“

簡 介： 本文節選自 WILLIAM J. BEATY[1] 在1995年寫的一篇博文： HOW DO TRANSISTORS WORK? NO, HOW DO THEY REALLY WORK?[2] ，他就自己對於雙極性三極體工作機理的理解進行了討論。他很善於表達，前後分成了 第一頁[7] 、 第二頁[3] 來充分討論。

雖然對於他的講解所使用的觀點與方法我尚未完全理解和認同，但還是被他那充滿思考的論述以及詳盡的表示所吸引。相信這篇又臭又長的翻譯文章更能激發每一個閱讀者，特別是工程技術人員去深入探索事物背後的物理機制。

”

關鍵詞： 三極體，耗散層，電流放大

  大多數關於晶體三極體內部工作機理講解的技術書籍都講解的不好。首先他們都是先假設三極體基極電流以某種方式控制著集電極電流，然後在解釋它們是如何相互影響的。這種講解註定要失敗，是因為普通的雙極性三極體，就像場效電晶體一樣也是一種電壓控制器件，而不是一個電流去控制另一個電流。真實情況是基極-發射極電壓（Ube）控制著基極-發射極之間PN接面的具有絕緣特性的耗盡層（Depletion）厚度，這層耗盡層位於基極、集電極電流的通道上。

“

原作者注：本文探究設計型電晶體內部工作機制：是從物理學家的視角，而不是從工程師或者技術人員應用的角度。在解決電路設計問題中，工程師需要將電晶體看成是電流放大器件模型，或是可變跨導器件，或是電荷控制的電流源。我們正式透過上述建立的黑盒子模型來理解帶有電晶體電子線路。值得警惕的是，當我們想解開罩在電晶體上的迷霧去了解其內部工作機理時，這些有用的黑盒子模型反而會干擾我們的理解。

”

▲ 圖1 通常情況下對於雙極型三極體電流放大機制示意圖

“

“信仰”與“偏見”之間的差別就是你可以心平氣和的探討信仰，但對偏見卻不能。

--無名氏

”

  當我在孩童時開始對電子科學感興趣的時候，就開始潛心探究電晶體是如何工作的。嗯，已經達到了某種痴迷的程度。

  我看過很多解釋“共基”放大電路的文章，這種“共基”放大電路最初是由電晶體發明者所使用的一種工作模式。使用鍺半導體做成的基極接地，訊號透過發射極輸入到集體管。自從這種電路越來越少用，我也就不再夢想去尋找自己對電晶體工作機理的解釋了，轉而在已知的“共射”放大電路的基礎上來建立電晶體工作原理。共射電路中，電晶體的發射極連線公共地，訊號從基極送入電晶體，放大訊號則是由集電極到電源的阻抗上產生。

▲ 圖2 最早晶體三極體專利與其工作原理介紹

  儘管存在著自己不滿意的地方，但基於共射電路來闡述電晶體工作原理還是行得通的。令人想不明白的是，為何教科書總是使用“共基”電路來給小白們講解電晶體工作機理。

  當我上了專科學校之後，依然驚奇的發現對於雙極型三極體的工作原理解釋一塌糊塗。誠然三極體都是被精確的數學描述了：只要把基極電流乘以引數hfe就可以得到集電極電流；或者把三極體當成雙埠網路，使用 Ebers-Moll[4] 方程來描述網路傳遞方程。

  但這仍然是將電晶體當成一個黑盒子來看到，缺少對於其工作機理的解釋：到底小的基極電流如何影響大的集電極電流？ 彷彿所有人都對此問題漠不關心。班級中其他同學也都是把對公式的記憶當成對於概念的學習和工作院裡的探究。

