三极管的原理书上都讲不清楚，为什么能被制造出来? 第1页

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。

本文是本人原创文章，其他人转载请标明出处和作者，谢谢！李泽光。

站在发明者的角度来看三极管的发明和用途

我还是那个观点，一定要站在发明者的角度来看问题，只有这样，一切问题才都能迎刃而解。因为模电的内容就是发明---使用---发现问题---改进---再发明—再使用的过程，是我们学习前人发明和使用的东西。

我们就以二极管和三极管为例，二极管是控制导线中电子的流动方向，而三极管是控制导线中流动电子的多少。这也是“电子技术”的根本。理论搞明白了实验就简单了。

下面主要是以三极管为例来说明导线中电流的控制。

我们都非常熟悉家用手电筒电路，手电筒电路中有“三要素”，即电源VCC、灯泡L（或者说负载Rc）、 开关K，如下图所示。

现在，我们不想用手动方式去实现开关K的合上以及断开，我们想用一个信号去控制一个器件来实现电路的“通和断”。

要想控制一根导线中的电流，首先要把这根导线断开，断开的两端我们分别叫做C端和E端（C和E实际上是输出回路的两端）。

如果我们在C和E之间加个器件，这个器件如果能使电流从C端流进并能从E端流出来（因为C和E本来就是我断开的一个回路的两端），同时这个电流又能被我们加的信号所控制住，那么这个器件就成功了。（一定要注意，我们要实现什么目标，我们要控制一个电回路的通和断）

为了实现上述要求，接下来我们就在C-E之间放一个NPN（或PNP）结构的半导体，可是，现在的问题是，在这种情况下无论怎样在C和E之间加电源 （不击穿情况下） ，C-E这根导线始终都不会有电流（其实这种情况下，C-E之间是有穿透电流的（它是由少子引起的），因其非常小，这里忽略不计，这也是半导体材料存在的缺点。实际上，我们不希望它存在）。

我们又知道，电子流动的方向与人们定义电流的方向相反（这是因为当时人们以为电线里流过的是电流），所以，我们将中间半导体引出一个电极（B极）。

在B-E之间（实际上是加在发射结上，见PN结特性）加一个正向电压，这时发射区就会向基区发射电子从而形成E极流出的电流Ie，但是，要想实现这个电流是从C端入、从E端出，则必须要把发射区发射的这些电子都收集到C极去，这样我们需要在C和E之间加正向电压，使集电结处于反向击穿状态，使电子能顺利收集到C极，这个收集电子的能力要比发射电子的能力强，它就像一个大口袋，你发射区发射多少我就收多少（这样就能理解三极管输出特性曲线了，当B极电流一定时，随着CE电压的增加，C极电流就不再增加了，因为B极电流一定时，发射区发射的电子数量就一定了，你收集的能力再强也要不到多余的电子了），这样，这个器件就成了，可以实现电流从C端到E端（因为当初我假设它们之间是被我断开的导线两端），最理想的是流进C端的电流就等于E端流出的电流，同时这个电流又被一个BE电压（或信号）控制，但是，三极管不是一个理想的器件，因为C端电流不等于E端电流，有一部分电流流过B极，我们尽量使C端电流等于E端电流，所以，这就是为什么在工艺上要使基区浓度要低而且还要薄，同时集电结的面积还要大的根本原因。

谈一谈Ic受Ib控制的问题：

通过前面的叙述，我们已经知道发射极电流Ie受发射结电压控制，由于我们采取了工艺上的措施，使得集电极电流Ic近似等于发射极电流Ie，这样就可以说集电极电流Ic受发射结电压控制。我们又从三极管输入特性曲线可知，当Vbe和Ib的关系处于特性曲线的近似直线的位置时，基极电流Ib与发射结电压就成线性关系，这样，可以说集电极电流Ic与基极电流Ib就成比例关系。往往我们会站在不同角度来看问题，我们从电流放大的角度来看时，刚才说过集电极电流Ic比基极电流Ib大很多，同时它们又成比例关系，因此，在进行计算的时候就说成是集电极电流Ic受基极电流Ib控制。这其实是人们站的角度不同而已（从电流放大的角度来看的），其实，集电极电流Ic还是由发射结电压控制的，等到了高频小信号模型的时候，就会说集电极电流受发射结电压控制了。

Uce电压的作用是收集电子的，它的大小不能决定Ic的大小，从三极管输出特性曲线可以看到，当Ib一定时（也就是Ube一定时），即使Uce增加，Ic就不变了，但是，由于半导体中有少子存在，使得输出特性曲线随着Uce增加而有些上翘，其实这是半导体材料存在的问题。实际上，Ie是受从输入端看进去的发射结电压控制的（可以参见三极管高频小信号模型），加Uce电压的时候发射结已经处于导通了，它的影响不在发射结而在集电结，加Uce电压是为了让Ic基本等于Ie，所以说Ic受发射结电压控制，人们为了计算方便把这种控制折算成受Ib控制，就是因为说成这样，使得人们不太容易理解三极管工作的原理。从输出回路受输入回路信号控制的角度来看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其实是由Ie带来的，所以，也可以说Ic受Ie影响的，这也得受三极管制造工艺影响，如果拿两个背靠背二极管的话，怎么也不行。

