数模电路基础知识 —— 8. PN结与三极管的工作原理

在上一章 《数模电路基础知识 —— 7. PN结与二极管的工作原理》 已经简要介绍过什么是PN结与掺杂工艺，现在我们来进一步看看关于PN节的另外一个重要应用，如何构建出普通三极管，以及更复杂的场效应三极管的。

1. BJT三极管（Bipolar Junction Transistor）

双极性晶体管，一般也直接简称为“三极管”，它的作用机理与二极管类似，只不过最大的区别在于集电极（Collector）与发射极（Emitter）的参杂比例、以及各自模块的体积不同，而基级（Base）可以认为是共用P结（Positive，电子流出方向）或者N结（Negative，电子流入方向）。因此，对于PNP型双极性晶体管（Bipolar Junction Transistor）来说，其用二极管构成的等效电路就是下面这个样子：

所以理论上来说，三极管可以单独用它的 B级和任意C，E级之一，等效构成一个二极管使用。接下来我们来讨论一下BJT三极管为什么会具备放大电路以及控制电路开闭等能力。

1.1. BJT型三极管的工作原理

1.1.1. BJT的基本工作原理

对于NPN型BJT来说，虽然 Emitter 和 Collector 都是N型半导体，其最大的区别在于 掺杂浓度不同，所以如果在电路负载不大的情况下，理论上EC级是可以互换的。

我们先来探究下为什么BJT三极管可以做信号放大，以及控制电路导通的能力。

要弄明白这个能力，就需要从三极管最基本的结构入手。我们在前面已经介绍过由于PN结的原因，P型和N型半导体节后后，会形成一个阻碍电子流动的 耗散区（Depletion Space），而要想影响电子的运动状态，必须要求外部电磁场的 $场力>静电力$，即电子要拥有能够克服原子核的静电约束所需要的外力条件，这也是为什么PN型半导体大多数情况下只能单向导通。

现在我们把BJT三极管中P型部分当成抽水机，两旁的N型当作蓄水池。

未连接电路前

当没有连接到回路中时，这个抽水机是不工作的，中间P型半导体由于抢夺电子的能力远大于两侧的N型半导体，所以此时中间的水槽是蓄满水的。

连接电路后

连接电路以后，由于P型连接的位置是电源的正极（VBB+），正极拥有比P型更强更高的电势位，所以可以看作有一台功率更大的抽水机开始抽P型里的水。而同时由于P型水位（自由电子）逐渐减少，P型的抽水机也开始工作，从两侧N型半导体里抽水。

但是由于其中一侧的N型也接入的是VCC+，VCC+拥有比P型更强的抽水能力，所以NPN型BJT内部形成了一个从 $Emitter\to Base\to Collector$ 水流运动趋势方向，而如果此时Emitter接地，那么就构成了完整的电子运动回路。

其图像如下：

1.2. 截止、放大、饱和

1.2.1. 截止态

截止态，我们在前面的章节内容中已经介绍过对于NPN型三极管来说，中间段的N级和其他端的P级，在逻辑上等价于两个二极管阳级 （Anode）相互连接。

所以理论上任何一个 “二极管” 处于 “阻塞” 状态时都会导致该电路无法导通。因此，对于NPN型三极管，只要满足以下条件之一，三极管截止：

$$\begin{array}{c}{V}_b<V_c\\ V_b<V_e\end{array}$$

同理，对于PNP型，则是：

$$\begin{array}{c}{V}_b>V_c\\ V_b>V_e\end{array}$$

1.2.2. 放大态与饱和态

放大其实并不是一个很准确的描述，事实上对于一个BJT三极管来说，它通过的电流是有一个上限的。这就好比水管来说，它单位时间内如果最高流量为 $1m^3$ 那么无论你水龙头开多大也只能有 $1m^3$ 的流量。

三极管也是一样，在设计的耐压值下，其理论电流必处于 $[I_{max},0]$ 这样一个区间内。尽管对于NPN型来说

$$I_e=I_b+I_c$$

B级会分走一部分电流，但由于P型相对于NPN型三极管来说，体积相当小，所以其实 $I_b$ 其实并不会分走多少电流，而 $I_b$ 与 $I_c$ 的放大倍数比，显然是由P型半导体体积决定的，这也是为什么其 $\beta$ 值通常是个200左右的常数。

我们知道三极管不通电的情况下，其内部很快会形成两道 势垒电势（Potential Energy Barrier） 从而阻碍电流的运动。我们通过B端抽出电子就是消弭这个势垒的过程，如果不好理解的话，我们可以看看一些单向阀的机械结构。

$I_b$ 的作用类似牵起小球的机械装置或着线，当 $I_b$ 输入的电流越大，$I_c$的电流也就越大。而关于一个三极管的详细资料，通常这可以在每一个三极管的生产商的数据手册中得以看到。

我们能在数据手册中经常见到这样一张类似 $x^{\frac{3}{2}}，x\ge 0$ 的函数图。 其中 $I_b$ 表示Base控制电流，纵坐标则是Collector 的电流。你会发现，三极管处于放大状态时，图中曲线斜率陡峭，其 $V_{ce}$ 的对应范围通常在 $[0,1]$ 的区间内，而随着持续增大电压，并不能继续增加 $I_c$ 的电流值。

对于上述过程，其 $I_c$ 端快速变化的部分，就是三极管的 放大态，而之后不再变化，或变化极为微小的部分，就是三极管的 饱和态。

1.3. 传统的NPN型BJT三极管制作工艺

BJT三极管的一个常见刨面结构如下

而它的一个制作工艺大概是下面这样的。

BJT三极管在模拟信号电路使用了很长时间，主要因为其价格便宜，设计简单。但是很快对于反应精度要求更高的数字电路到来，新的 场效应三极管FET 就很快取代了传统的 BJT型三极管，并大规模的应用在数字电路中。

2. FET三极管（ Field-Effect Transistor）

了解了BJT与NP结的工作原理后，再来理解FET三极管就会非常容易。

与BJT三极管最大的不同，FET摒弃了BJT三极管采用电子控制三极管导通的设计方案。

尽管FET也使用了与BJT相同的N型和P型晶体，但是物理结构上却极大的不同。在不导电的时，NPN构成的微结构可以屏蔽电路导通。与传统的BJT晶体管不同的是，其Gate级与NPN晶体隔了一块不导电的绝缘材料，这样做就形成了一个微小的电容。

小电容不通电的时候，NPN之间自然不能导通，但是当电容连接上电源正极后，Source与Drain之间的P晶体上部就会由于电场的作用迅速形成一个由电子构成的沟道，使得S与D之间得以通过电子构成连接通道。

这个过程由动图解释的很清楚了

而且这个沟道由电压进行控制，所以可以更为精敏，这主要是因为对于这个小电容来说充放电是瞬时的，而且其沟道大小也是由电压进行控制，所以当需要断开电路时，就只要对电容放电就可以了。

但是FET有个致命的缺点，由于由作用与G级的电场来控制导通，所以当G级的电压过大时，会存在FET三极管被击穿的风险。这也是为什么在强电的控制电路中较少见到FET三极管，而更多的是继电器，或者BJT三极管的原因。

3. BJT与FET三极管的优缺点

目前大概能想到的就是这么多，在设计电路时请充分考虑适合自己的应用场景。