▲ 圖3 Collctor Current Determination

  R. Feynman[5] 將這種學習態度稱為歐幾里得式學習或者希臘式觀點，一種對數學的痴迷心態。與此對立的是理學家，他們採用* 巴比倫式觀點 ，即概念遠比公式重要。

  我（作者）是一個徹底的巴比倫主義者，對我來說，在起初數學是沒有用處的。公式就像程式Spice中的黑盒子一樣，儘快可以有效的工作，但無法產出器件中真實的工作機理。我可以學習公式，但它們就像在大腦中執行的Spice程式一樣，用不到電腦，但仍然無法知道電晶體究竟如何工作的。

  首先告訴我電晶體工作機制是什麼，產生栩栩如生影象，使用恰當的比喻。我只有在直觀上和骨子裡瞭解了事物的機理之後，數學模型才是有用的，並可以提純和精煉一些細節。對我來說，數學模型不是對事物本質的描述，它只是一個工具、烹飪方法，它只能告訴你最終的數值結果，除此之外沒有別的，更沒有任何專業知識。

  現在，許多年過去了，我想我現在知道了真正問題所在。

傳統的電晶體工作機理解釋都太差勁了。

  在高中課本、電子愛好者雜誌上看到的一個個解釋都令人恐懼，到處充滿著錯誤和矛盾。他們對“電流”錯誤解釋稱某種流動的物質，對於什麼是絕緣體沒有能夠很好的說明。他們試圖證明基極電流可以直接影響集電極電流。工程師的參考書中花費大量的篇幅推導公式，並進行軟體模擬，但並不打算坐下來使用大白話來描述一下在三級管中到底發生了什麼。使用共基放電電路來對小白們解釋工作機理的人大有人在。用這種方法愚弄人難道僅僅這是傳統的解釋方法嗎？為啥不多費些心思去改善解釋，難道這些都是玉皇大帝釋出的金句良言？

  好吧，如果只有我而沒有別人認為關於電晶體的解釋需要改善，我就需要兌現我的承諾。如果我能夠作對了，就可以很容易對電晶體工作機理的解釋得到顯著的改善。

  下面就是關於我對於電晶體如何工作的真實機理的想法，它不是基於技術書籍或者電子愛著雜質中的傳統解釋，而是根據半導體物理以及Evers-Moll模型背後的細節。我將通常的數學模型轉換成可以描述、直觀的闡述方式。你會發現，一些新的概念將被引入。對你來說也許記住幾個公式比了解這些內部機理更容易，一旦你想解碼我的闡述以及附加的ASCII字元圖形，你就已經成為可以真正懂得電晶體的少數精英。我發現很多資深的電子工程師對於電晶體工作機理並沒有清晰的理解，而你將會在這方面超過他們。

  首先，你需要拋棄電流在電晶體中穿行或者在導線中流動的觀念。是的，你聽我的沒錯： 電流並不流動[6] ！電流從來就沒流動過，因為電流壓根就不是一個實體。電流實際上是別的一些物體流動所導致的。

  類比一下，你可以問問自己：什麼東西在河道中流動？是“水流”？還是“河水”？

“

既然電流是由電荷運動引起的，所以通常“電流流動”的說法就應該避免，因為字面上它是說電荷的流動的流動。

△ - MODERN COLLEGE PHYSICS, Richards, Sears, Wehr, Zemansky

”

  電線中流動的到底是啥玩意？

  那些在電線中移動的物體並不被稱為為“電流”，而是“電荷”。流動的是帶電粒子而不是電流。帶電粒子可以運動、也可以靜止，但運動本身並不流動，只有粒子才流動。

  就像在河道（或者水管）裡，是水在流動，而不是水流在流動。關於輸水管道，也只有我們放棄管道是空的，才能很好理解管道網路，從而相信一種神奇的事物叫“水流”。輸水管道本來就充滿著水，水在其中流動。這一點比喻可以適用於電流。電線中並不充滿著“流動的電流”，而是預先充滿了各種帶電粒子。電荷是可以移動實體，它是由物理粒子攜帶，並以實際的速度和方向運動。這些帶電粒子行為上很像氣體，或者液體。但是電流與帶電粒子不同：帶電粒子是實體，但電流不是的。（如果將電流比作風，那麼帶電粒子就是氮原子！）。

