對(duì)飽和狀態(tài)NPN晶體管內(nèi)部機(jī)制的理解分析

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我對(duì)NPN的飽和狀態(tài)研究了之后, 并不滿足教科書上對(duì)其外部狀態(tài)和電壓電流公式的描述. 教科書上一般都有對(duì) 放大狀態(tài)的 共射NPN晶體管 內(nèi)部載流子情況都有描述, 但不知為何, 都對(duì)飽和狀態(tài)時(shí)的內(nèi)部載流子情況決口不提. 下面的疑問就一直困擾吸引著我, 非要弄出一番解答：

飽和狀態(tài)時(shí),內(nèi)部載流子到底是怎么樣流的呢？

飽和狀態(tài)時(shí), 外部現(xiàn)象“基極電流Ib還可以再增大, 而集電極電流Ic卻不再增大”在NPN晶體管內(nèi)部到底是個(gè)什么樣情況呢？為何會(huì)有這樣的現(xiàn)象？

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帶著這樣的疑問, 昨天在網(wǎng)上尋覓了一晚上, 收集到博客里3篇文章：

三極管內(nèi)部的深入理解（轉(zhuǎn)）

談晶體管的飽和狀態(tài)和飽和壓降

三極管飽和時(shí)內(nèi)部狀態(tài)再探??

這3篇文章讀之雖然對(duì)晶體管結(jié)構(gòu)機(jī)制有更深入的理解,但關(guān)于我的疑問——“飽和狀態(tài)時(shí)雙極性晶體管的內(nèi)部情況”, 要么是沒有提及, 要么是語焉不詳, 或者是給出的解釋不透徹, 還是不能滿足我的疑問. 只有在第3篇中“劉何時(shí)”網(wǎng)友的解答感覺提到了一些, 但還是不詳緊透徹, 有點(diǎn)讓人心里更癢癢的. 他還提出要解釋清楚, 要從微觀分析, 要用到半導(dǎo)體物理學(xué)材料學(xué)的東東. 我也知道要往更深處追究, 是需要這些東東,實(shí)際上真要用這些知識(shí)來解答,咱也不怕, 況且我總覺得, 不用玩那么高深也能解釋的清楚.

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后來功夫不負(fù)有心人, 再參考了老外的一本模電書后, 我終于找到了讓自己滿意的答案. 這本書是《模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)》(英文名：Analysis.and.Design.of.Analog.Integrated.Circuits.(Gray.Mayer.et.al.4th.ed.2001)). 我參考了這本書的下面章節(jié)：

1.2 pn結(jié)的耗盡區(qū)

1.3.1 在正向作用區(qū)中的大信號(hào)模型

1.3.3 飽和區(qū)與反常作用區(qū)

（本書中文版中有不少筆誤, 起碼我看的這一小部分內(nèi)容就有2點(diǎn)筆誤, 要結(jié)合著E文版的看.）

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下面開始描述我的理解分析：

?????? 典型的以NPN型共射電路為例, 還是先從放大狀態(tài)說起吧, 其他的我就不講了,我只針對(duì)我的問題的解答需要的點(diǎn)來講.

?????? 下圖是 在放大區(qū)時(shí)NPN管中的載流子濃度示意圖,

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圖 1 放大狀態(tài)NPN管中的載流子濃度示意圖

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在放大狀態(tài)時(shí)從發(fā)射極注入的電子, 經(jīng)過發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)后來到基極, 在基極內(nèi)部的這些少數(shù)載流子電子主要是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 由簡單的物理學(xué)知識(shí)我們就知道, 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是從濃度高地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng), 很顯然這時(shí)這個(gè)電子的濃度 在射-基耗盡區(qū)的基極邊緣(也就是圖1中x=0的位置)最高, 并向基極的另一邊擴(kuò)散, 來到集-基耗盡區(qū)的基極邊緣,（在基極中這里電子的濃度最小）,? 在集-基耗盡區(qū)的電場(chǎng)（根據(jù)耗盡區(qū)的知識(shí),這個(gè)電場(chǎng)的方向是從集-->基, 而且放大狀態(tài)時(shí), 集電極反偏, 在Vcb的電壓作用下, 這個(gè)耗盡區(qū)的電場(chǎng)還會(huì)被增強(qiáng)）推動(dòng)下渡過耗盡區(qū), 來到集極, 這就形成了集電極電流. 所以這個(gè)集電極電流大小就取決于基極中的少數(shù)載流子電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大小, 上面提到擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是從濃度高地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng), 電子擴(kuò)散電流的大小也就和濃度差成正比. 上面提到的模電書中有如下公式, 基區(qū)中電子所形成的擴(kuò)散電流密度為：

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Dn是電子擴(kuò)散參數(shù).

