晶体三极管如何工作的？不，我是问它的真实工作原理

“信仰”与“偏见”之间的差别就是你可以心平气和的探讨信仰，但对偏见却不能。

–无名氏

??当我在孩童时开始对电子科学感兴趣的时候，就开始潜心探究晶体管是如何工作的。嗯，已经达到了某种痴迷的程度。

??我看过很多解释“共基”放大电路的文章，这种“共基”放大电路最初是由晶体管发明者所使用的一种工作模式。使用锗半导体做成的基极接地，信 通过发射极输入到集体管。自从这种电路越来越少用，我也就不再梦想去寻找自己对晶体管工作机理的解释了，转而在已知的“共射”放大电路的基础上来建立晶体管工作原理。共射电路中，晶体管的发射极连接公共地，信 从基极送入晶体管，放大信 则是由集电极到电源的阻抗上产生。

??R. Feynman 将这种学习态度称为欧几里得式学习或者希腊式观点，一种对数学的痴迷心态。与此对立的是理学家，他们采用* 巴比伦式观点 ，即概念远比公式重要。

??首先告诉我晶体管工作机制是什么，产生栩栩如生图像，使用恰当的比喻。我只有在直观上和骨子里了解了事物的机理之后，数学模型才是有用的，并可以提纯和精炼一些细节。对我来说，数学模型不是对事物本质的描述，它只是一个工具、烹饪方法，它只能告诉你最终的数值结果，除此之外没有别的，更没有任何专业知识。

??现在，许多年过去了，我想我现在知道了真正问题所在。

??在高中课本、电子爱好者杂志上看到的一个个解释都令人恐惧，到处充满着错误和矛盾。他们对“电流”错误解释称某种流动的物质，对于什么是绝缘体没有能够很好的说明。他们试图证明基极电流可以直接影响集电极电流。工程师的参考书中花费大量的篇幅推导公式，并进行软件仿真，但并不打算坐下来使用大白话来描述一下在三级管中到底发生了什么。使用共基放电电路来对小白们解释工作机理的人大有人在。用这种方法愚弄人难道仅仅这是传统的解释方法吗啥不多费些心思去改善解释，难道这些都是玉皇大帝发布的金句良言/p>

??好吧，如果只有我而没有别人认为关于晶体管的解释需要改善，我就需要兑现我的承诺。如果我能够作对了，就可以很容易对晶体管工作机理的解释得到显著的改善。

??下面就是关于我对于晶体管如何工作的真实机理的想法，它不是基于技术书籍或者电子爱着杂质中的传统解释，而是根据半导体物理以及Evers-Moll模型背后的细节。我将通常的数学模型转换成可以描述、直观的阐述方式。你会发现，一些新的概念将被引入。对你来说也许记住几个公式比了解这些内部机理更容易，一旦你想解码我的阐述以及附加的ASCII字符图形，你就已经成为可以真正懂得晶体管的少数精英。我发现很多资深的电子工程师对于晶体管工作机理并没有清晰的理解，而你将会在这方面超过他们。

??首先，你需要抛弃电流在晶体管中穿行或者在导线中流动的观念。是的，你听我的没错： 电流并不流动 ！电流从来就没流动过，因为电流压根就不是一个实体。电流实际上是别的一些物体流动所导致的。

??类比一下，你可以问问自己：什么东西在河道中流动“水流”是“河水”/p>

既然电流是由电荷运动引起的，所以通常“电流流动”的说法就应该避免，因为字面上它是说电荷的流动的流动。

△ – MODERN COLLEGE PHYSICS, Richards, Sears, Wehr, Zemansky

??电线中流动的到底是啥玩意/p>

??那些在电线中移动的物体并不被称为为“电流”，而是“电荷”。流动的是带电粒子而不是电流。带电粒子可以运动、也可以静止，但运动本身并不流动，只有粒子才流动。

??就像在河道（或者水管）里，是水在流动，而不是水流在流动。关于输水管道，也只有我们放弃管道是空的，才能很好理解管道 络，从而相信一种神奇的事物叫“水流”。输水管道本来就充满着水，水在其中流动。这一点比喻可以适用于电流。电线中并不充满着“流动的电流”，而是预先充满了各种带电粒子。电荷是可以移动实体，它是由物理粒子携带，并以实际的速度和方向运动。这些带电粒子行为上很像气体，或者液体。但是电流与带电粒子不同：带电粒子是实体，但电流不是的。（如果将电流比作风，那么带电粒子就是氮原子！）。