  如果在下面的思想實驗中，將電流忽略，代以對帶電粒子運動的運動細節考察，就可以在電子器件原理的理解方面撥雲見日。

  其次，導體中的帶電粒子並不是靠相互之間的推搡而產生定向運動的，而是透過電位差，是透過導體內部電場的推動產生定向運動。帶電粒子不是被電源傳送出來，就像水從水塔中流出那樣。如果你想象著電子從電源負極流出，透過電路中空曠的導線流動，那就大錯特錯了。同樣如果你認為電源工作時對外提供電荷也是錯到沒邊了。電線並不是一個空的電子管道，電源也不對外提供任何電子。電源只是產生電流，或激勵出電流，在此過程中電源看起來並不是往電線裡面傳送電荷。電源更像水管中的水泵。水泵僅僅提供管道中的水壓，它不提供水本身。

  第三，你是否參透了電子線路直觀理解中的最大的秘密？

所有導線都已經充滿了帶電粒子

  包括金屬線、矽半導體等等，都像充滿水的管道或者水池。這裡的水是指導體中數量眾多的可以自由移動帶電粒子。電路可以看成“充滿水的管道”。這種想法常常被“流動的電流”、“電源傳送電流”等概念所矇蔽。我們需要拋棄電線像一個空的管道的想法，也不要考慮在電線中的流動的電流 。一旦拋開電流這個概念，我們便可以悟出簡單電路中令人驚訝的景象，嗯？！

  如果將電路比喻成輸水管道，那麼這個管道中永遠充滿著水。基於這個觀點非常重要，否則對於半導體就無法理解，甚至導體也無法理解。金屬中包含了海量可以運動的電子，彷彿形成了帶電液體。一塊銅片，就像一個電子水潭 ，物理學家稱其為“金屬中的電子海洋”，或者“帶電粒子海洋”。半導體同樣也充滿著可以移動的帶電實體，無論它們是連線在電路中還是擺在書櫥裡。當電壓施加在一塊矽片中，裡面的帶電粒子就會在電場的驅動下運動。

  同樣請注意，金屬中的粒子是不帶電的。這是因為每個一電子周圍都存在這質子，所以儘管金屬中存在海量的帶電粒子，但整體上並沒有出現淨電荷。金屬中的這些沒有電荷的粒子可以被稱為“抵消的電荷”。儘管電子上的電荷被周圍質子中的電荷抵消，但依然可以在質子周圍移動。抵消電荷可以移動，所以在沒有淨電荷的金屬中可以產生電荷流動。

  好吧，既然“管道”中已經充滿了液體，在理解電路中我們就不應該將電源輸出埠作為電路的開始起點，相反可以把電路中任何元器件當做電路的起點。當考察的元器件被施加電壓時，其中的帶電粒子就會流動。

  對於在中學裡學到的“電燈泡電路解釋”重新進行修正，下面是修改過的版本：

  一個精確的對電燈泡電路的解釋：

  電線中充滿著電荷（所有導體都是！）如果你將一些電線連線成一個固體環路，你就構造了一個電路。這個金屬環路就像一個由帶電粒子形成的移動運輸帶。接下來我們在環路中斷開幾處，接入電池、燈泡等。電池就像一個粒子泵，燈泡則像一個摩擦制動器。電池驅動著電荷沿著電線運動，電線中所有的電荷都在運動，此時燈泡就像摩擦制動器一樣摩擦發熱。

