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三极管放大原理的分析

09 Jun 2019

三极管放大原理的分析

一直不认同书本中三极管放大原理的分析:载流子因为浓度差扩散,因为扩散电场漂移,基区电流注入空穴,电子穿过发射结进入基区被集电结收集。

电流本质上只是原子外围电子的交接移动,N型硅晶掺磷,磷外围四个电子与硅形成稳定共价键,多出的一个电子提供了良好的导电性,共价键电子也会因为能量高于共价键势阱提供少量导电性,N型硅晶主要的导电形式是磷外的非共价键电子,如果以完整共价键晶格网络为标准观察,N型硅晶大部分时候只以一个非晶格共价键电子导电,它以空穴导电或原子外两个非晶格共价键电子导电的情况会极少,这需要电子有更高的能量。

同样以完整共价键晶格网络为标准观察,P型硅晶大部分时候只以一个晶格共价键内空穴导电,它以晶格共价键内两个空穴导电或原子外非晶格共价键电子导电的情况会极少,这需要电子有更高的能量。PN结形成之后如果没有外加电场,它会因为结电场形成共价键晶格稳定态,结内共价键电子处于更低的能态,它们将很少参与导电。PN结低导电性的状态有两个要素,一是完整晶格共价键,没有键内空穴和键外外围电子,二是PN结电场束缚键内电子迁移。个人认为PN结形成时会因为结内共价键势能更低而放出热能和辐射,这一点很重要,这是发光二极管发光和三极管放大的真正原因。

PN结加反向电压的情况,从二极管伏安特性曲线分析,在击穿电压内时,只有结内少数电子因为能量能跳出共价键形成电子空穴对参与导电,PN结在反向电压下会象电容一样被充电,PN结完整共价键晶格会变宽,此时PN结如果要导电,需要电子和空穴与形成PN结时扩散的方向相反。到达击穿电压后,会有大量的结内共价键电子得到能量跳出势阱参与导电,因为掺杂浓度和结厚度的关系,分为齐纳击穿和雪崩击穿,暂不作分析。

PN结加正向电压的情况,在结电场电压内,硅约0.7伏,锗约0.3伏,只有热电子空穴对参与导电,与反向击穿电压内的情况一样,到达结电压后,结内电子空穴将沿扩散方向继续移动形成良好导电性,N型晶格键外电子注入P型晶格键内空穴将放出辐射和热能。再来看三极管的工作情况,在不同基极电流下的集电结伏安特性曲线,与PN结反向特性一致,大胆分析此时导电性也只来源来于热电子空穴对,电子空穴对的来源只能是发射结的辐射激发。

电子空穴对导电并不真正存在移动的键内空穴和键外电子,它只是晶格不同原子在共价键内交换了电子,并没有产生空穴,也没有产生共价键外电子,它的辐射要远低于PN结的正向导电。这样才可以解释为何纯半导体和三极管没有因为导电辐射而产生导电性的自维持。

晶格共键价网络有四种能态,最高的是N型晶格,其次是P型晶格,之后是导电态完整共价键晶格,最低是不导电态完整共价键晶格。PN结正向导电时,N型晶格键外电子注入P型晶格空穴,会以辐射释放能量。不导电态完整共价键晶格需要吸收能量,以热和辐射方式,才能变成导电态完整共价键晶格。晶格共价键网络吸能充能的特点,个人认为与金属导电有类似之处,只要一处吸能,整体晶格共价键网络都会充能,提供一定导电性,与晶格共价键网络的长度无关。实际情况会因为热散失,晶格共价键网络充能还是与长度有关系的。

三极管的特点就是P型N型高能导电通路与晶格共价键网络低能导电通路的控制关系,途径是PN结正向导电辐射。辐射PN结反向电流与热PN结反向电流最大的区别是有时效性,一个正向PN结电子轨道迁移辐射只能即时在PN结反向电压的共同作用下搬移电流放大倍数β个电子过反向PN结。金属氧化物半导体的实际情况可能会更有意思,这才是人类最倚赖的半导体器件。

先来看三极管发射极开路时的收集结漏电流I(cbo),和基极开路时的收集结发射结漏电流I(ceo),后者远大于前者,这在以前令我不解,现在我的看法是:I(cbo)是共价键的导电通路,在进入基区后,一部分电流转换成了N型或P型的更高能导电通路,它们正向通过发射结后产生的辐射激发了更高的I(ceo).金属氧化物场效应管的情况是类似的,氧化硅一侧的金属极板施加的电场控制了晶格共价键网络电流转换成高能P型N型电流的数量。

金属氧化物场效应管栅极加电压的情况下,栅极金属板对面二氧化硅处的P型或N型硅晶积累电荷,成为低导电态完整共价键网络,这一点与教科书中的解释截然相反。低能态共价键网络电流中的电子在栅源极电场作用下,有一定数量吸能跃升成P型N型电流,P型N型电流交接处的辐射控制了共价键网络的导电性。半导体中共价键空穴和共价键外外围电子从一个原子转入另一个原子并继续转移下去,这是P型N型高能电流,如果它们不发生移转,只是共键价内电子发生定向移转,这是低能态共价键电流。一般的看法是栅极板充电完成之后,栅极电场将对栅源PN结不起作用,PN结正向辐射将降低,导通电流将下降。实际的状况可能是栅区低导电区外侧在漏极方向不断有电子被拉走形成新空穴,或者有新的键外电子从漏极塞入,形成栅极电容新的不均衡,空穴或键外电子向源极移动,在源极处拉入电子或移出键外电子,形成了实际的高能态电流,有点虹吸管的作用。我的看法的核心只有一个,P型N型高能电流过不了反向PN结,过反向PN结的只能是充能的共价键电流。

