晶体管的工作原理

Posted 2021-02-07 yumengqifei

晶体管，本名：半导体三极管（三极分别为发射极、基极和集电极；其中，发射极的电流最大，基极的电流最小，发射极的电流等于基极与集电极的电流之和）。对于晶体管，我们其实并不陌生，放大器就是晶体管的一个基础应用。

要想理解晶体管的工作原理，就必须先要理解二极管的工作原理。二极管由半导体材料制作而成，下面就以半导体材料硅为例来对此做介绍。硅的价电子层有四个电子（原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子构成，质子带正电，中子不带电，核外电子带负电，核外电子所带的负电量与质子所带的正电量相等，因此原子不带电）。每个硅原子都与其他四个相邻的硅原子相邻连接，每个电子都与周围的硅原子共享，这就被称为共价键（两个原子之间有一个共价键）。如果纯硅导电，电子会吸收一些能量从而变成自由态。虽然纯硅的导电率很低，但是有一种技术叫DOPING（在此我们可以理解为掺杂质），我们可以通过掺杂质的方法来提高硅的导电率。比如你注入价电子为5的磷，那么就会多出一个电子，这个电子会在系统里自由移动，这被称为N型DOPING。但是，如果你注入价电子层为3的硼，那么就会有一个放电子的空位，这个空位我们称之为空穴，与之相邻的电子随时可以把它填上，这种电子运动我们看作空穴对位运动，这被称为P型DOPING。因此，如果你以DOPING 的方式向半导体中注入杂质，那么一个晶体管就诞生了。

但是你如果真的想明白晶体管是怎样运作的，就必须要搞清楚元器层面上发生了什么，比如二极管，把硅晶体的一边DOPING成P型，另一边DOPING成N型，那么一个二极管就形成了。在N部分与P部分的交界线处，有趣的事情发生了——那里聚集了大量的电子，将会在一个自然的驱使下迁移至P型的空穴里。这会让P部分的边界轻微地带负电，N部分的空穴轻微地带正电（物体得到电子会带负电，失去电子会带正电）。这将会导致电场阻止任何一个电子迁移，如果在此时给二极管接上电源（正极与DOPING成的P型相接，负极与DOPING成的N型相接），电源会吸引电子与空穴（即会吸引P型边界的空穴，又会吸引N型边界的电子），在这种情况下是不可能会有电流的（电荷的定向移动才会产生电流，所谓电荷，就是指带正负电的基本粒子，其中带正电的粒子叫正电荷，带负电的粒子叫负电荷。粒子并非一个具体的物质，它是一种模型概念，是质子，中子和核外电子的统称）。然而，你若反转电源，情况就会截然不同，假设电源有足够的电压克服电位障碍（电位，也称电势，没有大小也没有方向，是一个标量，所谓标量就是指相对意义的量，比如说我们以海平面0米为标量，那么珠穆朗玛峰就是8844米，死海就是-415米。物理学中是这样定义电位的——单位正电荷由电场中某点A移到参考点O时电场力做的功与其所带电量的比值）。电子会立马被负极推动，电子通过电位障的时候他们会耗尽能量并轻易占尽P部分的空穴，再由于正极的吸引，这些电子可以马上跳进临近P部分的空穴里，并流动到外部电路，这被称为二极管的正向偏压。

认真记住二极管的工作原理，你就可以明白半导体三极管的运作。三极管是被DOPING成三部分的半导体。半导体三极管按结构分有两类——NPN型和PNP型。接下来我们以NPN型做介绍，由于半导体三极管内掺入的杂质不同——两边DOPING成P型，中间少部分被DOPING 成N型，并且N型的程度很低。如果将半导体三极管平均切成两半，就可以把这个半导体三极管看作为两个背靠背的二极管夹层。我们将这三部分分别设为N_１，P，N_２。此时如果我们给这个半导体三极管接通电源（正极与N_１相连，负极与N_２相连／或者正极与N_２相连，负极与N_１相连），你会发现不管怎样接通电源，一边的二极管总会反向偏压从而阻塞电流，这表明晶体管处于关闭状态。但是如果你在此时接通第二个电源（N_１与P相连，其中正极与P相连，负极与N_１相连），该电源应该有足够的电压克服电位障碍，此时N_１与P便构成一个正向偏压二极管，因此大量的电子会从N_１部分发射出来，就像在一个二极管中一些电子会与空穴结合，跳过邻近的空穴并流向基极（此时N１为发射极，P为基极，N２为集电极）。但是由于P层ＤＯＰＩＮＧ的程度较低，所以只有少量的电子会流向在N１与P相连的电路上流动，而其中大量的电子会经过N部分流向P_２，再经过第一个电源流向P_１，如此循环下去（此时第一个电源连接的情况是正极与P_２相连，负极与P_１相连）。因为P层很狭窄，这能够保证没有集中的电子流向第二个电源的正极，瞬间一个小的基极电流被放大到一个集电极电流，如果你提升基极电流，那么集电极电流也会按比例升高。

晶体管工作的基础是第一个晶体管的发射极与第二个晶体管的基极相连接，第二个晶体管的发射极与第三个晶体管的基极相连接，以此类推，因此晶体管的数量越多，被放大的信号也就越强。使用两个ＮＰＮ型的半导体三极管就可以构建寄存器的基本动态元件触发器了。