  根據這個描述，帶電粒子從燈泡中燈絲的一端出發（注意，並不是從電池出發，而是在燈泡內分析）。帶電粒子被強迫流過燈絲，然後從另外一端流出，並沿著第一段連線金屬線流向電源介面。（在同時，更多的帶電粒子從燈絲另一端流入燈絲）。電池驅動帶電粒子透過它並從另一端離開，並沿著第二條線流向燈泡。它們透過燈泡內的燈絲形成閉合迴路。同時，電路中的其它部分電子都做相同的運動。這就像 一個由帶電粒子組成的傳送帶。電線就像內部藏有一個傳送帶。燈泡看起來像一個摩擦制動器，當電荷被強迫透過時摩擦發熱。電池的作用是加速整個傳送到執行速度，同時燈泡的阻力將它放慢。最終傳送到達到一個恆定的執行速度，燈泡發熱發光。

“

真相在使得你放飛自我之前先把你惹毛了。

△ 無名氏

”

  簡要總結：

  1. 導體中流動的是帶電粒子，而通常講的電流並不流動；

  2. 導體中的帶電粒子是由電場驅動下運動；

  3. 任何電線中都預先充滿著海量可以移動的電荷；

  4. 電池、電源就像一個電荷泵；只提供電荷運動的電壓，而不產生任何電荷；

  5. 電燈泡，或者電阻看起來像一個摩擦制動器；

  最後，導體和絕緣體的差別很簡單：導體是一個預先充滿水的管道，而絕緣體則像一個被結冰堵塞的水管。它們都包含有帶電物質，但絕緣體中的帶電物質無法運動。當水管中存在水壓時，水會流動。但對於空水管，沒有任何可以流動的物體，所以也不會有水流。當水管中結冰堵塞，冰被卡在其中無法移動，也同樣不會產水流。所以絕緣體，要麼沒有帶電粒子，要麼帶電粒子無法移動。這一點在很多教科書上描述錯誤。他們往往將導體定義為帶電粒子可以透過的物體，絕緣體則是阻礙帶電粒子透過。不是的，就像空氣，真空實際上並不阻礙帶電粒子透過，但它們是良好的絕緣體。事實上，導體是一些充滿可以動帶電粒子的物體，而絕緣體則缺乏這些移動帶電粒子。

  如果一本書在這些基礎概念上出現錯誤，那麼後面的解釋，就像在垃圾上搭建的高樓，也會隨之崩塌。

  在正式探討電晶體之前，還有一個事情：矽與普通的金屬存在著不同之處。金屬中充滿著可以動的帶電粒子，摻雜後的矽也通常充滿著可以移動的帶電粒子。它們之間後什麼區別嗎？

  當然有，這是關於“帶隙”的概念，是電子和空穴之間的差異。但這不是最重要的。真正重要的差別也很簡單：金屬中的移動帶電粒子很多，但矽中則很少。比如在銅中，每一個銅原子都可以貢獻一個可以移動的電子組成電子海洋。銅中的電子液體非常稠密，與銅裡面的原子一樣稠密（是指的數量上）。但在摻雜後的矽中，僅僅每10億個矽原子才有一個可以貢獻一個可以移動的帶電粒子。此時，矽晶體就像一個空曠的空間，遊蕩者少量的 帶電粒子。在普通的矽中 ，你可以只需要幾個伏特電壓就可以將其中帶電粒子清除出晶體，而在金屬中則需要幾十億伏的電壓在能夠將其中可以移動的電子全部驅離出金屬晶體。所以，換個比喻方式：

  6. 在半導體中的帶電粒子就像一個可以壓縮的空氣，而金屬中的電子則像一個不可壓縮的液體。

  如果將物體中的移動電荷清除，則會將該物體從導體變成絕緣體。如果將矽半導體比喻成一個橡膠水管，它就是一個充滿著可壓縮氣體的管道，很容易將其中的氣體擠壓並將其變成一個絕緣體。如果將銅線比喻成橡膠水管，則其中充滿著不可壓縮的鐵屑，你可以擠壓它們但無法將它們擠出。但對於充滿氣體的橡膠軟管，可以比較容易從旁邊擠壓，使其通道關斷，阻止流動。

