我們知道PN結半導體具有單相導電的性能，但是由PN結構成的各種二極管（Diode）器件的單相導電性是沒辦法進行主動控制的，因此這類器件也稱為 被動器件 。與其對應的是能夠被主動控制通斷的器件，這類器件也可以稱為 主動器件 。這種主動器件一般我們統稱為晶體管（Tansistor），晶體管可以分為以下三類：流控器件BJTs，壓控器件FETs，混合結構IGBTs。

圖1 晶體管的分類（來源：TOSHIBA Semiconductor）

本文主要分析BJT（Bipolar Junction Transistors），也就是我們俗稱的“三級管”器件的基本工作原理和主要參數。

1、NPN和PNP

我們剛剛接觸三極管器件，肯定會有人告訴你三極管有兩種： NPN和PNP ，那么我們就從這里講起。如下圖1.1所示，左邊為NPN三極管結構，右邊為PNP三極管結構。通過在NPN三極管基極（Base）加上一個 正電流 ，就能控制三極管導通形成導通電流Ic；通過在NPN三極管基極（Base）加上一個 負電流 ，就能控制三極管導通形成導通電流-Ic。利用這個性質，作為開關管的三極管，NPN常用在低邊驅動，PNP常用在高邊驅動。感興趣，關注我，我們后續再對三極管的應用電路進行探討。

從結構圖上看，三極管的結構很簡單：N-P-N堆疊和P-N-P堆疊。那么，是不是可以將三極管，看作是兩個“背靠背”或者“面對面”的二極管呢？有不少教材或者文章是告訴你可以這樣看！但是我是 不推薦的 ，這樣看是沒辦法看到三極管背后運行的機理的，反而很容易誤入歧途！

圖1.1 NPN 和 PNP結構

2、BJT的工作機理

在進行三極管工作機理分析之前，我們先看下圖2.1，從圖中我們可以看出三極管并 不是簡單的“二極管拼接” 。其結構和載流子摻雜是經過有意的設計的，主要的特點為： 發射極摻雜濃度高，基區薄，集電極面積大 。基于這樣的結構，一場“當空接龍”就這么開始了。

Base-Emitter 加上正向電壓，使得發射結正偏，耗盡層（發射結）變薄，發射區的載流子（電子） 擴散能力增強 ，大量的電子進入基區
基區的特點是很薄，能提供的空穴數量非常少，電子進入基區后，很少一部分電子和空穴進行復合，形成復合電流Ib
大量的電子堆積在基區，很容易進入到集電結的內電場范圍內，一旦電子進入集電結的內電場，電子就會在電場的作用下漂移到集電結
到達集電結的電子擁有足夠大的空間（低摻雜，大面積）進行自由移動，很難再回頭穿過內電場擴散到基區，因此絕大部分的發射極電子穿過基區進入集電極

稍微總結下：發射極電流Ie主要為 擴散電流 ，基極電流Ib為 復合電流 ，集電極電流Ic為 漂移電流 。并且根據KCL可以得到Ie=Ib+Ic。

我們在分析半導體器件的過程中，一定要牢牢把握各部分載流子狀態是“漂移”還是“擴散”。這是我們分析半導體器件特性的基礎。

圖2.1 NPN 結構和載流子分布

3、從放大到飽和

在應用電路中，三極管最常見的是作為“開關”進行使用，但是我們課本往往都是從如何使用三極管進行信號放大開始講起的。這里不贅述課本上關于放大電路應用的分析，僅僅從機理層面看看三極管的工作狀態是怎么變化的？

談到三極管的放大作用，那么肯定很熟悉一個前提： “發射結正偏，集電結反偏” 。前半句很好理解，發射結正偏了，發射極才能向基區發射多數載流子，這是驅動三極管導通的激勵源（Source）。那我們思考一下，如果集電結“零偏或者正偏”，會發生什么情況呢？如圖3.1，將三極管的BE 短路，那么三極管等效于一個二極管，輸出的電流將受到外部電路條件的影響， 基極電壓將失去對三極管的控制 。

圖3.1 三極管集電結“零偏”

以NPN為例，想象一下，如果我們保持三極管的C極開路，那么Ic電流必然等于0。大量的電子堆積在基區，無法進入集電極，從而無法形成集電極電流。

我們再回到“發射結正偏，集電結反偏”的狀態， 此時聚集在基區的電子將在反偏電場的作用下全部漂移到集電極 。如果此時，不斷增加Ib電流，更多的電子往基區遷移，集電結的空間電荷區不斷被壓縮，直到達到Ic的上限（受外部電路限制），基區進入 “飽和狀態” 。需要注意的是，此時電流由集電極向基極導通，等效的二極管應該是反極性的，這也是我為什么不推薦用二極管模型分析三極管問題的原因之一。

由于集電結和發射結摻雜濃度的不同，電流形成的機理也不一樣，所以PN結的管壓降也不一樣。如圖3.2所示，SS8050三極管的飽和特性參數，Vcesat=Vcbsat+Vbesat，可以看出Vce的飽和電壓要比Vbe的飽和電壓低不少，所以 Vcb的電壓應該為負 ！換句話說，集電結是一個反向導通的二極管，但是擁有正向的管壓降！