原创 对知乎提问"为何三极管的一个PN结工作在反偏"的回复

将这个回复, 也发表在博文中, 作为自己的一个学习笔记叭.

知乎问题: "三极管里面的PN结相当于二极管，为什么里面PN结加反向电压也能导通？"

我的回复:

首先, 二极管的"反向"概念, 容易给初学者某种绝对的, 不可逾越的观点. 其实不然.

(1) 二极管都存在反向漏电流.

(2) 某些二极管(如齐纳二极管/稳压二极管), 干脆就是反向连接作为正常工作模式(遂穿效应).


其次, 三极管 BJT 的两个 PN 结其中一个为何可以反偏工作?

(1) BJT 的构成模式, 并非独立的两个 PN 结连接(否则我们可以用导线连接两个独立二极管, 自行制作三极管).

(2) 构成 BJT 的两个 PN 结靠的足够近(重要). 1947年, Brattain 与 Bardeen 发明三极管(当时利用的是点接触的两个肖特基二极管 SBD, 那时 PN 结还没出现), 该两个二极管分布在两条位于三角形两个斜边的金箔, 顶点被弹簧压到 N 型锗块上. 顶点处两个二极管距离约 1/2000 英寸, 我换算约 10um.

这也是为何 BJT(双极型结型传导电阻器)三极管, 制作强调 B 极 要足够薄(距离近) 的原因.

(3) 由于共享极近的 N 型锗区, Brattain 和 Bardeen 强调, 小电流侧的正偏二极管, 能够将"正电荷载流子" injected (注射, 也用于指注射器向肌肉注射) 到另一个反偏的二极管的 N 型锗区域. 我理解这里距离较近是重要因素.

(4) 加在反偏二极管的电场原本不足够让该反偏 PN结导通, 但"正电荷载流子"注入后, 则改变了 PN 结处某些势垒的障碍, 使得(比较正偏回路的)大电流即使在反偏状态下, 也得以导通.

(5) 为何两个回路的电流大小, 呈稳定的放大比例模式. 根据掺杂浓度的不同, 我理解为与半导体的(导电性)物理模型有关. 如果以当时业已成熟的真空三极管来比较. 当放置不同的栅格时, 真空电子管将随栅极的具体结构, 呈现比例放大电流. 似可合理推测, 正偏端电流的大小, 在向反偏端注入载流子的过程中, 对应着某种类似"栅格"功能, 呈现在放大区, 呈现稳定放大之效果.

最后, 根据以上讨论, 或已接近归纳现代三极管的下述结构特点: "基区特别薄, 发射区掺杂特别重, 集电区面积特别大".

(1) 引用某些参考数据, 基区典型厚度 2um 远小于载流子扩散宽度(典型值 30um). 似可合理推测, 基区的厚度足够薄是制程重要因素(否则回到两个"分立"二极管的连接结构).

(2) 发射区为重掺杂, 发射区与基区的掺杂浓度比值, 恰好就是三极管的电流放大倍数. 引用某些参考数据, 比如放大倍数 100倍的三极管, 发射区掺杂浓度 10^18/cm^3, 基区掺杂浓度 10^16/cm^3. 我理解为, 似可直观类比, 该"浓度差值"或暗示与真空三极管"栅格结构"某种类似效果, 即三极管放大区比例放大之成因.

(3) 集电区面积大, 似可更容易收集载流子, 以获得更大的工作电流, 或更大的三极管功率之效果.