  好吧，下面讓我們先看看通常情況下對於晶體三極體解釋方法。

  當在晶體三極體的基極和發射極之間施加正電壓，便可以將一個NPN三極體開啟。這個外部施加的電壓使得基極中的電子流出，並流向電源正極。這使得基極中出現更多的空穴。空穴就像一些帶有正電荷粒子，沿著電子流動的反方向送入基極。按照這種講法，基極的引線彷彿就像在往基極注入空穴，也就是注入帶電粒子。

  （注意，這裡提到的流動的帶電粒子，不是指正電荷對應的常規電流）

▲ 圖4 對於NPN三極體施加B-E正向電壓

  這就是通常情況下對於NPN三極體基極電流的解釋。為什麼這一點對於理解三極體工作十分重要呢？就是因為“實際情況不是這樣的！”。基極電流對於電晶體工作並不重要，它只是實際工作過程中的副產品。而真正其關鍵作用的是一層絕緣層，通常被稱為“耗盡層”的區域。如果注意力都放在基極電流上，大多數作者都會在他們的解釋中走入死衚衕。為了避免這種結局，我們需要在一開始就避開基極電流，而是抓住其它部分來幫助理解。請看下面的示意圖：

▲ 圖5 三極體結構以及其中的可以動帶電粒子

  在電晶體中的耗盡層存在與基極與發射極之間，它是一個絕緣層。為什麼那裡存在絕緣層？這是因為基極是 p型摻雜半導體，其中充滿著自發產生的空穴，當p型半導體與n型半導體接觸時，n型半導體中的電子落入空穴從而形成了耗盡層。

▲ 圖6 三極體中B-E之間的耗盡層

  雖然在 p型半導體中也有電子，就像算盤中排列緊密的算盤珠，空穴相當於一排算盤珠子中間的間隔。往一個方向撥動一個算盤珠，空穴就向反方向移動一格。當p型半導體與n型半導體相遇時，情況就不同了，n型半導體中獨自運動電子與空穴相互結合，不會產生新的空穴。空穴與電子相互蠶食，最終形成了缺少 移動電荷的絕緣層。

  記住：導體並不是允許電荷透過的物體（上面總結第3條）。實際上導體是充滿著可以移動電荷的物體。如果沒有可以自由移動電荷的物體都是絕緣體。所以在耗盡層中，所有極性相反電荷相互湮滅消失，就像算盤中所有的空擋都被算珠填滿，則不再有算盤珠可以移動了。在矽晶體中，所有帶電粒子都不可以自由移動因此就形成了絕緣體。當沒有電壓施加在這個耗散層上，這個絕緣層就會逐步變厚，此時三極體就被關斷了。

  我喜歡將電晶體中矽晶體看成一個閃著銀光的導體（或者類似的金屬），但對於P-N結中的絕緣層，則想象成一個絕緣玻璃。所以，矽晶體就像一個可以變成玻璃的金屬。

▲ 圖7 在B-E之間的耗散層就像夾在導電矽中間的一層絕緣玻璃

  每當在基極與發射極之間施加電壓時，這層絕緣層的厚度就會發生改變。當（+）極施加在p型（基極）半導體，（-）極施加在n型（發射極）半導體，在n型半導體中的電子就會在電壓驅動下往p型半導體移動，此時絕緣層就會變薄，直到電子和空穴雲霧在絕緣層中相遇並結合。此時在基極-發射極之間就會建立起電流。這個電流對於的工作並不重要。關鍵是施加在基極-發射極的電壓引起B-E之間的絕緣層變薄，使得發射極-基極之間的電荷可以流通。

  此時三極體就像一個在B-E之間包含一個絕緣玻璃層，它的厚度可以由施加在B-E之間的電壓進行調節。B-E電壓增加，絕緣層變薄，反之變厚。這是因為施加的電壓驅動著在p型，n型中的移動電荷做相向運動，從而改變它們之間絕緣層的厚度。當絕緣層薄的一定程度，一些移動的電荷便可以跳躍絕緣層而移動到對應區域。所以可以將這個絕緣層看成有電壓控制的開關。當施加正確的電壓時，開關閉合。這個開關是一個比例開關，流過的電荷多少與施加電壓之間存在關係。