??如果在下面的思想实验中，将电流忽略，代以对带电粒子运动的运动细节考察，就可以在电子器件原理的理解方面拨云见日。

??其次，导体中的带电粒子并不是靠相互之间的推搡而产生定向运动的，而是通过电位差，是通过导体内部电场的推动产生定向运动。带电粒子不是被电源发送出来，就像水从水塔中流出那样。如果你想象着电子从电源负极流出，通过电路中空旷的导线流动，那就大错特错了。同样如果你认为电源工作时对外提供电荷也是错到没边了。电线并不是一个空的电子管道，电源也不对外提供任何电子。电源只是产生电流，或激励出电流，在此过程中电源看起来并不是往电线里面发送电荷。电源更像水管中的水泵。水泵仅仅提供管道中的水压，它不提供水本身。

??第三，你是否参透了电子线路直观理解中的最大的秘密/p>

??包括金属线、硅半导体等等，都像充满水的管道或者水池。这里的水是指导体中数量众多的可以自由移动带电粒子。电路可以看成“充满水的管道”。这种想法常常被“流动的电流”、“电源发送电流”等概念所蒙蔽。我们需要抛弃电线像一个空的管道的想法，也不要考虑在电线中的流动的电流 。一旦抛开电流这个概念，我们便可以悟出简单电路中令人惊讶的景象，嗯

??如果将电路比喻成输水管道，那么这个管道中永远充满着水。基于这个观点非常重要，否则对于半导体就无法理解，甚至导体也无法理解。金属中包含了海量可以运动的电子，仿佛形成了带电液体。一块铜片，就像一个电子水潭 ，物理学家称其为“金属中的电子海洋”，或者“带电粒子海洋”。半导体同样也充满着可以移动的带电实体，无论它们是连接在电路中还是摆在书橱里。当电压施加在一块硅片中，里面的带电粒子就会在电场的驱动下运动。

??同样请注意，金属中的粒子是不带电的。这是因为每个一电子周围都存在这质子，所以尽管金属中存在海量的带电粒子，但整体上并没有出现净电荷。金属中的这些没有电荷的粒子可以被称为“抵消的电荷”。尽管电子上的电荷被周围质子中的电荷抵消，但依然可以在质子周围移动。抵消电荷可以移动，所以在没有净电荷的金属中可以产生电荷流动。

??好吧，既然“管道”中已经充满了液体，在理解电路中我们就不应该将电源输出端口作为电路的开始起点，相反可以把电路中任何元器件当做电路的起点。当考察的元器件被施加电压时，其中的带电粒子就会流动。

??对于在中学里学到的“电灯泡电路解释”重新进行修正，下面是修改过的版本：

??一个精确的对电灯泡电路的解释：

??电线中充满着电荷（所有导体都是！）如果你将一些电线连接成一个固体环路，你就构造了一个电路。这个金属环路就像一个由带电粒子形成的移动运输带。接下来我们在环路中断开几处，接入电池、灯泡等。电池就像一个粒子泵，灯泡则像一个摩擦制动器。电池驱动着电荷沿着电线运动，电线中所有的电荷都在运动，此时灯泡就像摩擦制动器一样摩擦发热。

