解釋，否則就別認(rèn)為自己已經(jīng)對(duì)它了解了?！?/p>
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好，我們所知的一切包含錯(cuò)誤，晶體三極管并不是一個(gè)“電流放大器件”。而是一個(gè)有基極電壓控制的元器件。
絕緣層的厚度變化改變著晶體管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。既然基極電壓是改變絕緣層厚度的因素，是否我們就可以不用管基極電流了呢？
且慢，我們想對(duì)晶體管哪一股帶電粒子流動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制？啊，我們還需要在另外增加一個(gè)電路回路。在下面，我們將另一個(gè)電池施加在整個(gè)晶體管上，連接在發(fā)射極與集電極。這里使用了9V的電池。
圖9 增加了集電極-發(fā)射極工作電壓源
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所以，基極上施加的電池用來(lái)打開(kāi)三極管的開(kāi)關(guān)，讓9V的集電極電池驅(qū)動(dòng)大量帶電粒子垂直通過(guò)整個(gè)三極管。
集電極硅是使用的什么類型摻雜？施加在集電極上的電池電壓難道不會(huì)影響基極所施加的電壓?jiǎn)?？使用三層結(jié)構(gòu)到底是究竟是為了什么？在集電極-基極之間的的第二個(gè)耗盡層難道不會(huì)將整個(gè)三極管關(guān)斷嗎？你不是想形成集電極電流嗎？那就直接把集電極9V電壓連在基極上不就行了嗎？
所有的答案都蘊(yùn)藏在最后的一個(gè)問(wèn)題中。如果我們不要集電極那一層，而是將9V集電極電壓直接連接在基極上。由于半導(dǎo)體是一個(gè)很好的導(dǎo)體，所以最終我們只是得到一個(gè)單向?qū)ǖ亩O管。兩個(gè)電池之間存在電壓降，基極將它們短路連接起來(lái)。
圖10 直接將集電極電壓源連接在基極上
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所以，集電極這一層是必須增加的，但集電極也帶來(lái)了一些看起來(lái)更加奇怪的情形。
你會(huì)注意到，施加在集電極上的電池（+）極是在集電極，但集電極卻是 n型半導(dǎo)體。這不是一個(gè)缺陷嗎？這個(gè)電壓不就在集電極與基極接觸面上形成了第二個(gè)完整的耗盡層？
對(duì)！既然使用了9V電壓，它驅(qū)使P型中的空穴遠(yuǎn)離耗盡層，所以這層耗盡層很厚。相當(dāng)于一個(gè)關(guān)斷的絕緣開(kāi)關(guān)，嗯？它是.....，不，它不是。我個(gè)人認(rèn)為這是三極管工作機(jī)制中最令人感到奇怪的部分了。我花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，直到我不再考慮它那詭異之處，對(duì)于其中所發(fā)生的機(jī)理頓感醍醐灌頂。
圖11 共射三極管工作狀態(tài)
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首先，這層新的耗散層阻擋了集電極電壓對(duì)于三極管其它部分的影響。如果增加9V電池電壓，基極-集電極之間絕緣層就會(huì)變得更厚，這使得下面B-E之間的并不會(huì)感覺(jué)到集電極電壓的影響。
其次，在基極的上層，靠近集電極部分耗盡層則會(huì)感受到集電極9V電壓的影響，但下面電路就不會(huì)受到影響。就像我們?cè)陔姛襞蓦娐分車蝿?dòng)一個(gè)充滿電荷氣球在電燈電路周圍晃動(dòng)，對(duì)于電路本身沒(méi)有任何影響。
然而！
由于基極電壓將在發(fā)射極上的絕緣層變薄，大量的 可移動(dòng)電子會(huì)從發(fā)射極涌入基極。實(shí)際上只有少量電子會(huì)直接進(jìn)入基極，因?yàn)榇藭r(shí)在基極發(fā)生了交通擁堵，除非基極引線可以將造成交通擁堵電子吸出去?；蛘咴跍?zhǔn)確一些，如果基極中的電子沒(méi)有離開(kāi)，并且也沒(méi)有被空穴吞并，任何進(jìn)入基極的電子都會(huì)使得基極變成負(fù)極性，從而排斥更多的電子從發(fā)射極上升到基極。你看，這是不是一個(gè)交通擁堵？
