【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[7] 、 第二頁[3] 來充分討論。
雖然對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。相信這篇又臭又長的文章更能激發(fā)每一個閱讀者，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，就像場效應(yīng)管一樣也是一種電壓控制器件，而不是一個電流去控制另一個電流。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)計問題中，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。我們正式通過上述建立的黑盒子模型來理解帶有晶體管電子線路。值得警惕的是，當(dāng)我們想解開罩在晶體管上的迷霧去了解其內(nèi)部工作機(jī)理時，這些有用的黑盒子模型反而會干擾我們的理解。”
圖1 通常情況下對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”之間的差別就是你可以心平氣和的探討信仰，但對偏見卻不能。--無名氏”
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當(dāng)我在孩童時開始對電子科學(xué)感興趣的時候，就開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，信號通過發(fā)射極輸入到集體管。自從這種電路越來越少用，我也就不再夢想去尋找自己對晶體管工作機(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，信號從基極送入晶體管，放大信號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”電路來給小白們講解晶體管工作機(jī)理。
當(dāng)我上了專科學(xué)校之后，依然驚奇的發(fā)現(xiàn)對于雙極型三極管的工作原理解釋一塌糊涂。誠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] 方程來描述網(wǎng)絡(luò)傳遞方程。
但這仍然是將晶體管當(dāng)成一個黑盒子來看到，缺少對于其工作機(jī)理的解釋：到底小的基極電流如何影響大的集電極電流？ 仿佛所有人都對此問題漠不關(guān)心。班級中其他同學(xué)也都是把對公式的記憶當(dāng)成對于概念的學(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)，一種對數(shù)學(xué)的癡迷心態(tài)。與此對立的是理學(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）是一個徹底的巴比倫主義者，對我來說，在起初數(shù)學(xué)是沒有用處的。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)。對我來說，數(shù)學(xué)模型不是對事物本質(zhì)的描述，它只是一個工具、烹飪方法，它只能告訴你最終的數(shù)值結(jié)果，除此之外沒有別的，更沒有任何專業(yè)知識。
現(xiàn)在，許多年過去了，我想我現(xiàn)在知道了真正問題所在。
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、電子愛好者雜志上看到的一個個解釋都令人恐懼，到處充滿著錯誤和矛盾。他們對“電流”錯誤解釋稱某種流動的物質(zhì)，對于什么是絕緣體沒有能夠很好的說明。他們試圖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，但并不打算坐下來使用大白話來描述一下在三級管中到底發(fā)生了什么。使用共基放電電路來對小白們解釋工作機(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。如果我能夠做對了，就可以很容易對晶體管工作機(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。你會發(fā)現(xiàn)，一些新的概念將被引入。對你來說也許記住幾個公式比了解這些內(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于晶體管工作機(jī)理并沒有清晰的理解，而你將會在這方面超過他們。
首先，你需要拋棄電流在晶體管中穿行或者在導(dǎo)線中流動的觀念。是的，你聽我的沒錯：電流并不流動[6] ！電流從來就沒流動過，因?yàn)殡娏鲏焊筒皇且粋€實(shí)體。電流實(shí)際上是別的一些物體流動所導(dǎo)致的。
類比一下，你可以問問自己：什么東西在河道中流動？是“水流”？還是“河水”？
“既然電流是由電荷運(yùn)動引起的，所以通常“電流流動”的說法就應(yīng)該避免，因?yàn)樽置嫔纤钦f電荷的流動的流動。△ - MODERN COLLEGE PHYSICS, Richards, Sears, Wehr, Zemansky”
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電線中流動的到底是啥玩意？