看圖1中基區(qū)中電子n_p的濃度分布是一條直線, 上式中的是濃度的變化率或說梯度, 也就是這條直線的斜率. 這條直線在x=0處的值為n_p(0), 在x=W_B的濃度為n_p(W_B), W_B是從基-射耗盡層邊緣到至基-集耗盡層邊緣的基區(qū)寬度. n_p(0) 和 n_p(W_B)的值為：

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n_p0是基區(qū)中電子平衡的濃度. V_T是個(gè)電壓參數(shù), 與耗盡區(qū)有關(guān), 見書中1.2節(jié), 這里詳述之也沒多大意義.

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由1.28式可知, 放大狀態(tài)時(shí)V_BC是負(fù)值, 所以n_p(W_B)很小,接近于0.

這樣濃度分布直線的斜率也就約等于 - n_p(0)/ W_B

電子擴(kuò)散電流密度則為：

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由于電子的運(yùn)動(dòng)方向和電流方向相反, 則可得集電極Ic的值為：

A是發(fā)射區(qū)橫截面積.

實(shí)際上, 上面公式一大堆啰嗦半天要說明的一個(gè)道理就是 Ic的值和基區(qū)中少數(shù)載流子電子的濃度差(梯度)成正比.

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以上都是在放大狀態(tài)時(shí)的情況, 下面開始進(jìn)入飽和狀態(tài), 實(shí)際上上面放大時(shí)的情況解釋清楚了, 飽和時(shí)順著來也就簡單了.

當(dāng)共射NPN管由于外部條件進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí), 兩個(gè)PN結(jié)都正偏.

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圖 2飽和狀態(tài)NPN管中的載流子濃度示意圖

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即使在飽和狀態(tài), 從發(fā)射機(jī)注入的電子來到基區(qū), 作為少數(shù)載流子其運(yùn)動(dòng)和放大狀態(tài)差不多, 依然是從x=0處擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到x=W_B處, 再跨越集-基耗盡區(qū)到達(dá)集電區(qū), 形成Ic的主體.其強(qiáng)度仍然和基區(qū)的電子濃度差成正比.

只是這次由于基-集結(jié)正偏, Vbc≥0, 在Vbc電壓作用下, 集-基耗盡區(qū)的基極邊緣x=W_B處聚集了更多的電子, x=W_B處的n_p濃度提高了,不再接近于0了, 如上圖2所示. 由1.28式也可知, V_BC大于0了, n_p(W_B)也就不可忽略不計(jì)了. 這是電子濃度差為 [n_p(0) - n_p(W_B)], n_p(W_B)變大了不少, 自然這個(gè)飽和狀態(tài)的濃度差 小于 放大狀態(tài)的濃度差.

這樣根據(jù)上面得出的結(jié)論“Ic的值和基區(qū)中少數(shù)載流子電子的濃度差(梯度)成正比”, 我們就可定性的分析, 在Ib一定的情況下, 飽和狀態(tài)Ic的值小于放大狀態(tài)的Ic值.

稍微總結(jié)一下, 由于電子在基區(qū)主要是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度又和濃度差成正比, 而電子在基區(qū) 放大狀態(tài)時(shí)的濃度差大于飽和狀態(tài)時(shí).

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下面, 回憶一下我的第二個(gè)問題, 為何“飽和狀態(tài)時(shí), 基極電流Ib還可以再增大, 而集電極電流Ic卻不再增大”？

讓我們看圖2, 在飽和狀態(tài)雖然電子在基區(qū)的濃度差小了, 但顯然電子的總量要大于圖1中放大狀態(tài)時(shí). 我的理解是 飽和狀態(tài)時(shí) 基區(qū) 集結(jié)了大量的電子, 其不能跑到集電區(qū)去, 只能 和 從基極引線注入到基區(qū)的空穴(這是Ib電流的一個(gè)組成部分) 復(fù)合掉. 在飽和狀態(tài)從發(fā)射極到基區(qū)的電子越多, 和基區(qū)中空穴復(fù)合掉的也越多, 基區(qū)中空穴可從外部源源不斷的注入. 所以Ib可以再增大, 這時(shí)Ib的增大和Ic已經(jīng)沒多大關(guān)系了(因?yàn)橐呀?jīng)飽和了). 當(dāng)然Ib也不能無限增大, 還要復(fù)合三極管的極限參數(shù).

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說了這么多,啰啰嗦嗦的,主要也是做個(gè)記錄, 我想也把開頭的兩個(gè)問題分析清楚了, 起碼我對(duì)自己的疑問能夠透徹了. 這也只是我自己的理解解釋, 肯定有不對(duì)的地方, 這個(gè)分析也只抓住了一方面, 三極管中的載流子成分深究起來很復(fù)雜, 也確實(shí)會(huì)用到半導(dǎo)體物理學(xué)的知識(shí), 雖然我對(duì)之很有興趣, 但作為中國的苦命工程師還要趕進(jìn)度, 這不老板還催年前把一塊電路板畫好投版, 沒有那個(gè)時(shí)間那. 到此為止, 休息休息一下！

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2011-12-22

keendawn@163.com

總結(jié)

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