所以現(xiàn)在我們看到一股由少量電子形成的稀疏的電子云發(fā)射極升騰而起，一些漂移到p型基極區(qū)域的上半部分。結(jié)果呢，這些電子云感受到9V電池正向電壓的吸引。此時(shí)，上層的絕緣層不像是絕緣的玻璃，而是絕緣的空氣層。只有在沒(méi)有 移動(dòng)帶電粒子存在時(shí)，它才絕緣，但它并不阻礙移動(dòng)的帶電粒子。然而，如果沒(méi)有帶電粒子存在，電壓也不能夠產(chǎn)生電流。
另外，不要忘記在基極中存在著豐富的帶電的空穴，一旦它們漂移到上面耗散層都會(huì)被正向電壓排斥往下移動(dòng)。從這一點(diǎn)上來(lái)看，耗散層一個(gè)絕緣層，它將移動(dòng)的空穴往下排斥，移動(dòng)的電子往上吸引。如果你將集電極、基極都想象成導(dǎo)體，那么它們之間的耗散層就好比真空區(qū)間，里面產(chǎn)生了靜電場(chǎng)。
圖12 三極管內(nèi)部帶電粒子工作細(xì)節(jié)
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我們已經(jīng)將集電極充電到+9V電壓。在耗盡層出現(xiàn)的空隙中如果伸出一些脆米糕碎屑，如果它們帶有負(fù)電荷，就會(huì)被吸引往上運(yùn)動(dòng)。那好，在基極中游蕩的少量電子，這些帶有負(fù)電荷粒子一旦漂移到基極上層，忽悠一下就會(huì)被吸引上去。被吸入的電子就會(huì)在剩下的電路中流入地線。這只有當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)到基極上層時(shí)才會(huì)發(fā)生。對(duì)于基極區(qū)域的下面，導(dǎo)電的基極就像一個(gè)金屬屏蔽罩對(duì)上面電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，下面電子實(shí)際上感覺(jué)不到來(lái)自集電極的吸引電場(chǎng)。
一些電子沖到基極上面離開(kāi)基極，這緩解了基極的交通擁堵。當(dāng)基極中這些往上移動(dòng)電子消失后，它們被集電極立即俘獲。下面就會(huì)有更多電子涌入基極，這就會(huì)使得更多電子往上沖去，如此反復(fù)，形成大量往上運(yùn)動(dòng)電子。
交通擁堵，與基極-發(fā)射極之間耗散薄層的閥門作用，它們形成了控制流過(guò)整個(gè)三極管主要電流的機(jī)制。任何從發(fā)射極透過(guò)薄的耗散層涌入基極的電子都同樣可以漂移過(guò)很薄的基極到達(dá)上半?yún)^(qū)域，最終形成集電極電流的 一部分?；鶚O電壓是控制薄耗盡層的厚度，從而控制了涌入集電極電荷的數(shù)量。集電極的9V電壓提供了對(duì)電子的吸引力，從而驅(qū)動(dòng)主要縱向流動(dòng)的電荷。如果我們改變集電極電壓，它并不能改變集電極電流。這是因?yàn)樗皇俏四切┯苫鶚O電壓控制的電子，所以集電極電壓不能夠改變集電極電流。這就是通常所說(shuō)的壓控-恒流源。
注意，基極需要做的相當(dāng)薄，這一點(diǎn)很重要，這樣可以使得交通擁堵現(xiàn)象變得最大化，也可以使得那些通過(guò)基極引線游離出基極的電荷減少。我們依靠電子自己在基極自行漂移的自然能力。在這個(gè)過(guò)程中，并沒(méi)有外部電壓驅(qū)使他們往上運(yùn)動(dòng)?；鶚O電壓產(chǎn)生的吸引力只是使得漂移電子往基極引線端偏移一點(diǎn)點(diǎn)。集電極電池也無(wú)法對(duì)它們漂移運(yùn)動(dòng)施加推動(dòng)，只有等到它們到達(dá)基極最上邊。
“如果你使得人們認(rèn)為他們?cè)谒伎?，他們?huì)喜歡你。但當(dāng)你使得他們真正在思考，他們將會(huì)憎恨你?！?Don Marquis”
哎呦，上面講的的確夠多的了，很難一下子消化掉。如果它使得你的大腦將所有拼圖連在一起時(shí)，不要感到驚訝。它花費(fèi)了我數(shù)年的時(shí)間才明白這一切。也只有在我上了兩個(gè)學(xué)期的工科課程，專門探討對(duì)這整個(gè)主題進(jìn)行描述 Ebers-Moll[7] 數(shù)學(xué)模型之后才明白。Ebers-Moll模型所給出的電壓控制電壓的觀點(diǎn)越來(lái)越多的出現(xiàn)在教課中，但顯然還沒(méi)有被廣泛的理解。一旦它們被理解，人們對(duì)于雙極性三極管是一個(gè)電壓控制器件并不感到煩惱，集電極電流與B-E之間的電壓成比例關(guān)系。
至此，我們做些總結(jié)：
??10. 晶體管相當(dāng)于一個(gè)可以部分開(kāi)啟關(guān)閉的開(kāi)關(guān)；