  對於矽半導體，開始能夠有電荷透過時所需要的電壓大約為0.3V。當升到0.7V時，電流就會很高了。（這是對於矽半導體，對於其它半導體對應的電壓閾值會不同）。

  電壓越高，絕緣層越薄，透過整個電晶體的電流越大。透過施加正確的電壓，我們可以控制晶體三極體在閉合、開啟或者部分閉合等狀態間轉換。

  檢查一下我們得到了什麼結論？晶體三極體並不是由電流控制。相反它是由基極-發射極之間的電壓控制。

  7. P型，N型摻雜矽是導體，因為其中包含可以移動的帶電粒子；

  8. 在P型，N型摻雜矽相接觸時，在接觸面上產生一個絕緣層；

  9. 透過施加電壓可以改變絕緣層的厚度；

▲ 圖8 透過在B-E之間施加電壓可以將絕緣層變薄

“

什麼是物理？那是對人們已經習以為常的事物產生新的深刻見解的學科。除非你對於某一個事物有兩到三個獨立方法進行解釋，否則就別認為自己已經對它瞭解了。

”

  好，我們所知的一切包含錯誤，晶體三極體並不是一個“電流放大器件”。而是一個有基極電壓控制的元器件。

  絕緣層的厚度變化改變著電晶體開關狀態。既然基極電壓是改變絕緣層厚度的因素，是否我們就可以不用管基極電流了呢？

  且慢，我們想對電晶體哪一股帶電粒子流動進行開關控制？啊，我們還需要在另外增加一個電路迴路。在下面，我們將另一個電池施加在整個電晶體上，連線在發射極與集電極。這裡使用了9V的電池。

▲ 圖9 增加了集電極-發射極工作電壓源

  所以，基極上施加的電池用來開啟三極體的開關，讓9V的集電極電池驅動大量帶電粒子垂直透過整個三極體。

  集電極矽是使用的什麼型別摻雜？施加在集電極上的電池電壓難道不會影響基極所施加的電壓嗎？ 使用三層結構到底是究竟是為了什麼？ 在集電極-基極之間的的第二個耗盡層難道不會將整個三極體關斷嗎？你不是想形成集電極電流嗎？那就直接把集電極9V電壓連在基極上不就行了嗎？

  所有的答案都蘊藏在最後的一個問題中。如果我們不要集電極那一層，而是將9V集電極電壓直接連線在基極上。由於半導體是一個很好的導體，所以最終我們只是得到一個單向導通的二極體。兩個電池之間存在電壓降，基極將它們短路連線起來。

▲ 圖10 直接將集電極電壓源連線在基極上

  所以，集電極這一層是必須增加的，但集電極也帶來了一些看起來更加奇怪的情形。

  你會注意到，施加在集電極上的電池（+）極是在集電極，但集電極卻是 n型半導體。這不是一個缺陷嗎？ 這個電壓不就在集電極與基極接觸面上形成了第二個完整的耗盡層？

  對！既然使用了9V電壓，它驅使P型中的空穴遠離耗盡層，所以這層耗盡層很厚。相當於一個關斷的絕緣開關，嗯？ 它是.....，不，它不是。我個人認為這是三極體工作機制中最令人感到奇怪的部分了。我花費了很長時間，直到我不再考慮它那詭異之處，對於其中所發生的機理頓感醍醐灌頂。

▲ 圖11 共射三極體工作狀態

  首先，這層新的耗散層阻擋了集電極電壓對於三極體其它部分的影響。如果增加9V電池電壓，基極-集電極之間絕緣層就會變得更厚，這使得下面B-E之間的並不會感覺到集電極電壓的影響。

  其次，在基極的上層，靠近集電極部分耗盡層則會感受到集電極9V電壓的影響，但下面電路就不會受到影響。就像我們在電燈泡電路周圍晃動一個充滿電荷氣球在電燈電路周圍晃動，對於電路本身沒有任何影響。

