三极管的原理书上都讲不清楚,为什么能被制造出来?


在谈论晶体三极管前,看看电子三极管的原理是大有帮助的。知乎的这篇文章讲的就很好:hnsjc:电子管原理及束射四极管 KT88 结构研究

简单说,电子三极管的工作原理是:

1、灯丝加热阴极;阴极受热后会发射出一些电子;这些电子的速度有快有慢(为简单起见,我们可以把灯丝等同于阴极——当然,工程上不行,灯丝发射电子的效率太差;但讨论原理时,把灯丝当成阴极并不影响结论)。

2、现在,我们在远离灯丝的地方放一块金属板作为“阳极”;显然,当我们在灯丝和阳极之间制造一个电场时,这个电场就会加速或减速灯丝射出的电子——宏观上,就是加反向电压时,电子都被电场“送”回了灯丝,于是灯丝和阳极之间不存在电流,相当于断路状态;而加正向电压时,电子被电场加速,可以更顺利的到达阳极。这就是“电子二极管”。

3、在电子二极管的基础上,我们在“灯丝”和“阳极”之间增加一个金属网,然后在灯丝和金属网之间加一个电压。那么,当这个电压建立的电场削弱电子动能时,阳极就接受不到电流;而这个电场加速电子时,就会有更多电子到达阳极。

因为灯丝和金属网距离更近,同样的电压产生的电场强度更高;因此两者之间很小的电压变化都能很大幅度的影响阳极电流。这就是电子三极管的放大原理。


后来,人们发现了“半导体”,推测出了 P 型 N 型半导体的导电机制——简单说,前者多了可以结合电子的“空位”,电子通过填补不同空位的方式移动,所以叫空穴导电型半导体;后者多余了无处结合的价电子,这些价电子可以到处移动,所以叫电子型半导体。

把一块 P 型和一块 N 型半导体结合起来,两者的交界面就会出现相互作用。其中,N 型半导体多余的电子会和交界面另一侧 P 型半导体的空穴结合——最终,在交界面附近,空穴就被多余的电子给填满了,这薄薄的一层就成了“绝缘区”。

其中,绝缘区靠 N 型一侧带正电(电子被另一侧的空穴夺去了),靠 P 型一侧带负电(夺取了多余的电子)。

这个薄层区域就是所谓的“PN 结”。

因为“PN 结”的存在,这个组合起来的导电体就出现了一些有趣的性质。

比如,当 P 型半导体接正极、N 型半导体接负极时,更多的电子就被吸引到 P 区,使得 PN 结宽度增大、两侧因为电子和空穴结合引起的“反向场强”就越强;反之,当 P 型半导体接负极、N 型半导体接正极时,PN 结区域“侵略”过来的电子就被驱散,PN 结厚度降低,“反向场强”也降低。

这时就要引入量子力学了——你看到的那些解释之所以难懂,是因为它们都不对。PN 结原理是必须引入量子力学才能说的清晰明了的。

当然,对二极管,经典物理也能解释;但三极管就必须引入量子力学了。不然你看他多子少子漏电流什么的得吧半天,初中物理给你建立的理智仍然在尖叫:不!不对!伴随 PN 结的反向电场就是一道堤坝,不存在什么神秘的、不是电子又不是别的什么的微观粒子可以越过它的堵截!哪怕你这套理论、这掺杂浓度什么一套一套的有多符合实验结果,它和反向电流之间就是没法写上“因为所以”——真以为我们的逻辑都白学了?!这里面肯定少了一环!

