从硅原子到三极管

从硅原子到三极管目录从硅原子到三极管前言晶体管是什么三极管的构成掺杂杂质类型P/N型是否带电PN结的形成三极管结构工作原理公式理解总结前言这段时间在项目上接触到了DPD技术—Digital Pre-Distortion数字预失真技术。这是一个可以让RFPA(射频功率放大器)工作在非线性区也就是饱和区的技术极大的提升的资源的利用率。这让我对PA的非线性区产生了兴趣。大学里为了通过考试模电课上背公式已经模糊不清了所以我准备花点时间整理一下有关晶体管各个工作区的知识算是给自己科普一下吧。晶体管是什么晶体管主要分为双极结型晶体管(BJT) 和场效应晶体管(FET)其中双极结型晶体管就是人们口中所说的三极管属于电流控制器件也是本文主要介绍的。而场效应晶体管是电压控制器件其中MOSFET就是人们所熟知的MOS管。三极管的构成三极管主要由两种种类NPN型和PNP型。上过模电课的同学大多都知道N和P代表了什么。但是为了后文更好的解释某些现象这里还是重新解释一下。掺杂掺杂就是往晶体中掺入杂质的一种工艺。元素周期表上硅(Si)属于元素周期表上第三周期IVA族的类金属元素。每个硅原子的外层都有四个价电子于是硅原子每个价电子可以两两配对形成四个牢固的共价键。宏观上硅晶体就是这么形成的。由于每个价电子都成键因此硅晶体没有自由电子从而是绝缘的。为了让硅晶体导电我们可以手动向其内部掺入杂质这个过程就成为掺杂。杂质类型为了让硅变为导体前往提到可以向内部掺杂目的是让杂质原子与硅原子结合从而获取产生自由电子和空穴。N型半导体“N”表示负电的意思取自英文Negative的第一个字母。在这类半导体中参与导电的 (即载流子) 主要是带负电的自由电子。掺入杂质一般选择元素周期表上V族元素磷( P )。磷最外层有五个价电子其中四个与硅原子成键以后多余出来的一个电就成了自由电子参与导电。N型半导体多子(多数载流子)为电子带负电。P型半导体P”表示正电的意思取自英文Positive的第一个字母。在这类半导体中参与导电的 (即电荷载体) 主要是带正电的空穴。该半导体掺入杂质一般为硼(B)元素。硼的价电子有三个与硅原子成键后仅有三个的价电子与硅构成共价键键于是剩余的一个空位我们称之为空穴。因此P型半导体的多子(多数载流子)为空穴带正电电子可以通过空穴流动。因此P型半导体也可以导电。P/N型是否带电上文介绍中提到N型半导体中有自由电子自由电子带负电。P型半导体中有空穴空穴带正电。那是否说明掺杂后的半导体带电答案肯定是否定的要是靠掺杂就可以使半导体带电世界上的核电站都不用烧水了。我们需要注意拿N型半导体举例说明掺杂的磷原子使不带电的掺杂后磷原子与硅原子成键失去一个电子(自由电子)。因此此时的磷原子带正电与自由电子的负电相互抵消所以整个导体上还是成电平衡不带电P型半导体也是如此。这个知识点很重要与PN结的构成息息相关。PN结的形成将一块硅晶的一边掺入磷元素一边掺入硼元素再将其包装起来装入导线就构成了一个二极管。如下图我们定义掺杂磷的部分为N区掺杂硼的部分定义为P区在P群中有很多空穴而在N区中有很多自由电子。此时处于N区的电子会向着P区运动区填补P区的空穴这是由于粒子的浓度差所构成的扩散运动。同理处于P区的空穴也会向N区扩散但请注意空穴与电子不同空穴并不是实际粒子空穴的扩散是由于处于键上的电子离开了原位去填补了另外一个空穴后原键位上就形成了新的空穴看上去好像是空穴在移动但实际上是电子的移动。当扩散运动发生后另外一种运动也同时发生我们成为漂移运动。漂移运动是指载流子在电场的驱动下运动。而这个电场正是由扩散运动所产生的。前文指出单独的P型N型半导体都电荷平衡也就是不带电。但是当扩散运动发生后原来处于N区的自由电子进入P区半导体电荷平衡被打破失去负电荷于是交界处N区开始带正电。原先处于P区的空穴被自由电子填补。电荷平衡也被打破增加了带负电的粒子于是交界处P区上带负电于是一个电场形成了。电场线方向由N区指向P区。这个电场我们称之为内建电场。随着扩散运动的进行这个电场不断增强漂移运动也不断增强。漂移运动会使原本扩散至P区的电子在电场的作用下发生漂移运动回到N区。