PN结和三极管

知其然，更要知其所以然

1. 从PN结说起

三极管由两个PN结构成，所以想要认识三极管，我们必须从PN结说起，首先介绍一下什么是PN结。PN结是P型半导体和N型半导体结合的区域，具有单向导电性，那什么是P型半导体，什么又是N型半导体呢？

1.1 P型半导体

P型半导体是是通过向本征半导体（如硅或锗）中掺入三价元素（如硼、铝等）形成的半导体。在P型半导体中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子，所以在P型半导体中，空穴的数量远多于导电电子的数量。

1.2 N型半导体

N型半导体是是通过向本征半导体（如硅或锗）中五价元素（如磷、砷等）形成的形成的半导体。在N型半导体中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子，所以在N型半导体中，导电电子的数量远多于空穴的数量。

1.3 PN结的形成

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。我们上面介绍了，在P区空穴为多数载流子，在N区自由电子为多数载流子，所在在P区和N区的交界面就会存在电子和空穴的浓度差，由于浓度差的存在，N区的电子会向P区移动，P区的空穴会向N区移动，扩散到P区的电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与电子复合。

如此一来，P区一侧失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一侧失去电子，留下了带正电的杂质离子，由此形成了一个没有自由载流子的区域，这个区域主要由不可移动的离子组成，我们把它称作耗尽区。在耗尽区，这些不可移动的离子形成内建电场，方向从N区指向P区。由于内建电场的存在，又阻止了多数载流子的进一步扩散。

当扩散和漂移达到平衡时，耗尽区宽度稳定，耗尽区内几乎没有自由电子和空穴，我们大概看一下图示来理解一下

1.4 PN结的特性

1.4.1 单向导电性

• 当给PN结加正向偏置时（P区接正电压，N区接负电压），PN结导通，电流可以顺利通过；
• 当给PN结加反向偏置时（P区接负电压，N区接正电压），PN结截止，电流几乎无法通过，仅有微小反向漏电流；

1.4.2 伏安特性

• 正向电压较小时，电流几乎为零；当电压超过阈值（硅材料约为0.7V，锗材料约为0.3V），电流迅速增大；
• 反向电压下，电流极小；但当反向电压超过击穿电压时，会发生雪崩击穿或齐纳击穿，电流急剧增加；

PN结还有其他特性，这里就不再一一介绍了。

2. 三极管

三极管（Transistor）是一种半导体器件，主要用于放大信号、开关控制以及稳压等功能，我们常见的三极管有NPN型和PNP型。

2.1 NPN型三极管

NPN型三极管是指由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成的三极管，关于NPN型三极管一些细节性的东西这里就不再详细描述，我们最基本的需要知道，NPN型三极管，当基极为正电压时导通。

我们来看一下NPN型三极管的电流流向

其中b为基极，c为集电极，e为发射极，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。

2.2 PNP型三极管

PNP型三极管是由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管，PNP型三极管，当基极为负电压时导通。

我们来看一下PNP型三极管的电流流向

其中b为基极，c为集电极，e为发射极，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。