那些在電線中移動的物體并不被稱為為“電流”，而是“電荷”。流動的是帶電粒子而不是電流。帶電粒子可以運(yùn)動、也可以靜止，但運(yùn)動本身并不流動，只有粒子才流動。
就像在河道（或者水管）里，是水在流動，而不是水流在流動。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”。輸水管道本來就充滿著水，水在其中流動。這一點(diǎn)比喻可以適用于電流。電線中并不充滿著“流動的電流”，而是預(yù)先充滿了各種帶電粒子。電荷是可以移動實(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。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！）。
如果在下面的思想實(shí)驗(yàn)中，將電流忽略，代以對帶電粒子運(yùn)動的運(yùn)動細(xì)節(jié)考察，就可以在電子器件原理的理解方面撥云見日。
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)動的，而是通過電位差，是通過導(dǎo)體內(nèi)部電場的推動產(chǎn)生定向運(yùn)動。帶電粒子不是被電源發(fā)送出來，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，通過電路中空曠的導(dǎo)線流動，那就大錯特錯了。同樣如果你認(rèn)為電源工作時對外提供電荷也是錯到?jīng)]邊了。電線并不是一個空的電子管道，電源也不對外提供任何電子。電源只是產(chǎn)生電流，或激勵出電流，在此過程中電源看起來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空的管道的想法，也不要考慮在電線中的流動的電流 。一旦拋開電流這個概念，我們便可以悟出簡單電路中令人驚訝的景象，嗯？！
如果將電路比喻成輸水管道，那么這個管道中永遠(yuǎn)充滿著水。基于這個觀點(diǎn)非常重要，否則對于半導(dǎo)體就無法理解，甚至導(dǎo)體也無法理解。金屬中包含了海量可以運(yùn)動的電子，仿佛形成了帶電液體。一塊銅片，就像一個電子水潭 ，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的帶電實(shí)體，無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在電場的驅(qū)動下運(yùn)動。
同樣請注意，金屬中的粒子是不帶電的。這是因?yàn)槊總€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，但整體上并沒有出現(xiàn)凈電荷。金屬中的這些沒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。抵消電荷可以移動，所以在沒有凈電荷的金屬中可以產(chǎn)生電荷流動。
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，其中的帶電粒子就會流動。
對于在中學(xué)里學(xué)到的“電燈泡電路解釋”重新進(jìn)行修正，下面是修改過的版本：
一個精確的對電燈泡電路的解釋：
電線中充滿著電荷（所有導(dǎo)體都是！）如果你將一些電線連接成一個固體環(huán)路，你就構(gòu)造了一個電路。這個金屬環(huán)路就像一個由帶電粒子形成的移動運(yùn)輸帶。接下來我們在環(huán)路中斷開幾處，接入電池、燈泡等。電池就像一個粒子泵，燈泡則像一個摩擦制動器。電池驅(qū)動著電荷沿著電線運(yùn)動，電線中所有的電荷都在運(yùn)動，此時燈泡就像摩擦制動器一樣摩擦發(fā)熱。
根據(jù)這個描述，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，更多的帶電粒子從燈絲另一端流入燈絲）。電池驅(qū)動帶電粒子通過它并從另一端離開，并沿著第二條線流向燈泡。它們通過燈泡內(nèi)的燈絲形成閉合回路。同時，電路中的其它部分電子都做相同的運(yùn)動。這就像 一個由帶電粒子組成的傳送帶。電線就像內(nèi)部藏有一個傳送帶。燈泡看起來像一個摩擦制動器，當(dāng)電荷被強(qiáng)迫通過時摩擦發(fā)熱。電池的作用是加速整個傳送到運(yùn)行速度，同時燈泡的阻力將它放慢。最終傳送到達(dá)到一個恒定的運(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。△ 無名氏”
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簡要總結(jié)：
??1. 導(dǎo)體中流動的是帶電粒子，而通常講的電流并不流動；
??2. 導(dǎo)體中的帶電粒子是由電場驅(qū)動下運(yùn)動；
??3. 任何電線中都預(yù)先充滿著海量可以移動的電荷；
??4. 電池、電源就像一個電荷泵；只提供電荷運(yùn)動的電壓，而不產(chǎn)生任何電荷；
??5. 電燈泡，或者電阻看起來像一個摩擦制動器；