量子力学的解释很简单:电子等微观粒子是有一定几率穿过“势阱”的;其动能越低、势阱越强,穿过的几率就越低。

PN 结就好像一堵不导电的墙,也就是量子力学所谓的“势阱”。

当接入反向电压时,因为 PN 结被增强(宽度增加、反向电场强度增加),势阱变深,电子越过势阱的几率极低——于是电流就无法通过 PN 结了(但仍有极少量漏电流,基本可忽略不计),这就是二极管的“反向截止”。

反之,接入正向电压,PN 结被削弱,于是电子能量稍大就能越过势阱;表现上就是“正向导通”。

当然,由于掺杂浓度不同,不同的二极管有不同的特性、不同大小的“漏电流”;但基本原理就是这样——哪怕“漏”电流也不是通过筛子孔过去的,而是杂质过多时,PN 结附近的载流子浓度就高,浓度高,同样低的越过势阱的几率下,偶然穿过去的电子就更多。

容易想到,如果我们可以调控 PN 结的厚度,是不是就可以像调控电子三极管的“栅极”一样,实现晶体三极管呢?

没错,的确可以。

晶体三极管是按照 NPN 或者 PNP 顺序“拼”在一起的三段不同导电类型的半导体;其“上”半拉的 PN 结反向偏压,“下”半拉 PN 结正向偏压;其中连接中段半导体的那个引脚叫“基极”。

当基极电压产生变化时,就会把那段半导体中的载流子(电子 / 空穴)“驱散”一部分(或者拉它们回来);当基区载流子被“驱散”或“拉回”时,“上”半拉的 PN 结就随之增强 / 削弱——显然,我们应该把基极那“骨碌”做的薄一些;这样基极的电压变化可以更容易的影响到上半拉的 PN 结。

那么,被“驱散”或者“拉入”的载流子来自哪里?来自下半拉那个 PN 结附近聚集的、多余的载流子们。

合理调配不同区域的杂质比例,我们就可以让基区电流 / 电压的微小变化更大幅度的改变载流子浓度,从而更强的影响到上半拉的 PN 结。

这就是晶体三极管的放大原理。

进一步的,可以看出,我们真正需要的是“通过改变基区电压”来调整上半拉 PN 结的厚度、从而控制可以穿过它的电子比率;但这里我们却不得不借助更大 / 更小的电流间接影响电压、继而影响基区载流子浓度;那么,为什么不做的更直接一些呢?

可以的。这就是“场效应管”。

场效应管和三极管导电原理不同,它相当于通过电压直接改变 PN 结大小、从而动态改变“绝缘区”范围;借助绝缘区的扩张 / 收缩直接阻断或者导通电流:详细分析 mos 场效应管的基本结构及工作原理 - 图文详解 -KIA MOS 管

容易看出,场效应管的工作原理还是可以通过经典物理解释的——PN 结的缩小 / 扩大改变了导电区域的截面积,从而改变了电阻……

当然,“可以解释”并不等于“全对”。想要更精确的计算场效应管的各种参数,还是得请势阱理论回来……

而三极管的工作原理必须靠量子力学才说的清——倘若你用经典物理解释,PN 结反偏?反偏不绝缘了吗,那怎么导电呢?于是给你扯一大堆,但怎么都不可能解释明白。

必须借助量子力学的势阱理论,才可能很容易的说清“为什么可以有很大的电流通过反向偏置的 PN 结”——电子有突破势阱的几率,而基极载流子的浓度变化可以直接影响上半拉那个 PN 结的势阱深度,从而允许能量很低的电子也能穿过势阱(或者通过加强势阱,禁止能量已经颇高的电子穿过)。

没错,就这么简单。

(类似的,晶体管的“负温度系数”也可以轻易通过势阱理论解释:晶体管温度越高,载流子平均运动速度越大,穿越势阱的机会就越高。因此才会出现“温度越高,电阻反而越低”的反常现象。)

当然,说不清楚,可以胡乱组合着试啊;试过很多组合,总能看出点规律来、甚至给出颇为精确的经验公式——然而,看是看的出来,却谁都解释不明白。再怎么圆谎,中间也一定缺少一个环节,阻止你在“原因”和“结果”之间写上“因为所以”。

基础理论不升级,这些就不可能说明白。这是认知水平的问题。以其昏昏,焉能使人昭昭。

换句话说,相关讨论对经典物理学来说是超纲的——这就是你看国内传统教材怎么都不可能看懂的原因。

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