深入理解三极管（BJT）的工作原理

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三极管是经常应用的一个电子元器件，在模拟电路中经常利用其工作在线性区来做信号处理电流放大等，在数字电路中又会利用其工作在饱和区截止区来作为开关控制。作为开关使用，除了在数字电路中应用以外，还多用于电力电子中用作功率处理，常见有开关电源、逆变器等。然而，很多资料对三极管的介绍常常太过简单或不够深入，以至于我们对三极管的理解经常一头雾水，或者对其工作机制理解不到位。所以本文着重从半导体内部机制来介绍其工作原理。

双极性晶体管，全程双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），也就是我们常说的三极管。三极管的发明在电子学历史上具有革命意义，1956年，威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）因为三极管的发明工作被授予诺贝尔物理学奖。

半导体物理中的一些基本概念

在讲解其工作原理之前，先简单的介绍下半导体物理中的一些基本概念。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质，在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。电子半导体器件所用的材料大部分为硅、锗等在元素周期表中处于金属非金属交界处的四价元素。

本征半导体 (intrinsic semiconductor))是指完全不含杂质的纯净半导体。因为不含杂质，其中的载流子仅仅只靠本征激发产生，其导电性很差。与之对应的是非本征半导体，根据掺杂不同分为N型半导体和P型半导体。

图1 本征半导体

N型半导体是指在本征半导体掺入+5价元素（如P、Sb等）的半导体。由于加入了最外层为5个电子的元素，在形成共价键后会多出一个电子，这个电子就成了自由电子。半导体因为掺杂而多出了载流子为自由电子，所以称为N型半导体。在N型半导体中，电子为多数载流子。

图2 N型半导体

P型半导体是指在本征半导体中掺入了+3价元素（如B、Al）的半导体。由于加入了最外层为3个电子的元素，在形成共价键时会多出一个“空位”。周围的电子会填充这个“空位”，看起来就像是“空位”在移动，我们称这个“空位”为空穴。因为载流子空穴显现出正电特性，这种半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴为多数载流子。

图3 P型半导体

三极管的结构

三极管结构有NPN和PNP两种，因为电子比空穴有更高的迁移率，所以NPN比PNP型三极管获得更广泛的应用。本文以NPN型三极管来介绍。下图是NPN型三极管的内部结构示意图和符号，可以看到三极管的基本结构是由两个背靠背的PN结构成。基极和发射极之间的PN结称为发射结，基极和集电极之间的PN结称为集电结。

图4 三极管的结构示意图和符号