这是一篇没有教科书那样晦涩语言的晶体管原理的介绍

• 我是一名练提琴的电路专业研究生，目前在华东某985高校就读。文章由于水平有限，难免会有错误和不严谨之处，欢迎各位同行批评指正。同时我也非常希望结识更多尤其是热爱古典乐的朋友，在我们做工程设计时也来点心灵上的安抚与感动。
• CSDN是个好地方，但是可能不常上，如有急需交流的地方，请邮件联系我：[e-mail]

写这篇博是为了记载自己在阅读由Christopher和Judy Saint所著的《集成电路版图基础（实用指南）》时所产生的一些心得，同时鉴于自己在阅读这本书后醍醐灌顶的感觉，觉得也很有必要分享该书中的一些观点和介绍方法给挣扎在晶体管理解战线的各位电子类萌新们，毕竟，真的，国内的相关教材对晶体管的介绍读起来很让人头疼的

这篇文章将主要包括

• 大背景介绍：为什么要用晶体管，为什么有神奇事情发生的地方就有晶体管

• 神奇的PN结

• 场效应与场效应晶体管

• 增强型器件与耗尽型器件

• 来看几个实例：从逻辑门电路进一步理解神奇的晶体管

• 后记：被遗忘的三极管

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为什么要用晶体管，为什么有神奇事情发生的地方就有晶体管

相信每位刚开始学习模拟电子的童鞋在看到有晶体管，尤其是除了二极管，三极管，还有个场效应管时内心一定是崩溃的。啊什么，要这东西干嘛啊？什么？它可以放大信号？啊哈，它可以作电流源？懵逼的我们对这种神奇的事情一无所知，也许脑子里还在想着那个神奇的三角形，以及那个给它多大电压都输出恒定的在《电路分析》里学到的恒流源。终究还是太年轻，我们没法想到这晶体管在这些模块里究竟是怎么起作用的，它为啥这么神奇啊？！

王侯将相宁有种乎！晶体管能做到如今的这个高位，跟它一步步脚踏实地地来是分不开的。

首先请考虑上面这个电路，这是一个非常简单的，只是为了点亮灯泡的电路，电路中的开关为了形象，也是为了之后方便以更好更平实的语言描述，画成了这样。那么，众所周知，为了让灯点亮，我们只需要往上顶住开关便可以达成目标，至此，你已经实现了一个简单的控制过程！

那么如果我们需要灯一亮一灭这样持续下去呢？如果需要以每秒9999999的次数让灯不停地亮灭呢？那显然凭借着你的手指就不能实现了，这时就需要来自大自然的神奇的力量了。至于究竟用的是哪种神奇的自然力量呢？很显然，在这篇文章里当然是指的我们的晶体管了，因此在下一节，将介绍晶体管为什么能被用在此电路中，以及它是怎么工作的，为什么能达到我们想要的结果。

神奇的PN结

在继续我们的内容之前，个人觉得很有必要回顾下半导体、导体和绝缘体的基础知识，因为这样应该能让读者和我以后的自己更好地了解我接下来说的内容。

• 导体：拥有大量自由电子，可以在电压作用下自由运动

• 绝缘体：几乎没有自由电子，因为因为原子内部的作用，电子被紧紧地束缚在原子核周围，不能自由运动

• 半导体：
  这就是我们的主角了。其实从某种意义上说，世间万物都属于大自然，马哲里有说到过，原话我忘了，但是大概的意思就是世间万事万物都是既对立又统一的。而半导体如此地受到人类的青睐，其实如果从人情世故的角度来形象地做下“统一”估计大家就好理解了吧。（以下是我个人的见解）
  试想在你身边有一个人，他非常地圆滑，老板说啥他都拼命地附和，老板发的每一条朋友圈都有他的赞，但是却从来不做什么实事，天天在项目组里跟着你们一起划水，每月还拿着跟你们一样的工资，你是不是很不爽？我们叫他A。
  然而此时又来了了一个刚毕业的应届生，他初生牛犊不怕虎，非常有正义感，看到身边任何“不好”的事都想要揭发，对于他这种正义感，你应该也会感觉很头疼吧？【笑脸】我们叫他B。
  而这时有一位年轻的小伙子跳槽来到了你的部门，与你同一个项目组，他不仅高富帅，而且懂世故，不仅能变通，而且也有底线。对于这样的人，想必无论是领导还是同事应该都是很喜欢的吧！我们叫他C。
  说笑了一番后咱们来说正事。咱们可以做一个这样的统一，导体对应了A，因为他有很多电子，加上了电压后，他对电流的阻碍作用几乎为零，完全是划水类型，但是它还是属于自然界。而绝缘体就如同是B，它油盐不进，只想彰显正义，对于电流是丝毫不让通过，给我们的信号传输造成了非常大的麻烦。而只有半导体，他是那个圆滑又不失底线的人，它能根据周边环境的需要，灵活地调整自己，以最好地适应环境，而从其电特性来讲就是在特定情况下可以导电而在另一种特定情况下不导电，甚至既导电又不导电。

