(原创) 对饱和状态NPN晶体管内部机制的理解分析

对饱和状态NPN晶体管内部机制的理解分析

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我对NPN的饱和状态研究了之后, 并不满足教科书上对其外部状态和电压电流公式的描述. 教科书上一般都有对 放大状态的 共射NPN晶体管 内部载流子情况都有描述, 但不知为何, 都对饱和状态时的内部载流子情况决口不提. 下面的疑问就一直困扰吸引着我, 非要弄出一番解答：

饱和状态时,内部载流子到底是怎么样流的呢？

饱和状态时, 外部现象“基极电流Ib还可以再增大, 而集电极电流Ic却不再增大”在NPN晶体管内部到底是个什么样情况呢？为何会有这样的现象？

 

带着这样的疑问, 昨天在网上寻觅了一晚上, 收集到博客里3篇文章：

三极管内部的深入理解（转）

谈晶体管的饱和状态和饱和压降

三极管饱和时内部状态再探  

这3篇文章读之虽然对晶体管结构机制有更深入的理解,但关于我的疑问——“饱和状态时双极性晶体管的内部情况”, 要么是没有提及, 要么是语焉不详, 或者是给出的解释不透彻, 还是不能满足我的疑问. 只有在第3篇中“刘何时”网友的解答感觉提到了一些, 但还是不详紧透彻, 有点让人心里更痒痒的. 他还提出要解释清楚, 要从微观分析, 要用到半导体物理学材料学的东东. 我也知道要往更深处追究, 是需要这些东东,实际上真要用这些知识来解答,咱也不怕, 况且我总觉得, 不用玩那么高深也能解释的清楚.

 

后来功夫不负有心人, 再参考了老外的一本模电书后, 我终于找到了让自己满意的答案. 这本书是《模拟集成电路的分析与设计》(英文名：Analysis.and.Design.of.Analog.Integrated.Circuits.(Gray.Mayer.et.al.4th.ed.2001)). 我参考了这本书的下面章节：

1.2 pn结的耗尽区

1.3.1 在正向作用区中的大信号模型

1.3.3 饱和区与反常作用区

（本书中文版中有不少笔误, 起码我看的这一小部分内容就有2点笔误, 要结合着E文版的看.）

 

下面开始描述我的理解分析：

       典型的以NPN型共射电路为例, 还是先从放大状态说起吧, 其他的我就不讲了,我只针对我的问题的解答需要的点来讲.

       下图是 在放大区时NPN管中的载流子浓度示意图,

 

 

图 1 放大状态NPN管中的载流子浓度示意图

 

在放大状态时从发射极注入的电子, 经过发射结耗尽区后来到基极, 在基极内部的这些少数载流子电子主要是扩散运动, 由简单的物理学知识我们就知道, 扩散运动是从浓度高地方向浓度低的地方运动, 很显然这时这个电子的浓度 在射-基耗尽区的基极边缘(也就是图1中x=0的位置)最高, 并向基极的另一边扩散, 来到集-基耗尽区的基极边缘,（在基极中这里电子的浓度最小）,  在集-基耗尽区的电场（根据耗尽区的知识,这个电场的方向是从集-->基, 而且放大状态时, 集电极反偏, 在Vcb的电压作用下, 这个耗尽区的电场还会被增强）推动下渡过耗尽区, 来到集极, 这就形成了集电极电流. 所以这个集电极电流大小就取决于基极中的少数载流子电子的扩散运动大小, 上面提到扩散运动是从浓度高地方向浓度低的地方运动, 电子扩散电流的大小也就和浓度差成正比. 上面提到的模电书中有如下公式, 基区中电子所形成的扩散电流密度为：

 

Dn是电子扩散参数.

看图1中基区中电子n_p的浓度分布是一条直线, 上式中的是浓度的变化率或说梯度, 也就是这条直线的斜率. 这条直线在x=0处的值为n_p(0), 在x=W_B的浓度为n_p(W_B), W_B是从基-射耗尽层边缘到至基-集耗尽层边缘的基区宽度. n_p(0) 和 n_p(W_B)的值为：

 

 

n_p0是基区中电子平衡的浓度. V_T是个电压参数, 与耗尽区有关, 见书中1.2节, 这里详述之也没多大意义.

 

由1.28式可知, 放大状态时V_BC是负值, 所以n_p(W_B)很小,接近于0.

这样浓度分布直线的斜率也就约等于 - n_p(0)/ W_B

电子扩散电流密度则为：

 

 

由于电子的运动方向和电流方向相反, 则可得集电极Ic的值为：

A是发射区横截面积.

实际上, 上面公式一大堆啰嗦半天要说明的一个道理就是 Ic的值和基区中少数载流子电子的浓度差(梯度)成正比.

 

以上都是在放大状态时的情况, 下面开始进入饱和状态, 实际上上面放大时的情况解释清楚了, 饱和时顺着来也就简单了.

当共射NPN管由于外部条件进入饱和状态时, 两个PN结都正偏.

 

图 2饱和状态NPN管中的载流子浓度示意图

 

即使在饱和状态, 从发射机注入的电子来到基区, 作为少数载流子其运动和放大状态差不多, 依然是从x=0处扩散运动到x=W_B处, 再跨越集-基耗尽区到达集电区, 形成Ic的主体.其强度仍然和基区的电子浓度差成正比.

只是这次由于基-集结正偏, Vbc≥0, 在Vbc电压作用下, 集-基耗尽区的基极边缘x=W_B处聚集了更多的电子, x=W_B处的n_p浓度提高了,不再接近于0了, 如上图2所示. 由1.28式也可知, V_BC大于0了, n_p(W_B)也就不可忽略不计了. 这是电子浓度差为 [n_p(0) - n_p(W_B)], n_p(W_B)变大了不少, 自然这个饱和状态的浓度差 小于 放大状态的浓度差.

这样根据上面得出的结论“Ic的值和基区中少数载流子电子的浓度差(梯度)成正比”, 我们就可定性的分析, 在Ib一定的情况下, 饱和状态Ic的值小于放大状态的Ic值.

稍微总结一下, 由于电子在基区主要是扩散运动, 扩散运动的强度又和浓度差成正比, 而电子在基区 放大状态时的浓度差大于饱和状态时.

 

 

下面, 回忆一下我的第二个问题, 为何“饱和状态时, 基极电流Ib还可以再增大, 而集电极电流Ic却不再增大”？

让我们看图2, 在饱和状态虽然电子在基区的浓度差小了, 但显然电子的总量要大于图1中放大状态时. 我的理解是 饱和状态时 基区 集结了大量的电子, 其不能跑到集电区去, 只能 和 从基极引线注入到基区的空穴(这是Ib电流的一个组成部分) 复合掉. 在饱和状态从发射极到基区的电子越多, 和基区中空穴复合掉的也越多, 基区中空穴可从外部源源不断的注入. 所以Ib可以再增大, 这时Ib的增大和Ic已经没多大关系了(因为已经饱和了). 当然Ib也不能无限增大, 还要复合三极管的极限参数.

 

说了这么多,啰啰嗦嗦的,主要也是做个记录, 我想也把开头的两个问题分析清楚了, 起码我对自己的疑问能够透彻了. 这也只是我自己的理解解释, 肯定有不对的地方, 这个分析也只抓住了一方面, 三极管中的载流子成分深究起来很复杂, 也确实会用到半导体物理学的知识, 虽然我对之很有兴趣, 但作为中国的苦命工程师还要赶进度, 这不老板还催年前把一块电路板画好投版, 没有那个时间那. 到此为止, 休息休息一下！

 

2011-12-22

keendawn@163.com