??根据这个描述，带电粒子从灯泡中灯丝的一端出发（注意，并不是从电池出发，而是在灯泡内分析）。带电粒子被强迫流过灯丝，然后从另外一端流出，并沿着第一段连接金属线流向电源接口。（在同时，更多的带电粒子从灯丝另一端流入灯丝）。电池驱动带电粒子通过它并从另一端离开，并沿着第二条线流向灯泡。它们通过灯泡内的灯丝形成闭合回路。同时，电路中的其它部分电子都做相同的运动。这就像 一个由带电粒子组成的传送带。电线就像内部藏有一个传送带。灯泡看起来像一个摩擦制动器，当电荷被强迫通过时摩擦发热。电池的作用是加速整个传送到运行速度，同时灯泡的阻力将它放慢。最终传送到达到一个恒定的运行速度，灯泡发热发光。

真相在使得你放飞自我之前先把你惹毛了。

△ 无名氏

??简要总结：

??1. 导体中流动的是带电粒子，而通常讲的电流并不流动；
??2. 导体中的带电粒子是由电场驱动下运动；
??3. 任何电线中都预先充满着海量可以移动的电荷；
??4. 电池、电源就像一个电荷泵；只提供电荷运动的电压，而不产生任何电荷；
??5. 电灯泡，或者电阻看起来像一个摩擦制动器；

??最后，导体和绝缘体的差别很简单：导体是一个预先充满水的管道，而绝缘体则像一个被结冰堵塞的水管。它们都包含有带电物质，但绝缘体中的带电物质无法运动。当水管中存在水压时，水会流动。但对于空水管，没有任何可以流动的物体，所以也不会有水流。当水管中结冰堵塞，冰被卡在其中无法移动，也同样不会产水流。所以绝缘体，要么没有带电粒子，要么带电粒子无法移动。这一点在很多教科书上描述错误。他们往往将导体定义为带电粒子可以通过的物体，绝缘体则是阻碍带电粒子通过。不是的，就像空气，真空实际上并不阻碍带电粒子通过，但它们是良好的绝缘体。事实上，导体是一些充满可以动带电粒子的物体，而绝缘体则缺乏这些移动带电粒子。

??如果一本书在这些基础概念上出现错误，那么后面的解释，就像在垃圾上搭建的高楼，也会随之崩塌。

??在正式探讨晶体管之前，还有一个事情：硅与普通的金属存在着不同之处。金属中充满着可以动的带电粒子，掺杂后的硅也通常充满着可以移动的带电粒子。它们之间后什么区别吗/p>

??当然有，这是关于“带隙”的概念，是电子和空穴之间的差异。但这不是最重要的。真正重要的差别也很简单：金属中的移动带电粒子很多，但硅中则很少。比如在铜中，每一个铜原子都可以贡献一个可以移动的电子组成电子海洋。铜中的电子液体非常稠密，与铜里面的原子一样稠密（是指的数量上）。但在掺杂后的硅中，仅仅每10亿个硅原子才有一个可以贡献一个可以移动的带电粒子。此时，硅晶体就像一个空旷的空间，游荡者少量的 带电粒子。在普通的硅中 ，你可以只需要几个伏特电压就可以将其中带电粒子清除出晶体，而在金属中则需要几十亿伏的电压在能够将其中可以移动的电子全部驱离出金属晶体。所以，换个比喻方式：

??6. 在半导体中的带电粒子就像一个可以压缩的空气，而金属中的电子则像一个不可压缩的液体。

??如果将物体中的移动电荷清除，则会将该物体从导体变成绝缘体。如果将硅半导体比喻成一个橡胶水管，它就是一个充满着可压缩气体的管道，很容易将其中的气体挤压并将其变成一个绝缘体。如果将铜线比喻成橡胶水管，则其中充满着不可压缩的铁屑，你可以挤压它们但无法将它们挤出。但对于充满气体的橡胶软管，可以比较容易从旁边挤压，使其通道关断，阻止流动。