好了，在回顾完上面的知识后我们来探讨下如何实现上面的让半导体材料导电和不导电的“特殊情况”。
我们知道，单晶硅都是由硅原子规则排列而形成的完美晶体，由于共价键的存在，晶体内仅有非常少的自由电子可以导电，这时半导体材料通常被认为是绝缘的，而为了让它拥有导电能力，人们便开始往这晶体内通过各种方法注入杂质原子以取代硅，这时材料内便会多出更多的电子或空穴参与到导电的载流子中来。注入五价元素的被称为N型材料，而被注入三价元素的P型材料。

可能你会对注入原子来增加导电载流子有疑惑，Christopher书上有做如此形象的描述：
这就像一个在抢座位游戏中被挤出的小孩一样。我们仿佛看到一个自由的、没有约束的电子在高喊“我自由了，我自由了！我想做什么就能做什么了”然后开始疯狂地奔跑，不过这一切发生在晶格中而已。 ——《集成电路版图基础（实用指南）》

而实际上，在一块单晶硅中掺入的杂质原子数量并不是一个原子，而是很多。因此在P型材料中电子将会非常缺少而空穴会非常多，而N型材料中电子则特别多，空穴特别少。可以理解，被替代的硅原子越多，材料的电阻就越低，也就越容易导电。需要注意的是，这里所说的“多”与“少”是可以通过控制掺杂量而实现的，这就是我们上面提到的所谓“特定环境”，而这特定环境恰好取决于人类的意愿，因此从这里是不是可以进一步理解了人类对半导体材料导电性能的控制方式呢？

接下来，下图给出了两块半导体，分别是P型和N型，请读者主要关注它们的电子（负电荷）和空穴（正电荷）在各自材料中是如何分布的。

假如将上图的两块材料拼在一起，会对它们有什么影响了？咱们不妨先简单地想象一下：由于同性相吸异性相斥，P材料中的正电荷一定会向N材料的方向移动，而N材料的负电荷一定会向P材料方向移动，那么问题是，最终P的正电荷和N的负电荷会跑到彼此的材料中形成平衡吗？这里就会涉及到一个所谓的“势垒”的概念。

假如有两所相邻的小学，用栅栏分开，放学后，两所学校的学生离开学校并能通过栅栏看到对方，他们跑到一起谈论当天的晶体管问题，但天杀的学校为了防止他们早恋放了那个栅栏，所以他们只能再栅栏的两边含情脉脉了。。。

因此上面所进行的想象只能到此结束，P材料和N材料中的载流子是不能跑到对方的材料中去的，因为有势垒的存在，它们最终只能聚集在两块材料的交界处，希望天降神力让它们到另一边去重逢。如下图所示，注意与之前图中电荷分布的区别。

对于电子不能穿越PN结进入另一种材料的原因，《集成电路版图基础》有简单的介绍，主要是因为对于掺杂的过程，两种杂质的选择必须十分仔细。对于N型材料，杂质的电子导带能级较低，而对于P型材料，杂质电子的导带能级相对较高，那么所谓成为姻亲也要门当户对嘛！（看！马克思主义里的对立统一性是不是都来了！电子要到另一方去都跟人的婚姻一样哈哈哈哈！）N型材料中的多余电子因能（bi）量（ge）较低而不能达到空穴的要求！

那么要让电子它们完成翻栅栏的使命，我们人类就得从上帝视角给它们提供能量，提供的能量越多，进入彼此的载流子就越多，形成的电流因此便会越大了。

能量提供的方式之一便是用外加电压了，如下图所示，随着PN结上电压的增加，N型材料中的电子将获得足够的能量从而克服势垒，形成电流。电子流向P型材料，空穴流向N型材料。故而只要电源的极性正确，且足够大，整个回路将形成电流，我们便成功地将一个“绝缘体”变成了一个“导体”了。

但是，由于各材料中的载流子的数量总是有限的，当电压增高时可以想象，势必所有能运动的载流子都会投入到电流的长河中去，到那时，尽管再增加电压，由于物理上载流子的数量的限制，电流也不会再有增加，这时的电流我们称之为“饱和电流”，也是能得到的最大电流。

注意到了没有？这实际上就是用晶体管做恒流源的基本原理对不对？啊原来这么简单！

需要强调的是，上图所谓的“导体”，通过调节掺杂量的不同可以得到不同的电流，从数学模型上说即是一个受人类直接控制的可变电阻！而且，更重要的是，通过调节这图中的电压，可以形成不同的电流，即咱们能控制越过势垒的载流子数量，这也直接关系着我们想要的电流大小！这两个特性在我们之后的应用中是很用的！

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2017/10/5更新
大家国庆快乐呀！感觉写了三天这篇文章都还没能写完，先发出部分来好了，之后的会在后面的继续更新哒！