最后，導(dǎo)體和絕緣體的差別很簡單：導(dǎo)體是一個預(yù)先充滿水的管道，而絕緣體則像一個被結(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)無法運(yùn)動。當(dāng)水管中存在水壓時，水會流動。但對于空水管，沒有任何可以流動的物體，所以也不會有水流。當(dāng)水管中結(jié)冰堵塞，冰被卡在其中無法移動，也同樣不會產(chǎn)水流。所以絕緣體，要么沒有帶電粒子，要么帶電粒子無法移動。這一點(diǎn)在很多教科書上描述錯誤。他們往往將導(dǎo)體定義為帶電粒子可以通過的物體，絕緣體則是阻礙帶電粒子通過。不是的，就像空氣，真空實(shí)際上并不阻礙帶電粒子通過，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帶電粒子的物體，而絕緣體則缺乏這些移動帶電粒子。
如果一本書在這些基礎(chǔ)概念上出現(xiàn)錯誤，那么后面的解釋，就像在垃圾上搭建的高樓，也會隨之崩塌。
在正式探討晶體管之前，還有一個事情：硅與普通的金屬存在著不同之處。金屬中充滿著可以動的帶電粒子，摻雜后的硅也通常充滿著可以移動的帶電粒子。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單：金屬中的移動帶電粒子很多，但硅中則很少。比如在銅中，每一個銅原子都可以貢獻(xiàn)一個可以移動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10億個硅原子才有一個可以貢獻(xiàn)一個可以移動的帶電粒子。此時，硅晶體就像一個空曠的空間，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渲锌梢砸苿拥碾娮尤框?qū)離出金屬晶體。所以，換個比喻方式：
??6. 在半導(dǎo)體中的帶電粒子就像一個可以壓縮的空氣，而金屬中的電子則像一個不可壓縮的液體。
如果將物體中的移動電荷清除，則會將該物體從導(dǎo)體變成絕緣體。如果將硅半導(dǎo)體比喻成一個橡膠水管，它就是一個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法將它們擠出。但對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。
好吧，下面讓我們先看看通常情況下對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NPN三極管打開。這個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。空穴就像一些帶有正電荷粒子，沿著電子流動的反方向送入基極。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，這里提到的流動的帶電粒子，不是指正電荷對應(yīng)的常規(guī)電流）
圖4 對于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于NPN三極管基極電流的解釋。為什么這一點(diǎn)對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！”。基極電流對于晶體管工作并不重要，它只是實(shí)際工作過程中的副產(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，我們需要在一開始就避開基極電流，而是抓住其它部分來幫助理解。請看下面的示意圖：
圖5 三極管結(jié)構(gòu)以及其中的可以動帶電粒子
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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，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。往一個方向撥動一個算盤珠，空穴就向反方向移動一格。當(dāng)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體相遇時，情況就不同了，n型半導(dǎo)體中獨(dú)自運(yùn)動電子與空穴相互結(jié)合，不會產(chǎn)生新的空穴。空穴與電子相互蠶食，最終形成了缺少 移動電荷的絕緣層。
記住：導(dǎo)體并不是允許電荷通過的物體（上面總結(jié)第3條）。實(shí)際上導(dǎo)體是充滿著可以移動電荷的物體。如果沒有可以自由移動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了。在硅晶體中，所有帶電粒子都不可以自由移動因此就形成了絕緣體。當(dāng)沒有電壓施加在這個耗散層上，這個絕緣層就會逐步變厚，此時三極管就被關(guān)斷了。
我喜歡將晶體管中硅晶體看成一個閃著銀光的導(dǎo)體（或者類似的金屬），但對于P-N結(jié)中的絕緣層，則想象成一個絕緣玻璃。所以，硅晶體就像一個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，這層絕緣層的厚度就會發(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)體中的電子就會在電壓驅(qū)動下往p型半導(dǎo)體移動，此時絕緣層就會變薄，直到電子和空穴云霧在絕緣層中相遇并結(jié)合。此時在基極-發(fā)射極之間就會建立起電流。這個電流對于的工作并不重要。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。