??好吧，下面让我们先看看通常情况下对于晶体三极管解释方法。

??当在晶体三极管的基极和发射极之间施加正电压，便可以将一个NPN三极管打开。这个外部施加的电压使得基极中的电子流出，并流向电源正极。这使得基极中出现更多的空穴。空穴就像一些带有正电荷粒子，沿着电子流动的反方向送入基极。按照这种讲法，基极的引线仿佛就像在往基极注入空穴，也就是注入带电粒子。

??（注意，这里提到的流动的带电粒子，不是指正电荷对应的常规电流）

??在晶体管中的耗尽层存在与基极与发射极之间，它是一个绝缘层。为什么那里存在绝缘层是因为基极是 p型掺杂半导体，其中充满着自发产生的空穴，当p型半导体与n型半导体接触时，n型半导体中的电子落入空穴从而形成了耗尽层。

??每当在基极与发射极之间施加电压时，这层绝缘层的厚度就会发生改变。当（+）极施加在p型（基极）半导体，（-）极施加在n型（发射极）半导体，在n型半导体中的电子就会在电压驱动下往p型半导体移动，此时绝缘层就会变薄，直到电子和空穴云雾在绝缘层中相遇并结合。此时在基极-发射极之间就会建立起电流。这个电流对于的工作并不重要。关键是施加在基极-发射极的电压引起B-E之间的绝缘层变薄，使得发射极-基极之间的电荷可以流通。

??此时三极管就像一个在B-E之间包含一个绝缘玻璃层，它的厚度可以由施加在B-E之间的电压进行调节。B-E电压增加，绝缘层变薄，反之变厚。这是因为施加的电压驱动着在p型，n型中的移动电荷做相向运动，从而改变它们之间绝缘层的厚度。当绝缘层薄的一定程度，一些移动的电荷便可以跳跃绝缘层而移动到对应区域。所以可以将这个绝缘层看成有电压控制的开关。当施加正确的电压时，开关闭合。这个开关是一个比例开关，流过的电荷多少与施加电压之间存在关系。

??对于硅半导体，开始能够有电荷通过时所需要的电压大约为0.3V。当升到0.7V时，电流就会很高了。（这是对于硅半导体，对于其它半导体对应的电压阈值会不同）。

??电压越高，绝缘层越薄，通过整个晶体管的电流越大。通过施加正确的电压，我们可以控制晶体三极管在闭合、打开或者部分闭合等状态间转换。

??检查一下我们得到了什么结论体三极管并不是由电流控制。相反它是由基极-发射极之间的电压控制。

??7. P型，N型掺杂硅是导体，因为其中包含可以移动的带电粒子；
??8. 在P型，N型掺杂硅相接触时，在接触面上产生一个绝缘层；
??9. 通过施加电压可以改变绝缘层的厚度；

??所以，基极上施加的电池用来打开三极管的开关，让9V的集电极电池驱动大量带电粒子垂直通过整个三极管。

??集电极硅是使用的什么类型掺杂加在集电极上的电池电压难道不会影响基极所施加的电压吗使用三层结构到底是究竟是为了什么在集电极-基极之间的的第二个耗尽层难道不会将整个三极管关断吗不是想形成集电极电流吗就直接把集电极9V电压连在基极上不就行了吗/p>

??所有的答案都蕴藏在最后的一个问题中。如果我们不要集电极那一层，而是将9V集电极电压直接连接在基极上。由于半导体是一个很好的导体，所以最终我们只是得到一个单向导通的二极管。两个电池之间存在电压降，基极将它们短路连接起来。

??首先，这层新的耗散层阻挡了集电极电压对于三极管其它部分的影响。如果增加9V电池电压，基极-集电极之间绝缘层就会变得更厚，这使得下面B-E之间的并不会感觉到集电极电压的影响。

??其次，在基极的上层，靠近集电极部分耗尽层则会感受到集电极9V电压的影响，但下面电路就不会受到影响。就像我们在电灯泡电路周围晃动一个充满电荷气球在电灯电路周围晃动，对于电路本身没有任何影响。