尽管三极管不是一个理想器件，但是，它的发明已经是具有划时代意义了。由于它的B极还有少量电流，因为这个电流的存在意味着输入回路有耗能，如果我不耗能就能控制住你输出回路的电流，那这个便宜就大了，所以，后来人们发明了场效应管。其实，发明场效应管的思想也是与三极管一样的，就是为了用一个电压来控制导线中的电流，只是这回输入回路几乎不耗能了，同时，器件两端的电流相等了。

从使用者的角度（非设计者）来看看三极管的应用：

三极管的两个基本应用分别是“可控开关”和“信号的线性放大”。

可控开关：C和E之间相当于一个可控开关（当然。这个开关有一定的参数要求），当B-E之间没有加电压时，C-E之间截止（C-E之间断开）；而当B-E之间电压加的很大，发射区发射的电子数量就多，C极和E极的电流就很大，如果输出回路中有负载时（注意，输出回路没有负载CE之间就不会饱和），由于输出回路的电源电压绝大部分都加到负载上了，CE之间的电压就会很小，CE之间就处于饱和状态，CE之间相当于短路。在饱和情况下，尽管C极电流比基极电流大，但是，C极电流与输入回路的电流（基极电流）不成β的比例关系。

以最简单的电路为例，我们家里都有手电筒，手电筒有三个要素（具有普遍意义）：电源、灯泡（负载）和开关，这里的开关需要直接手动进行合上与断开，用三极管代替这个开关我们就能实现用信号来控制，计算机在远端就能控制这个回路。控制高压、大电流的还请大家看看IGBT等功率芯片及模块，那是真震撼。

从另一方面看饱和：从输出特性曲线可以看到，IB一定时VCE电压不用很大，那个输出特性曲线就弯曲变平了，这说明收集电子的电压VCE不用很大就行，其实不到1V就行，但是，实际上我们在输出回路都是加一个电压很大的电源，你再加大VCE也没有用，我们看到，IB一定时VCE增加后对IC的大小没有影响（理想情况），所以要想把发射的电子收集过去，VCE根本不用很大电压。

但是，通常情况下，我们会在输出回路加入一个负载，当负载两端电压小于电源电压时，电源电压的其它部分就加在CE两端，此时三极管处于线性放大状态。但是，负载两端电压的理论值大于电源电压时，则三极管就处于饱和状态，这种情况IC不用很大也行。

所以不要以为VCE一定很大三极管集电极才能收集到电子，可以看到收集电子的电压很小就行。对于饱和的问题来说，除了上一段文字中说到的电流很大引起饱和外，我们还可以从电压的角度来看，假设三极管，电源电压为12V，基极电流为40微安，则集电极电流就是2毫安，如果集电极接一个3K电阻，则VCE=6V，而这个电阻换成30K时，VCE趋于零了，这种情况下三极管也是饱和了，所以从电压角度来看，集电极电流不一定很大，在选择合适负载电阻的情况下，三极管也可以处于饱和状态，所以，饱和与负载有关，如果电源电压很大，那饱和时VCE就这么一点点电压而言那当然是微不足道的，所以，很多地方就将它约等于零了，但是并不能说它没有电子收集能力。

信号的线性放大：这种情况下，C极电流与B极电流成线性比例关系IC=βIB（BE之间电压要大于死区电压，同时，VCE不趋于零），而且，C极电流比B极电流大很多，前面已经知道，C极电流的大小受BE电压控制（人们为了分析问题方便，将这种控制关系说成是C极电流受B极电流控制）。实际上，马路上到处跑的汽车就是一个放大器，它是把驾驶员操作信号给放大了，它也是线性放大，是能量的放大，而多余的能量来自于燃烧的汽油。

模电这门课从三极管小信号模型开始的绝大多数内容都是讲小信号放大问题，共射极、共集电极、共基极的4个电路是基本，其它的是由他们组合而成的，它们的电路组成、电路交直流分析、电路性能分析是关键。

其它的就是功率放大的问题、模拟集成运算放大器内部结构设计问题、运放的应用、如何减少非线性失真和放大稳定问题（负反馈）、正弦波产生（正反馈）等等。

模电从细节和总体上把握。

模电的学习：

从使用者的角度来看，其实，模电这门课并不难，学生往往被书中提到的所谓少子、多子、飘移、扩散等次要问题所迷惑，没有抓住主要问题，有些问题是半导体材料本身存在缺陷导致的，人们为了克服这些缺陷而想出了各种解决办法，所以，模电中有许多是人们想出的技巧和主意。从三极管三个电极连接的都是金属的角度来看，金属中只有自由电子的定向流动才有电流，金属中哪有什么空穴之类的东西，如果把人们的视线停留在三极管的内部，那一定使人们不容易理解，如果你跳出来看问题，你就会理解科学家当时为什么要发明它，也会使你豁然开朗。但是，从设计者角度来看，需要考虑的问题就很多了，否则，你设计出来的器件性能就没有人家设计的好，当然也就没有市场了。如果谁能找到一种材料，而这种材料的性能比半导体特性还好，那么他一定会被全世界所敬仰。所以，学习模电的时候，一定要用工程思维来考虑问题，比如，为什么要发明它？它有什么用途？它可以解决什么问题？它有哪些不足？人们是如何改进的？等等。