此時三極管就像一個在B-E之間包含一個絕緣玻璃層，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)動著在p型，n型中的移動電荷做相向運(yùn)動，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，一些移動的電荷便可以跳躍絕緣層而移動到對應(yīng)區(qū)域。所以可以將這個絕緣層看成有電壓控制的開關(guān)。當(dāng)施加正確的電壓時，開關(guān)閉合。這個開關(guān)是一個比例開關(guān)，流過的電荷多少與施加電壓之間存在關(guān)系。
對于硅半導(dǎo)體，開始能夠有電荷通過時所需要的電壓大約為0.3V。當(dāng)升到0.7V時，電流就會很高了。（這是對于硅半導(dǎo)體，對于其它半導(dǎo)體對應(yīng)的電壓閾值會不同）。
電壓越高，絕緣層越薄，通過整個晶體管的電流越大。通過施加正確的電壓，我們可以控制晶體三極管在閉合、打開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)槠渲邪梢砸苿拥膸щ娏Ｗ樱?/p>
??8. 在P型，N型摻雜硅相接觸時，在接觸面上產(chǎn)生一個絕緣層；
??9. 通過施加電壓可以改變絕緣層的厚度；
圖8 通過在B-E之間施加電壓可以將絕緣層變薄
“什么是物理？那是對人們已經(jīng)習(xí)以為常的事物產(chǎn)生新的深刻見解的學(xué)科。除非你對于某一個事物有兩到三個獨(dú)立方法進(jìn)行解釋，否則就別認(rèn)為自己已經(jīng)對它了解了。”
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好，我們所知的一切包含錯誤，晶體三極管并不是一個“電流放大器件”。而是一個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，我們想對晶體管哪一股帶電粒子流動進(jìn)行開關(guān)控制？啊，我們還需要在另外增加一個電路回路。在下面，我們將另一個電池施加在整個晶體管上，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打開三極管的開關(guān)，讓9V的集電極電池驅(qū)動大量帶電粒子垂直通過整個三極管。
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影響基極所施加的電壓嗎？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耗盡層難道不會將整個三極管關(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)藏在最后的一個問題中。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)體是一個很好的導(dǎo)體，所以最終我們只是得到一個單向?qū)ǖ亩O管。兩個電池之間存在電壓降，基極將它們短路連接起來。
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，但集電極也帶來了一些看起來更加奇怪的情形。
你會注意到，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。這不是一個缺陷嗎？這個電壓不就在集電極與基極接觸面上形成了第二個完整的耗盡層？
對！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)于一個關(guān)斷的絕緣開關(guān)，嗯？它是.....，不，它不是。我個人認(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)了很長時間，直到我不再考慮它那詭異之處，對于其中所發(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變得更厚，這使得下面B-E之間的并不會感覺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感受到集電極9V電壓的影響，但下面電路就不會受到影響。就像我們在電燈泡電路周圍晃動一個充滿電荷氣球在電燈電路周圍晃動，對于電路本身沒有任何影響。
然而！
由于基極電壓將在發(fā)射極上的絕緣層變薄，大量的 可移動電子會從發(fā)射極涌入基極。實(shí)際上只有少量電子會直接進(jìn)入基極，因?yàn)榇藭r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。或者在準(zhǔn)確一些，如果基極中的電子沒有離開，并且也沒有被空穴吞并，任何進(jìn)入基極的電子都會使得基極變成負(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，上層的絕緣層不像是絕緣的玻璃，而是絕緣的空氣層。只有在沒有 移動帶電粒子存在時，它才絕緣，但它并不阻礙移動的帶電粒子。然而，如果沒有帶電粒子存在，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被正向電壓排斥往下移動。從這一點(diǎn)上來看，耗散層一個絕緣層，它將移動的空穴往下排斥，移動的電子往上吸引。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。
圖12 三極管內(nèi)部帶電粒子工作細(xì)節(jié)
??