  然而！

  由於基極電壓將在發射極上的絕緣層變薄，大量的 可移動電子會從發射極湧入基極。實際上只有少量電子會直接進入基極，因為此時在基極發生了交通擁堵，除非基極引線可以將造成交通擁堵電子吸出去。或者在準確一些，如果基極中的電子沒有離開，並且也沒有被空穴吞併，任何進入基極的電子都會使得基極變成負極性，從而排斥更多的電子從發射極上升到基極。你看，這是不是一個交通擁堵？

  所以現在我們看到一股由少量電子形成的稀疏的電子雲發射極升騰而起，一些漂移到p型基極區域的上半部分。結果呢，這些電子雲感受到9V電池正向電壓的吸引。此時，上層的絕緣層不像是絕緣的玻璃，而是絕緣的空氣層。只有在沒有 移動帶電粒子存在時，它才絕緣，但它並不阻礙移動的帶電粒子。然而，如果沒有帶電粒子存在，電壓也不能夠產生電流。

  另外，不要忘記在基極中存在著豐富的帶電的空穴，一旦它們漂移到上面耗散層都會被正向電壓排斥往下移動。從這一點上來看，耗散層一個絕緣層，它將移動的空穴往下排斥，移動的電子往上吸引。如果你將集電極、基極都想象成導體，那麼它們之間的耗散層就好比真空區間，裡面產生了靜電場。

▲ 圖12 三極體內部帶電粒子工作細節

  我們已經將集電極充電到+9V電壓。在耗盡層出現的空隙中如果伸出一些脆米糕碎屑，如果它們帶有負電荷，就會被吸引往上運動。那好，在基極中游蕩的少量電子，這些帶有負電荷粒子一旦漂移到基極上層，忽悠一下就會被吸引上去。被吸入的電子就會在剩下的電路中流入地線。這隻有當電子運動到基極上層時才會發生。對於基極區域的下面，導電的基極就像一個金屬遮蔽罩對上面電場進行遮蔽，下面電子實際上感覺不到來自集電極的吸引電場。

  一些電子衝到基極上面離開基極，這緩解了基極的交通擁堵。當基極中這些往上移動電子消失後，它們被集電極立即俘獲。下面就會有更多電子湧入基極，這就會使得更多電子往上衝去，如此反覆，形成大量往上運動電子。

  交通擁堵，與基極-發射極之間耗散薄層的閥門作用，它們形成了控制流過整個三極體主要電流的機制。任何從發射極透過薄的耗散層湧入基極的電子都同樣可以漂移過很薄的基極到達上半區域，最終形成集電極電流的 一部分。基極電壓是控制薄耗盡層的厚度，從而控制了湧入集電極電荷的數量。集電極的9V電壓提供了對電子的吸引力，從而驅動主要縱向流動的電荷。如果我們改變集電極電壓，它並不能改變集電極電流。這是因為它只是吸引了那些由基極電壓控制的電子，所以集電極電壓不能夠改變集電極電流。這就是通常所說的壓控-恆流源。

  注意，基極需要做的相當薄，這一點很重要，這樣可以使得交通擁堵現象變得最大化，也可以使得那些透過基極引線遊離出基極的電荷減少。我們依靠電子自己在基極自行漂移的自然能力。在這個過程中，並沒有外部電壓驅使他們往上運動。基極電壓產生的吸引力只是使得漂移電子往基極引線端偏移一點點。集電極電池也無法對它們漂移運動施加推動，只有等到它們到達基極最上邊。

“

如果你使得人們認為他們在思考，他們會喜歡你。但當你使得他們真正在思考，他們將會憎恨你。

△ Don Marquis

”

