三极管基础
一，三极管结构和工作原理
三极管全称半导体三极管。我们从它众多的名字中可以看出一些三极管的结构特性：它相对于二极管多了一极——三极；
如果从这个定义出发，我们广义的来看三极管，它包括了很多种类的器件：双极型晶体管（BJT），达林顿管，晶闸管，场效应管（MOS）以及IGBT。
但当你听到有人说电路中需要用到一个三极管，那他绝不是需要一个达林顿管，晶闸管，MOS管和IGBT；他就是特指：双极型晶体管（BJT），以至于大多数人都忘记它本来的名字，你可知“Triode”不是它真姓；双极型晶体管全称：双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）；我们先从它的本名出发来分析BJT的结构特性：
1. 双极性：“自由电子”和“空穴”两种载流子流动参与导电（MOS管是单极性）；
2. 结型：由两个PN结背靠背组成。
我们从功能角度来给三极管下一个定义：一种与其它电路元件结合使用时可产生电流增益、电压增益和的信号功率增加以的多结半导体器件；因此三极管是有源器件（二极管是无源器件）。
我们现在看来似乎非常简单的三极管其实并不简单：1947年12月，贝尔实验室的科学家们发明了点接触形式的双极性晶体管；1948年，肖克利发明了采用结型构造的双极性晶体管。BJT是电子学历史上具有革命意义的发明，其发明者：威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布喇顿被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。
此后基于BJT又发明了开关速度更快、损耗更小的MOSFET；从此，BJT和MOSFET除了作为开关器件应用的同时，也成为了现代大规模集成电路的基本逻辑单元。
接下来分析的“三极管”特性均是指：双极型晶体管（BJT）。
1，三极管的结构
如下图所示，三极管有三个掺杂不同的扩散区和两个PN结，根据两个PN结组成结构的不同，可分为两种不同结构的三极管：NPN型和PNP型；简单来说三极管就是在一块半导体基片上制作出两个相距很近的PN结：
1. 发射结（BE结）；
2. 集电结（BC结）。
从两个PN结看，将整块半导体分成了三部分：
1. 基区；
2. 发射区；
3. 集电区。
同时对外呈现三个电极：
1. B极：基极（Base）；
2. C极：集电极（Collector）；
3. E极：发射机（Emitter）。
从上图三极管的简化结构图中，以NPN为例我们看到：基区（B）的宽度很小，掺杂浓度中等（P+），发射区的掺杂浓度最高（N++），集电区掺杂浓度最低（N）。这些特性都对三极管工作特性有非常大的作用。
如下图为集成电路工艺制造的NPN型三极管的截面图，我们可以明显看到实际结构并不像简化结构中那么简单；造成实际结构复杂的原因有两个：
1. 各端口引线要做在表面，为降低半导体电阻和引线与半导体的接触电阻，必须要有重掺杂的N++型掩埋层；
2. 一片半导体材料上要制造很多个三极管，彼此之间要隔离开来，需要通过添加P+型区形成反偏的PN结或添加氧化物，来实现器件的隔离。
通过上图，我们看到三极管并非是对称的器件：虽然从示意图中可以是2个N型半导体夹1个P型半导体，但发射区和集电区的掺杂浓度和几何形状都是有很大的不同。所以三极管并非是有两个二极管简单拼凑而成，如下图所示，每个区都有各自不同的特点：
1. 发射区高掺杂：发射区半导体掺浓度高（载流子多）、面积小，便于放射电子；
2. 基区尺度很薄：3~30μm，掺杂浓度低；
3. 集电结面积大：集电区半导体掺杂浓度低（载流子少）、面积大，便于收集电子。
2，三极管工作原理
首先我们需要思考一个问题：如果将两个二极管背靠背放置，从中间引出一根信号线加上电压（如下图所示），那它是否会变成一个三极管，导通并具有放大的功能？很显然，这样的两个二极管组合后并不能变成一个三极管；那为什么在特殊结构下就能变成三极管呢？
在分析三极管之前，我们再来回顾下关于PN结导电机制：PN结正、反偏时，多数载流子和少数载流子充当的角色，决定了PN结的单向导电特性；
1. 正偏时：多数载流子载流导电，电流大；
2. 反偏时：少数载流子载流导电，电流小；而此时少数载流子无需抵消PN结的内建电场，反向通过PN结比多数载流子正向通过要容易的多。
2.1放大状态工作原理
接下来我们以NPN型三极管为例（PNP原理相同，将“空穴”看成“正电子”）来推导其导电理论，在典型情况下发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度分贝是：10¹⁹ cm⁻³，10¹⁷ cm⁻³和10¹⁵ cm⁻³，如下图所示。