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，就會被吸引往上運(yùn)動。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，忽悠一下就會被吸引上去。被吸入的電子就會在剩下的電路中流入地線。這只有當(dāng)電子運(yùn)動到基極上層時才會發(fā)生。對于基極區(qū)域的下面，導(dǎo)電的基極就像一個金屬屏蔽罩對上面電場進(jìn)行屏蔽，下面電子實(shí)際上感覺不到來自集電極的吸引電場。
一些電子沖到基極上面離開基極，這緩解了基極的交通擁堵。當(dāng)基極中這些往上移動電子消失后，它們被集電極立即俘獲。下面就會有更多電子涌入基極，這就會使得更多電子往上沖去，如此反復(fù)，形成大量往上運(yùn)動電子。
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整個三極管主要電流的機(jī)制。任何從發(fā)射極透過薄的耗散層涌入基極的電子都同樣可以漂移過很薄的基極到達(dá)上半?yún)^(qū)域，最終形成集電極電流的 一部分。基極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電壓提供了對電子的吸引力，從而驅(qū)動主要縱向流動的電荷。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。在這個過程中，并沒有外部電壓驅(qū)使他們往上運(yùn)動。基極電壓產(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)。集電極電池也無法對它們漂移運(yùn)動施加推動，只有等到它們到達(dá)基極最上邊。
“如果你使得人們認(rèn)為他們在思考，他們會喜歡你。但當(dāng)你使得他們真正在思考，他們將會憎恨你。△ 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，不要感到驚訝。它花費(fèi)了我數(shù)年的時間才明白這一切。也只有在我上了兩個學(xué)期的工科課程，專門探討對這整個主題進(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)越來越多的出現(xiàn)在教課中，但顯然還沒有被廣泛的理解。一旦它們被理解，人們對于雙極性三極管是一個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)于一個可以部分開啟關(guān)閉的開關(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；
??12. 在集電極與基極之間存在著一個很厚的耗盡層；
??13. 這個耗盡層像是一個絕緣的空氣間隙；
??14. 任何隨機(jī)漂移過基極的電子都被集電極捕獲，在通過上層耗盡層過程中它們是被電壓驅(qū)動的。
??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，非常大量電子就會造成集電極電流狂增，此時三極管就有可能在集電極電壓作用下短路燒壞。所以讓它開關(guān)控制其它的器件，讓一個電燈泡串聯(lián)在集電極回路中。
圖13 使用三極管控制電燈泡的開關(guān)
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最后，我們還是看一下在基極引線中流動的電流。盡管是B-E之間的電壓來控制三極管，我們并沒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！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，只要乘以一個電流放大因子，就可以得到集電極電流。外邊看起來，三極充當(dāng)一個電流放大的作用。但實(shí)際上它是通過微小的電壓變化來影響大的電流。
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)來自發(fā)射極的電子都被集電極吸引過去，而只有少了的電子用來改變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。
一個地方的電壓控制另外一個地方的帶電粒子的流動。這個事實(shí)也決定了整個器件的命名。變化的電壓改變電流，所以器件像一個電阻。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簡化我們的電路分析過程。
嗯，關(guān)于晶體管工作機(jī)理的這個解釋是否像懶婆娘的裹腳布，又臭又長？如果想使得這個理解在大眾中變得容易，只有所有的教科書作者本身對晶體管工作機(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)建一些形象的動畫，將會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:
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:
http://amasci.com/miscon/whyhard1.html#cur
[7] Ebers-Moll:
http://www.google.com/search?q=transistor+ebers-moll
來源：TsinghuaJoking
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