P型半导体内部形成带正电的多数载流子——

三极管的工作原理

一、概念理解

1、N型半导体：又称电子半导体。它是通过特殊工艺将少量五价元素（如磷、砷、锑等）掺杂到纯硅晶体中而形成的，其内部自由电子浓度远大于空穴浓度。因此，带负电的多数载流子——自由电子——在 N 半导体内部形成，而少数载流子是空穴。N型半导体主要通过自由电子导电。由于自由电子主要由掺杂杂质提供，所以掺杂的五价杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。孔洞是通过热激发形成的，环境温度越高，热激发越强烈。

2、P型半导体：又称空穴型半导体。它是在纯硅晶体中掺杂三价元素（如硼）形成的，其内部空穴浓度远大于自由电子。因此，在 P 型半导体内部形成带正电的多数载流子 - 空穴，而少数载流子是自由电子。P型半导体主要通过空穴导电。由于空穴主要由掺杂的杂质原子提供，因此掺杂的三价杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。自由电子是由热激发形成的，环境温度越高，热激发越强烈。

3、PN结及特性：当P型和N型半导体接触时，空穴从P型半导体扩散到界面附近的N型半导体，电子从N型扩散半导体为 P 型半导体。空穴和电子相遇并复合，载流子消失。因此，在界面附近的结区，有一段距离的载流子缺乏，但从N区到P区建立了一个内部电场。由于内电场是由许多载流子构成的，在达到平衡后，内建电场会阻挡多数载流子的扩散，而不会阻挡少数载流子的扩散。一旦 P 区和 N 区的少数载流子靠近 PN 结，

PN结单向电导率

外加正向电压（forward bias）：在外电场作用下半导体pn结的物理特性，多子会向PN结移动，导致空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散，不利于少数子的漂移。发挥重要作用。这样一来，P区的多子空穴将不断地流向N区，N区的多子自由电子也将不断地流向P区。这两种载流子的流动形成了PN结的正向电流。

外加反向电压（reverse bias）：在外电场作用下，多子会远离PN结，导致空间电荷区更宽，内电场增强，有利于漂移少数且不利于多子、漂移运动的扩散。发挥重要作用。漂移运动产生的漂移电流方向与正向电流相反，称为反向电流。由于少数载流子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度恒定时，少数载流子浓度恒定，反向电流几乎不随外加电压变化，故称为反向饱和电流。

4、扩散和漂移：多数载流子移动时的扩散和少数载流子移动时的漂移。

5、复合：当电子和空穴相遇时会复合，大量的电子-空穴对会复合形成电流。

6、空间电荷区：又称耗尽层。在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内部电场引起的漂移运动，在PN结的中部（P区和N区的界面）产生了一个很薄的电荷区。 )，即空间电荷区。在该区域中，多数载流子相互扩散并重新结合或耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽层。P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区具有从N区指向P区的内部电场。内部电场会阻碍多数载流子的扩散，少数载流子一旦接近PN结，就会在内电场的作用下相互漂移。当PN结正偏时，内部电场减弱，有利于多数载流子的扩散，不利于少数载流子的漂移。当PN结反向偏置时，扩散运动加宽了空间电荷区，增强了内部电场，有利于少数载流子的漂移，但不利于多载流子的扩散。有利于多数载流子的扩散，不利于少数载流子的漂移。当PN结反向偏置时，扩散运动加宽了空间电荷区，增强了内部电场，有利于少数载流子的漂移，但不利于多载流子的扩散。有利于多数载流子的扩散，不利于少数载流子的漂移。当PN结反向偏置时，扩散运动加宽了空间电荷区半导体pn结的物理特性，增强了内部电场，有利于少数载流子的漂移，但不利于多载流子的扩散。

7、内电场：在PN结附近的空间电荷区，方向是从N区到P区。内部电场隔离多数载流子并传导少数载流子。

8、载体：自由运动的带电物质粒子，例如电子和离子。金属中有电子，半导体中有两种载流子，电子和空穴。

9、少数载流子：P 型半导体中的少数载流子是自由电子，而 N 型半导体中的少数载流子是空穴。

10、二极管：单向导电。正向偏压的多数载流子可以通过，反向偏压的少数载流子可以通过。当反向偏置时，P型半导体和N型半导体不能提供源源不断的少数载流子，因此反向偏置几乎没有电流。