当扩散运动进行到一定程度产生的电场足够强使得受电场做漂移运动回去的电子和由于浓度差做扩散运动过来的电子的速率相同的时候平衡产生了内建电场不再增强。PN结形成PN结中间的部分称为耗尽区耗尽区内自由载流子的数量很小难以导电。三极管结构三极管分两种NPN型以及PNP型如下图为一个NPN型三极管的结构。图中左侧为发射区NPN型三极管发射区重掺杂意味着这区域掺杂杂质浓度很高自由电子密度大。中间P区为基区基区在工艺上做的很薄并且为掺杂浓度不高右侧为集电区N掺杂。工作原理一个NPN型三极管制成之后会在两个交界处形成PN结。处于发射区一端的我们称为发射结。处于集电区一端的称为集电结。如果我们只给三极管发射极与集电极加上电压那么无论电场方向如何三极管都处于截止状态。如为集电极加上正电压发射极加负电压那么集电极周围会吸引集电区的自由电子聚集而基区没有自由电子提供给集电区于是集电结耗尽层增大管子截止。此时给基极加上正电压并将负端连到发射极。发射结导通基区原本空穴中的电子被基极正电吸引流入电路中。前文提到发射区重掺杂载流子浓度很高此时基区每空出一个空穴来发射区就会有大量电子涌入基区但空穴只有一个于是剩余的自由电子在基区内无处可去由于集电极周围积聚了大量的电子因此集电结周围剩余处出大量空穴前文还提到电子会向低浓度的地区扩散。于是滞留在基区中的自由电子做扩散运动进入集电区空穴被集电极吸引回电路完成一次流通。集电极的名称也如此般有收集电子之意(当然发射极就是发射电子啦).由此可以得出我们可以通过控制基极电流也就是控制基极收集基区电子的速率以此来控制从发射极到集电极的电流大小。因此很多课堂上所学的结论也就可以说的通了公式理解定义发射极为E集电极为C基极为BU T H U_{TH}UTH​是三极管发射结导通电压(也称死区电压)U C E U_{CE}UCE​为发射极到集电极的电压。U B E U_{BE}UBE​基极到发射极电压可视为控制电压从小到大增大。那么可以得出以下结论:截止区截止区就是发射结没有导通嘛所加电压小于发射结导通电压所以基极无法从基区收集空穴中的电子自然也不会有空穴产生所以三极管中不会有电流产生。课堂上的截止条件也由此而来此时集电结和发射结都处于反偏的状态。U B E U T H I B 0 I C 0 U_{BE}U_{TH}I_B0I_C0UBE​UTH​IB​0IC​0放大区放大区又称可变电阻区。其发射结导通了发射结正偏基极可以从基区收集空穴中的电子并产生新的空穴促使发射区电子涌入基区填补空穴此时基极电压小于集电极电压因此集电结处于反偏状态U B E U T H , I C β I B U_{BE}U_{TH},I_CβI_BUBE​UTH​,IC​βIB​饱和区重点饱和区随着I B I_BIB​的不断增大U C E U_{CE}UCE​不断减小。我个人是用能量守恒理解的。三极管作为一个可变负载在一段时间内电源提供的功率是恒定的那么其负载功率P U I PUIPUI有个最大值为电源能提供的最大功率P m a x P_{max}Pmax​当I C I_CIC​随着I B I_BIB​的变大而变大后某一时刻I C ∗ U C E I_C*U_{CE}IC​∗UCE​得到的输出功率值达到了电源所能提供的峰值此时若I C I_CIC​继续增大则U C E U_{CE}UCE​就会减小(负载上的功率不可能超过电源所提供的功率)。此时CE端类似电路中短路的状态。当U C E U_{CE}UCE​继续减小小于U B E U_{BE}UBE​时集电结正偏此时没有电场里阻止电子的扩散运动相反此时的电场里还会激发电子的漂移运动发射结与集电结都导通意味着CE之间的电流达到最大三极管可以近似看作一根导线此时无论如何增大I B I_BIB​也无法对I C I_CIC​造成较大的影响因此从集电结正偏之后三极管进入饱和区。U B E U C E U_{BE}U_{CE}UBE​UCE​总结因此放大区的形成正是因为集电结反偏形成的内建电场这个内建电场就相当于阀门当阀门完全打开也就是集电结正偏内建电场消失管子就可以进入饱和区。微观上的物理意义还有待理解但总体来说三极管的各个工作区域就是这么形成的。如何看懂工作曲线待更新…图源网络侵删。