1+1＞2 晶体管的工作原理

伴随晶体管收音机的普及，许多并不了解电子技术的人也已非常熟悉“晶体管”这个名词。人们通常就把晶体三极管称为是晶体管，但在更完整的意义上，“晶体管”是包括各种晶体二极管在内的更大范围的半导体器件的总称，不过这两种定义倒很少真正引起过麻烦。

在了解了半导体材料的导电特性后，我们就有了足够多的知识来了解晶

体三极管是怎么工作的了。正如德·福雷斯特是在真空二极管的基础上发明的真空三极管，要了解晶体三极管的工作秘密首先也要从晶体二极管开始。半导体通过不同的掺杂可以形成 N 型和 P 型两种掺杂半导体，前者自由

电子较多，而后者则有更多的带正电的空穴。建立一个晶体二极管非常的简单，事实上只需将这两种不同形式的掺杂硅片接触在一起就行了。

接触后会发生什么现象呢？显然，由于两种硅片之间存在着浓度差，N 区内的电子就会试图通过扩散运动占领本属于 P 区的领地，而 P 区内带正电的空穴也会由于存在着浓度差侵入 N 区，这看起来更像是场战争。战争的结果并不是在这两个区的任何一个地方都具有均匀的电子和空穴浓度，电子和空穴在离两块晶体接触面远一点的地方仍然保持着自己的控制领地，只在接触面的附近存在一个大家都不能侵入的相对稳定的区域，这个区域仿佛类似朝鲜半岛上的板门店，它被称为 PN 结。二极管的全部核心就是这个 PN 结。PN 结有两极，P 端为正极，而 N 端为负极。

如果我们在 PN 结后两端加上一个正向的电压，先前达到的“军事”平衡就会被破坏，大量的电子就可以通过 PN 结形成电流，这个时候，二极管就处于导通状态。而如果是一个反向电压，则二极管中就不能有电流流过，因为外加电场制约了自由电子和空穴的运动。

瞧，这不就是佛莱明的二极管吗？

是的，两者的特性几乎是一致的，不过晶体二极管更小巧，功耗要更低并且性能也要更好，因而它出现后很快取代了真空二极管在电子“王朝”内的地位。

虽然晶体二极管的原理很简单，但在实际工艺中却不是把两类掺杂半导体拼起来就行的。它必须是把一块完整的半导体晶片一部分制成 P 区，而另一部分制成 N 区，也就是在晶片的内部实现 P 型和 N 型半导体的接触，而不是外部碰在一起的形式上的接触。

有了对晶体二极管的认识，三极管就非常好理解了。我们在这里要谈到的都是一种称为双极型的晶体三极管，这种三极管的基础是半导体二级管， 所以被称为双极型。这个世界上难道还有其它形式的晶体管吗？是的，还有一种称为 MOS 晶体管的器件，它在半导体世界里扮演着非常重要的角色。在下一节里我们就会遇到它。

晶体三极管是怎样建立起来的呢？

虽然在实践上行不通而且在理论上也有问题，我们还是可以想象它是由两个二极管拼起来的。如果把两个二极管的正极都连在一起，就可以得到一个 NPN 的三极管，如果负极接在一起，就有了一个 PNP 的管子了。虽然这仅仅是我们的想象，但事实上一个三极管内部的确存在着两个 PN 结。

那么一个三极管的功能是否就是两个二极管的总和呢？不是的！由于其中的两个 PN 结之间还要产生相互的影响，所以不能用 1＋1=2 这样的等式来简单地概括，自然界中的许多事情都不能简单的用算术来描述的。晶体三极管的功能相对于二极管而言有了质的变化，就这点来说，1＋1 是大于 2 的！晶体三极管的三极分别称为发射极、基极和集电极，正好对应 NPN 或者

PNP。三极管有两个特点引人注目：其一是流过发射极的电流会等于基极电流和集电极电流的总和；另外一点是基极的电流相对发射极电流和集电极电流是非常非常小以致可以忽略不计，所以发射极的电流的绝大部分都会由集电极流出，这也正是三极管中有一个极称为发射极而另外还有一个集电极的原

因了。

晶体三极管最重要的放大特征正是体现在这三个极电流之间的关系上。基极的电流非常小，但它对其它两个极电流的影响都非常大。通常，如果基极电流增加 1 个毫安，那集电极电流就会有几十到几百毫安的增加。这的确是个非常惊人的数字，它意味着基极信号的变化幅度在集电极端放大了几十到几百倍，这不也正是肖克莱小组以及许许多多电气工程师们所梦寐以求的吗？

显然，晶体管的这种放大效果真空三极管也是能够实现的，可为什么晶体管最后会将真空三极管取代掉呢？它究竟好在哪里呢？