  哎呦，上面講的的確夠多的了，很難一下子消化掉。如果它使得你的大腦將所有拼圖連在一起時，不要感到驚訝。它花費了我數年的時間才明白這一切。也只有在我上了兩個學期的工科課程，專門探討對這整個主題進行描述 Ebers-Moll[7] 數學模型之後才明白。 Ebers-Moll模型所給出的電壓控制電壓的觀點越來越多的出現在教課中，但顯然還沒有被廣泛的理解。一旦它們被理解，人們對於雙極性三極體是一個電壓控制器件並不感到煩惱，集電極電流與B-E之間的電壓成比例關係。

  至此，我們做些概括總結：

  10. 電晶體相當於一個可以部分開啟關閉的開關；

  11. 施加在集電極-發射極之間的電壓源是為了產生大量帶電粒子移動；

  12. 在集電極與基極之間存在著一個很厚的耗盡層；

  13. 這個耗盡層像是一個絕緣的空氣間隙；

  14. 任何隨機漂移過基極的電子都被集電極捕獲，在透過上層耗盡層過程中它們是被電壓驅動的。

  15. 基極電壓可以改變集電極電流，但集電極電壓只有很小的影響；

  如果我們加大基極電壓，發射極耗盡層變薄，直到完全開啟，非常大量電子就會造成集電極電流狂增，此時三極體就有可能在集電極電壓作用下短路燒壞。所以讓它開關控制其它的器件，讓一個電燈泡串聯在集電極迴路中。

▲ 圖13 使用三極體控制電燈泡的開關

  最後，我們還是看一下在基極引線中流動的電流。儘管是B-E之間的電壓來控制三極體，我們並沒有將基極電流完全忽略，它還是有重要的作用。僅僅是巧合，對！非常巧合，微弱的基極-發射極之間的電流與強大的集電極-發射極之間電流呈現比例關係。所以，當我們知道基極電流時，只要乘以一個電流放大因子，就可以得到集電極電流。外邊看起來，三極充當一個電流放大的作用。但實際上它是透過微小的電壓變化來影響大的電流。

  基極電流與集電極電流成比例關係，並非真的是偶然，它們都與基極-發射極電壓有關係，這個電壓控制著基極-發射極耗散層的厚度。之所以集電極電流大，是因為絕大多數來自發射極的電子都被集電極吸引過去，而只有少了的電子用來改變B-E之間的電壓，從而控制B-E耗盡層厚度，所以基極電流很小。

  一個地方的電壓控制另外一個地方的帶電粒子的流動。這個事實也決定了整個器件的命名。變化的電壓改變電流，所以器件像一個電阻。但是控制電流的電壓是在別的不同的電路迴路上，所以這種電壓對電流影響的效果是從基極迴路轉移到（Transferred）集電極迴路。轉移電阻（Transfer Resistor = Transistor）。

  16. 基極電壓控制集電極電流；

  17. 真的是純粹巧合？從基極洩露出的電流與集電極電流成比例；

  18. 電晶體不是電流放大器件。但當我們將其假裝看成電流放大器件會簡化我們的電路分析過程。

  嗯，關於電晶體工作機理的這個解釋是否像懶婆娘的裹腳布，又臭又長？ 如果想使得這個理解在大眾中變得容易，只有所有的教科書作者本身對電晶體工作機理有著良好的理解，他們不再向人們傳輸三極體是一個電流放大器件才行。或許，我掐掉我的菸蒂，建立一些形象的動畫，將會使得上面的描述更加靠近大眾。

參考資料

[1]

WILLIAM J. BEATY: http://amasci.com/me.html

[2]

HOW DO TRANSISTORS WORK? NO, HOW DO THEY REALLY WORK?: http://amasci.com/amateur/transis.html

[3]

第二頁: http://amasci.com/amateur/transis2.html

[4]

Ebers-Moll: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/trans2.html#c2

[5]

R. Feynman: http://amasci.com/feynman.html

[6]

電流並不流動: http://amasci.com/miscon/whyhard1.html#cur

[7]

Ebers-Moll: http://www.google.com/search?q=transistor+ebers-moll