??然而！

??由于基极电压将在发射极上的绝缘层变薄，大量的 可移动电子会从发射极涌入基极。实际上只有少量电子会直接进入基极，因为此时在基极发生了交通拥堵，除非基极引线可以将造成交通拥堵电子吸出去。或者在准确一些，如果基极中的电子没有离开，并且也没有被空穴吞并，任何进入基极的电子都会使得基极变成负极性，从而排斥更多的电子从发射极上升到基极。你看，这是不是一个交通拥堵/p>

??所以现在我们看到一股由少量电子形成的稀疏的电子云发射极升腾而起，一些漂移到p型基极区域的上半部分。结果呢，这些电子云感受到9V电池正向电压的吸引。此时，上层的绝缘层不像是绝缘的玻璃，而是绝缘的空气层。只有在没有 移动带电粒子存在时，它才绝缘，但它并不阻碍移动的带电粒子。然而，如果没有带电粒子存在，电压也不能够产生电流。

??另外，不要忘记在基极中存在着丰富的带电的空穴，一旦它们漂移到上面耗散层都会被正向电压排斥往下移动。从这一点上来看，耗散层一个绝缘层，它将移动的空穴往下排斥，移动的电子往上吸引。如果你将集电极、基极都想象成导体，那么它们之间的耗散层就好比真空区间，里面产生了静电场。

??最后，我们还是看一下在基极引线中流动的电流。尽管是B-E之间的电压来控制三极管，我们并没有将基极电流完全忽略，它还是有重要的作用。仅仅是巧合，对！非常巧合，微弱的基极-发射极之间的电流与强大的集电极-发射极之间电流呈现比例关系。所以，当我们知道基极电流时，只要乘以一个电流放大因子，就可以得到集电极电流。外边看起来，三极充当一个电流放大的作用。但实际上它是通过微小的电压变化来影响大的电流。

??基极电流与集电极电流成比例关系，并非真的是偶然，它们都与基极-发射极电压有关系，这个电压控制着基极-发射极耗散层的厚度。之所以集电极电流大，是因为绝大多数来自发射极的电子都被集电极吸引过去，而只有少了的电子用来改变B-E之间的电压，从而控制B-E耗尽层厚度，所以基极电流很小。

??一个地方的电压控制另外一个地方的带电粒子的流动。这个事实也决定了整个器件的命名。变化的电压改变电流，所以器件像一个电阻。但是控制电流的电压是在别的不同的电路回路上，所以这种电压对电流影响的效果是从基极回路转移到（Transferred）集电极回路。转移电阻（Transfer Resistor = Transistor）。

??16. 基极电压控制集电极电流；
??17. 真的是纯粹巧合基极泄露出的电流与集电极电流成比例；
??18. 晶体管不是电流放大器件。但当我们将其假装看成电流放大器件会简化我们的电路分析过程。

■ 相关文献链接:

• WILLIAM J. BEATY
• HOW DO TRANSISTORS WORKNO, HOW DO THEY REALLY WORK
• 第二页
• Ebers-Moll
• R. Feynman
• 电流并不流动
• Ebers-Moll

● 相关图表链接:

• 图1 通常情况下对于双极型三极管电流放大机制示意图
• 图2 最早晶体三极管专利与其工作原理介绍
• 图3 Collctor Current Determination
• 图4 对于NPN三极管施加B-E正向电压
• 图5 三极管结构以及其中的可以动带电粒子
• 图6 三极管中B-E之间的耗尽层
• 图7 在B-E之间的耗散层就像夹在导电硅中间的一层绝缘玻璃
• 图8 通过在B-E之间施加电压可以将绝缘层变薄
• 图9 增加了集电极-发射极工作电压源
• 图10 直接将集电极电压源连接在基极上
• 图11 共射三极管工作状态
• 图12 三极管内部带电粒子工作细节
• 图13 使用三极管控制电灯泡的开关

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