再谈可控开关：

三极管要工作在饱和或截止状态，此时C和E之间相当于可控开关，B极加输入信号，为了防止三极管损坏，B极要接限流电阻，余下的问题就是，所控制的负载应接在C极还是E极？它的功率有多大？驱动电压多大？电流多大？你选的三极管能否胜任？不胜任怎么办？改用什么器件？低压和高压如何隔离？等等。

再谈信号的线性放大：

这种情况下，C极电流是B极电流的β倍，以三极管放大电路为例：

（1）直流工作点问题，为什么要有直流工作点？什么原因引起工作点不稳定？采取什么措施稳定直流工作点？

为什么要有直流工作点？是因为PN结只有外加0.5V以上电压时才有电流通过（硅材料），而我们要放大的微弱的交变信号幅度很小，将这个微弱的变化信号直接加到三极管的基极和射极之间，基极是没有电流的，当然，集电极也不可能有电流。所以，我们在基极首先要加上直流工作电流后，三极管三个电极就都有直流电流了， 以NPN管子为例，共射、共基、共集电极三个电路的直流都是一个方向，无论三极管电路的哪种接法，它们的直流电流方向都是一样的，在这基础上，再在输入端（发射结）加入微弱交流小信号后，这个微弱信号就会使基极电流产生扰动，由于集电极电流与基极电流成比例关系，则集电极电流（输出回路电流）也会发生扰动，这样，这个输出回路电流中就有被输入交流信号影响的扰动信号，我们要的就是输出回路这个被基极扰动电流控制的集电极扰动的信号（输出交流信号），这个输出回路（集电极-发射极）扰动的信号比输入（基极）扰动信号大，这就是放大，也可以说，放大其实是输出回路电流受输入信号的控制。但是，不管怎样扰动，总体上是不能改变三个电极电流的方向的。

如果直流工作点设置合理时，那个扰动信号就与输入交流小信号成比例关系，而且又比输入信号大，我们要的就是这个效果。

（2）交流信号放大问题，共射极、共集电极、共基极电路的作用、优点和缺点是什么？如何克服电路的非线性？为什么共射--共基电路能扩展频带？为什么共集电极放大电路要放在多级放大电路的最后一级？多级放大电路的输入级有什么要求？人们在集成电路中设计电流源的目的是什么？它的作用是什么？如何克服直接耦合带来的零点漂移？为什么要设计成深负反馈？其优点和问题是什么？深负反馈自激的原因是什么？什么是电路的结构性相移？什么是电路的附加相移？什么情况下电路输出信号与输入信号之间出现附加相移？等等。

（3）集成运算放大器，为了克服半导体器件的非线性问题（不同幅度信号的放大倍数不一样），人们有意制成了高增益的集成运算放大器，外接两个电阻就构成了同相或反向比例放大电路，这时整个电路的电压放大倍数就近似与半导体特性无关了（深负反馈条件下），放大倍数只与外接的两个电阻有关，而电阻材料的温度特性比半导体材料好，同时线性特性也改善了。在计算的时候注意运用“虚短”和“虚断”就行了，模电学到这里那就太简单了，所以，如果不考虑成本时谁还会用三极管分立元件组成的放大电路，还得调直流工作点。集成运算放大器的其它应用还很多，如有源滤波器、信号产生电路等。

负反馈自激振荡与正弦波产生电路的区别

负反馈自激振荡是由于某个未知频率信号在反馈环路中产生了额外的180度的附加相移，负反馈电路对这个频率信号来讲就变成了正反馈，同时，对这个频率信号的环路增益又大于1，这种情况下，负反馈电路就自激了（对其它频率信号，此电路还是负反馈）。而正弦波振荡电路是人们有意引入的正反馈，可以说对无数个频率信号都是正反馈，既然这样，环路中就不用有附加相移了，但是，这样的信号太多了，所以，人们需要在反馈环路中设计一个选频电路来选择某一个频率信号，当然，对被选取的信号来讲，这个选频电路就不需要有额外相移了。

以上大致总结了一些问题，仅供参考。

为了从全局了解这门课，以及更容易学好这门课，建议参见我主页上我写的文章“模拟电子技术基础课程新的目录”，希望对大家有帮助。

顺便提一下，我在回复网友时提到了，我认为我写的《信号与系统分析和应用》教材是一本很好的教材，希望大家关注，如果你手里有这部教材，请关注“信号与系统分析”微信公众号，那里面有对这本书的解析并列出这本书中发现的一些问题。

我也看不懂。为啥用三极管组电路时，理论上很大的参数，在推导公式时，却被忽略不计了。一比十放大，一会儿是 1/10，一会儿是1/11，啥情况忽略不计？模拟电子电路，基本上靠死记做题......还是数字电路好，工艺影响理论值的问题，少很多。