二、 三极管的工艺要求和作用

1、发射器中的高掺杂浓度：确保发射器中有足够的多数载流子 - 电子。当基极电压高于发射极时，就会有足够的电子扩散到基极。

2、基区做得很薄：它可以更好地让基区（P型半导体）中的少数载流子——电子漂移到集电极。

三、工作条件

1、集电极电压（Vc）大于基极电压（Vb），基极电压（Vb）略高于发射极电压（Ve）。即：Vc>Vb>Ve，其中Vb一般比Ve高0.7V；Vc的公共电压比Ve高12V。这使得集电极结反向偏置和发射结正向偏置。

2、必须添加负载电阻才能获得输出。

四、三极管的工作原理

示意图如下：

NPN晶体管工作原理图

五、关于三极管

1、集电极（C极）处于反偏状态，为什么还有电流流过？

答：PN结的正向偏压有利于“多数载流子”的通过，而反向偏压有利于“少数载流子”的通过。对于基极（B 极），它的少数载流子是电子。当基极电压高于发射极电压，注入电流时，发射极结正向偏置，大量电子从发射极扩散到基极。这些电子在内电场的作用下漂移到C极。从三极管的外部，电流可以通过反向偏置的集电极结。P型半导体大部分是空穴，少数是自由电子；N型半导体大部分是自由电子，少数是空穴。

2、为什么要在集电极上施加高压？

答：高电压可以使集电极结的内部电场更强，作用在少数载流子上的力更大，有利于少数载流子，尤其是电子从基区漂移到发射区；同时，它阻止了多数载流子的通过。

3、基区为什么要薄？

答：因为少数载流子越靠近内部电场，由于其作用越容易漂移到PN结的对面。如果做得太厚，进入基区的电子就不能很好地受到内部电场的影响，不能很好地漂移到集电极区。微米到几十微米。

4、为什么发射区的掺杂浓度最高？

答：发射区的掺杂浓度越高，多数载流子越多。P型半导体大部分是空穴，而NPN型半导体的发射区是N型半导体。高掺杂浓度使其有更多的自由电子，从而在基极与发射极之间的电压差（基极高于发射极）的作用下，更多的电子向基极扩散。假设发射区的掺杂浓度与基区的掺杂浓度相同，则大部分扩散到基区的电子会与基区的空穴复合，电流放大能力会下降。

5、倍率β如何确定？

答：在生产过程中，通过控制基区的厚度和各区的掺杂浓度，可以生产出不同倍率β的三极管。

6、小基极（B极）电流如何控制大集电极电流？

答：基极没有电流时，发射结的电流几乎为零，几乎没有电子通过集电极结；当基极电流逐渐增大时，发射结在正向偏置电压的作用下，许多电子逐渐向基极移动。该区域扩散并成为基区的少数载流子。由于基区掺杂浓度低，少数载流子被基区复合的少，基极提供的电荷量小，即基极输入的电流小。发射区的掺杂浓度高，扩散到基区的粒子较多，需要外注入大量的电荷。发射极和基极之间重新结合的电子很少，主要被集电极结的内部电场拉到集电极区，集电极电流与发射极电流相近。外部注入基极电流越大，电子从发射极区向基极区的扩散越强烈，越多的电子漂移到集电极区。从三极管的外部，发射极和集电极电流也急剧增加。越多的电子漂移到集电极区。从三极管的外部，发射极和集电极电流也急剧增加。越多的电子漂移到集电极区。从三极管的外部，发射极和集电极电流也急剧增加。

7、两个二极管可以焊成一个三极管吗？

答：虽然两个二极管可以组合成一个NPN或PNP型三极管，但是内部硅晶的掺杂浓度与三极管不同，“基极”不能做得很薄，飘过“集电极结”少数载流子很少（不是没有），因此发射极中的载流子很难到达集电极结。