對飽和狀態NPN晶體管內部機制的理解分析

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我對NPN的飽和狀態研究了之后, 并不滿足教科書上對其外部狀態和電壓電流公式的描述. 教科書上一般都有對 放大狀態的 共射NPN晶體管 內部載流子情況都有描述, 但不知為何, 都對飽和狀態時的內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：

飽和狀態時,內部載流子到底是怎么樣流的呢？

飽和狀態時, 外部現象“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晶體管內部到底是個什么樣情況呢？為何會有這樣的現象？

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帶著這樣的疑問, 昨天在網上尋覓了一晚上, 收集到博客里3篇文章：

三極管內部的深入理解（轉）

談晶體管的飽和狀態和飽和壓降

三極管飽和時內部狀態再探??

這3篇文章讀之雖然對晶體管結構機制有更深入的理解,但關于我的疑問——“飽和狀態時雙極性晶體管的內部情況”, 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”網友的解答感覺提到了一些, 但還是不詳緊透徹, 有點讓人心里更癢癢的. 他還提出要解釋清楚, 要從微觀分析, 要用到半導體物理學材料學的東東. 我也知道要往更深處追究, 是需要這些東東,實際上真要用這些知識來解答,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計》(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：

1.2 pn結的耗盡區

1.3.1 在正向作用區中的大信號模型

1.3.3 飽和區與反常作用區

（本書中文版中有不少筆誤, 起碼我看的這一小部分內容就有2點筆誤, 要結合著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, 還是先從放大狀態說起吧, 其他的我就不講了,我只針對我的問題的解答需要的點來講.

?????? 下圖是 在放大區時NPN管中的載流子濃度示意圖,

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圖 1 放大狀態NPN管中的載流子濃度示意圖

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在放大狀態時從發射極注入的電子, 經過發射結耗盡區后來到基極, 在基極內部的這些少數載流子電子主要是擴散運動, 由簡單的物理學知識我們就知道, 擴散運動是從濃度高地方向濃度低的地方運動, 很顯然這時這個電子的濃度 在射-基耗盡區的基極邊緣(也就是圖1中x=0的位置)最高, 并向基極的另一邊擴散, 來到集-基耗盡區的基極邊緣,（在基極中這里電子的濃度最小）,? 在集-基耗盡區的電場（根據耗盡區的知識,這個電場的方向是從集-->基, 而且放大狀態時, 集電極反偏, 在Vcb的電壓作用下, 這個耗盡區的電場還會被增強）推動下渡過耗盡區, 來到集極, 這就形成了集電極電流. 所以這個集電極電流大小就取決于基極中的少數載流子電子的擴散運動大小, 上面提到擴散運動是從濃度高地方向濃度低的地方運動, 電子擴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, 基區中電子所形成的擴散電流密度為：

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Dn是電子擴散參數.

看圖1中基區中電子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寬度. n_p(0) 和 n_p(W_B)的值為：

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n_p0是基區中電子平衡的濃度. V_T是個電壓參數, 與耗盡區有關, 見書中1.2節, 這里詳述之也沒多大意義.

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由1.28式可知, 放大狀態時V_BC是負值, 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

電子擴散電流密度則為：

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由于電子的運動方向和電流方向相反, 則可得集電極Ic的值為：

A是發射區橫截面積.

實際上, 上面公式一大堆啰嗦半天要說明的一個道理就是 Ic的值和基區中少數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時的情況, 下面開始進入飽和狀態, 實際上上面放大時的情況解釋清楚了, 飽和時順著來也就簡單了.

當共射NPN管由于外部條件進入飽和狀態時, 兩個PN結都正偏.

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圖 2飽和狀態NPN管中的載流子濃度示意圖

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即使在飽和狀態, 從發射機注入的電子來到基區, 作為少數載流子其運動和放大狀態差不多, 依然是從x=0處擴散運動到x=W_B處, 再跨越集-基耗盡區到達集電區, 形成Ic的主體.其強度仍然和基區的電子濃度差成正比.

只是這次由于基-集結正偏, Vbc≥0, 在Vbc電壓作用下, 集-基耗盡區的基極邊緣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, 自然這個飽和狀態的濃度差 小于 放大狀態的濃度差.

這樣根據上面得出的結論“Ic的值和基區中少數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Ic的值小于放大狀態的Ic值.

稍微總結一下, 由于電子在基區主要是擴散運動, 擴散運動的強度又和濃度差成正比, 而電子在基區 放大狀態時的濃度差大于飽和狀態時.

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下面, 回憶一下我的第二個問題, 為何“飽和狀態時, 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, 在飽和狀態雖然電子在基區的濃度差小了, 但顯然電子的總量要大于圖1中放大狀態時. 我的理解是 飽和狀態時 基區 集結了大量的電子, 其不能跑到集電區去, 只能 和 從基極引線注入到基區的空穴(這是Ib電流的一個組成部分) 復合掉. 在飽和狀態從發射極到基區的電子越多, 和基區中空穴復合掉的也越多, 基區中空穴可從外部源源不斷的注入. 所以Ib可以再增大, 這時Ib的增大和Ic已經沒多大關系了(因為已經飽和了). 當然Ib也不能無限增大, 還要復合三極管的極限參數.

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說了這么多,啰啰嗦嗦的,主要也是做個記錄, 我想也把開頭的兩個問題分析清楚了, 起碼我對自己的疑問能夠透徹了. 這也只是我自己的理解解釋, 肯定有不對的地方, 這個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雜, 也確實會用到半導體物理學的知識, 雖然我對之很有興趣, 但作為中國的苦命工程師還要趕進度, 這不老板還催年前把一塊電路板畫好投版, 沒有那個時間那. 到此為止, 休息休息一下！

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2011-12-22

keendawn@163.com

總結

以上是生活随笔為你收集整理的(原创) 对饱和状态NPN晶体管内部机制的理解分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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