??11. 施加在集電極-發(fā)射極之間的電壓源是為了產(chǎn)生大量帶電粒子移動(dòng)；
??12. 在集電極與基極之間存在著一個(gè)很厚的耗盡層；
??13. 這個(gè)耗盡層像是一個(gè)絕緣的空氣間隙；
??14. 任何隨機(jī)漂移過(guò)基極的電子都被集電極捕獲，在通過(guò)上層耗盡層過(guò)程中它們是被電壓驅(qū)動(dòng)的。
??15. 基極電壓可以改變集電極電流，但集電極電壓只有很小的影響；
如果我們加大基極電壓，發(fā)射極耗盡層變薄，直到完全打開(kāi)，非常大量電子就會(huì)造成集電極電流狂增，此時(shí)三極管就有可能在集電極電壓作用下短路燒壞。所以讓它開(kāi)關(guān)控制其它的器件，讓一個(gè)電燈泡串聯(lián)在集電極回路中。
圖13 使用三極管控制電燈泡的開(kāi)關(guān)
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最后，我們還是看一下在基極引線中流動(dòng)的電流。盡管是B-E之間的電壓來(lái)控制三極管，我們并沒(méi)有將基極電流完全忽略，它還是有重要的作用。僅僅是巧合，對(duì)！非常巧合，微弱的基極-發(fā)射極之間的電流與強(qiáng)大的集電極-發(fā)射極之間電流呈現(xiàn)比例關(guān)系。所以，當(dāng)我們知道基極電流時(shí)，只要乘以一個(gè)電流放大因子，就可以得到集電極電流。外邊看起來(lái)，三極充當(dāng)一個(gè)電流放大的作用。但實(shí)際上它是通過(guò)微小的電壓變化來(lái)影響大的電流。
基極電流與集電極電流成比例關(guān)系，并非真的是偶然，它們都與基極-發(fā)射極電壓有關(guān)系，這個(gè)電壓控制著基極-發(fā)射極耗散層的厚度。之所以集電極電流大，是因?yàn)榻^大多數(shù)來(lái)自發(fā)射極的電子都被集電極吸引過(guò)去，而只有少了的電子用來(lái)改變B-E之間的電壓，從而控制B-E耗盡層厚度，所以基極電流很小。
一個(gè)地方的電壓控制另外一個(gè)地方的帶電粒子的流動(dòng)。這個(gè)事實(shí)也決定了整個(gè)器件的命名。變化的電壓改變電流，所以器件像一個(gè)電阻。但是控制電流的電壓是在別的不同的電路回路上，所以這種電壓對(duì)電流影響的效果是從基極回路轉(zhuǎn)移到（Transferred）集電極回路。轉(zhuǎn)移電阻（Transfer Resistor = Transistor）。
??16. 基極電壓控制集電極電流；
??17. 真的是純粹巧合？從基極泄露出的電流與集電極電流成比例；
??18. 晶體管不是電流放大器件。但當(dāng)我們將其假裝看成電流放大器件會(huì)簡(jiǎn)化我們的電路分析過(guò)程。
嗯，關(guān)于晶體管工作機(jī)理的這個(gè)解釋是否像懶婆娘的裹腳布，又臭又長(zhǎng)？如果想使得這個(gè)理解在大眾中變得容易，只有所有的教科書作者本身對(duì)晶體管工作機(jī)理有著良好的理解，他們不再向人們傳輸三極管是一個(gè)電流放大器件才行。或許，我掐掉我的煙蒂，創(chuàng)建一些形象的動(dòng)畫，將會(huì)使得上面的描述更加靠近大眾。
參考資料
[1] WILLIAM J. BEATY:
http://amasci.com/me.html
[2] HOW DO TRANSISTORS WORK? NO, HOW DO THEY REALLY WORK?:
http://amasci.com/amateur/transis.html
[3] 第二頁(yè):
http://amasci.com/amateur/transis2.html
[4] Ebers-Moll:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/trans2.html#c2
[5] R. Feynman:
http://amasci.com/feynman.html
[6] 電流并不流動(dòng):
http://amasci.com/miscon/whyhard1.html#cur
[7] Ebers-Moll:
http://www.google.com/search?q=transistor+ebers-moll
來(lái)源：TsinghuaJoking
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