如下左图所示，正常情况下在BE之间加正电压（0.7V），在BC之间加正电压（放大状态），所以B-E结是正偏，B-C结是反偏的，这种情况称为正向有源模式：
1. 发射结（B-E）正偏，而发射区（E区）掺杂浓度很大，所以大量“自由电子”越过发射结注入基区（B区）；
2. 基区（B区）本身非常薄（几um级别），所以在基区的“空穴”不足以将从发射区（E区）涌入进来的大量“自由电子”全部复合，其实绝大部分“自由电子”都不能被基于的空穴捕获；
——假如放大倍数是100倍，那么有大约1%的“自由电子”被基区捕获。
3. 集电结（B-C）反偏，所以B-C结边界少子——“自由电子”的浓度为0，如下右图所示：大的电子浓度梯度（有载流子浓度的梯度，说明就有载流子运动）表明从发射区（E区）注入的“自由电子”越过基区（B区）扩散到集电结（B-C）的空间电荷区中；
4. 关于集电结（B-C）反偏，我们再换一种解释：由于从发射结越过到基区（B区）非常多的“自由电子”，而对基区来说“自由电子”是少子，当集电结反偏时，基区的少子：“自由电子”就非常容易穿越空间电荷区进入集电区（C区），从而打通C-E的电流路径；此时集电极C电流Ic的大小主要取决于发射区E载流子对基区的发射与注入，几乎与集电极C电位的高低没有什么关系。
5. 三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要取决于基极B的构造：
1, 在放大状态下，三极管的电流主要由发射极E经基极B再到集电极C的“自由电子”，电流在穿越基极时会被截流，存在截流比（ Ib：Ie）问题；
2, 基极B拦截下来的电流是电流Ib，其余的穿过基极B到达集电极C的电流就是Ic；
3, 只要三极管的内部结构确定，电流放大倍数值就确定，是固定不变的（会随IC，温度等变化）；因此放大倍数β的值主要与基极B的疏密度（掺杂浓度及厚度）有关：基极B越密（掺杂浓度高）则β值越低（被截留比例越高），基极B越疏（掺杂浓度低）则β值越高（被截留比例越低）。
我们看到对于三极管来说，电流传输以B区为界分为两部分：
1. B-E处于正偏状态：由于电流调制效应，“空穴”和“自由电子”均参与了电流传输（双极）；
2. B-C处于反偏状态：只有“自由电子”参与了电流传输（单极）。
2.2其它状态工作原理
上述为三极管放大状态的分析，但在饱和状态：B-E结正偏， B-C结正偏；截止状态：B-E结反偏，B-C结反偏；放大状态的理论分析是否还适用呢？
1. 当NPN三极管工作在截止区时：少子分布如上左图所示，由于B-E结和B-C结均反偏，于是每个空间电荷区边界少子的浓度为0；所以基区（B区）没有少子——“自由电子”，B-C反偏就不可能有电流产生。
2. 当NPN三极管工作在饱和区时：少子分布如上右图所示，由于B-E结和B-C结均正偏，因此每个空间电荷区边界少子的浓度都不为0；由于基区（B区）的少子-“自由电子”的浓度还是存在浓度梯度，所以有“自由电子”从基区（B区）扩散到集电区（C区）；
3. 关于饱和区的工作原理，我们用PN结正、反导通理论来解释：由于B-E结和B-C结均正偏，按道理来说，发射区（E区）和集电区（C区）的“自由电子”都会穿越空间电荷区到达基区（B区），所以电流的流向应该是B->E和B->C，但实际上并不是这样的，电流方向是C->B->E；那为什么会这样呢？
1, 我们知道PN结的载流子运动分为两个：漂移运动和扩散运动；漂移运动取决于电场而扩散运动取决于载流子浓度梯度；
——举个栗子：新家装修后如何最快速度消除甲醛？答案是：开窗通风；因为要制造尽量大的板材与房间空气甲醛浓度差，这样甲醛才能尽快地从板材扩散到空气。
2, 在实际应用中，B-E正偏电压为0.7V，而B-C正偏电压为0.4V左右（Vce = 0.3V）；那么B-E正偏电压已足以打通B-E空间电荷区，而B-C正偏电压不足以打通B-C空间电荷区；所以集电区（C区）不会有“自由电子”穿越B-C空间电荷区到达基区（B区）；
3, 同时在发射区（E区）不断向基区（B区）注入“自由电子”，其“自由电子”浓度变的非常大，甚至远大于集电区（C区）的“自由电子”浓度，此时平衡被打破：扩散运动大于漂移运动，形成了“自由电子”从基区（B区）到集电区（C区）的电流。
还有一种特殊的情况，即如下图所示NPN三极管工作在反向有源模式，此时B-C结正偏，B-E结反偏。此时可以看成三极管的C极和E极接反了，那在这种情况下的三极管还能正常工作么？
“自由电子”从集电区（C区）注入基区（B区），与正向有源模式相比，基区（B区）中少子的电子浓度梯度方向刚好相反；一般来说B-C结面积比B-E结面积要大的多，因此不是所有“自由电子”都能被发射极收集，而且集电区（C区）和发射区（E区）的掺杂浓度也很不相同，所以在反向有源模式下（E极和C极接反的情况下），虽然也能工作，但三极管的特性会完全不同。