金属氧化物场效应管栅极如果看成电容,它的另一边有垂直于电容电场的电流,电流与硅晶的电阻分布会造成不同的电位梯度,电位梯度又会造成氧化物两侧不同的电荷分布梯度。如果硅PN结正向压降为0.7伏,栅极金属板在源极PN结处对面的电位就是0.7伏,漏极电压减0.7伏后会有一半分布在栅极对面的硅晶内,漏极PN结还是反向偏置,栅极金属板在漏极处积累的电荷与源极处电荷极性相反,在对面晶体电位与极板电压相同的地方积累0电荷。再来看栅极板对面晶体内靠近氧化物这一侧的电荷分布,在源极处最多,形成类似PN结区内的完整共价键,然后减少,到晶区电位与栅极电压相同处为0,再变成相反电荷,聚集较多空穴或键外电子,到漏极PN结区又突变成相反电荷,这里是反向偏置的PN结区。我分析P型N型硅晶掺杂浓度是定值,P型晶体在一处区域内如果空穴浓度低于掺杂浓度,将积累负电荷,但不会出现原子外有非共价键外围电子的情况,P型晶体在一处区域内如果空穴浓度高于掺杂浓度,将积累正电荷,但不会出现原子外两个共价键空穴的情况,N型晶体类似。栅极板在接近漏极这一侧大多是可以去除的,真正起作用的只是接近源极的一小部分,在这里的晶体内形成较多的完整共价键低导电区,但是电流电场与电容电场垂直,电子还是容易在电容电场垂直方向流动的。我附会的把栅极板看成相同于电子加速器内的环形加速电极,可以把一定数量的电子从低能态的共键价电流充能提出,变成高能态的空穴或键外电子电流。

电流的大小有两个因素,单位截面中电子的即时流速和流动电子的数量,在固体导电中我只认为与电子数量有关系。二极管反向击穿之后的稳压性,正说明到了击穿电压之后,随着电压的微量增加,共价键网络的电阻加速减小,大量共价键电子吸能从不导电态进入导电态。二极管在正向导通电压之后(硅约0.7伏,锗约0.3伏),也有明显的稳压性,我本人认为P型N型晶体在导电时应该近似线性电阻,那么二极管的正向稳压性真正的来源就应该是P金属结,它产生于金属导线与P形晶体的结合面,只在P型晶体一侧产生结电场维持的完整共价键低导电区。真实的二极管单向导电性只是PN结与P金属结反向击穿电压的高低对比,器件PN结的正向压降主要分布在反向的P金属结上,真实的PN结压降要比器件导通电压(硅约0.7伏,锗约0.3伏)低得多,发光二极管会高一点。

半导体器件中最重要的是P型晶体,它是辐射放能的来源,在金属氧化物场效管中N型晶体可以用金属替换,可以降低热损耗和结电容,提高器件工作频率,提高器件集成度,前提是做好晶格共价键网络吸能充能的隔离。如果能做到直接在二氧化硅或其它什么基片上生长P型硅晶,可以省掉直拉硅晶切片打磨的工艺流程。

PN结反向击穿电压与温度的关系,我附会成如下理论:掺杂浓度高的PN结,结深很薄,赖压低,温度升高,结内共价键电子能量升高,更低的电压就能导通。掺杂浓度低的PN结,结深很厚,结内反向电压的分布距离长,赖压高,温度升高,结深内电阻随温度升高,会有更高的压降,需要更高的反向击穿电压。正向的二极管可以当成高浓度低结深的反向P金属结。关于PN结的反向二次击穿,原因是电流的集肤效应和共价键网络充能的不均衡性导致的电流局部集中,产生了溶融态硅,冷却后从单晶态变成多晶态,晶界网络有良好的导电性。

物理学中有很多想当然的做法,远古的有重的物体先落地,新的有相对论与三极管原理分析。相对论不成立的原因,在于没有绝对参照系,没有相对于所有参照系的直线运动,爱因斯坦的相对论分析建立在惯性参照系和直线运动之上,这是变相的以太观念。对于一个参照系,如果有另一个参照系能被观察到自旋,这两个参照系中的直线运动在另一个参照系中观测一定是曲线运动,这样再看相对论的分析,我只觉得爱因斯坦是如此愚蠢和荒谬,人类也是如此愚蠢,只懂得盲从和拍马屁,这是童话世界里国王的新装吗?

结型场效应管表征的半导体导电性:

1,如果把纯共价键电子与本原子核电场的平衡视为内束缚,则把PN结区的纯共价键视为外束缚,N型P型晶体隔二氧化硅加金属极电场后形成的纯共价键也是外束缚,结型场效应管有一个重要的特征是稳流性,它出现在漏栅极电压到达晶体管阻断电压U(p)后。

2,另一个重要特征是通流性,只有栅源极电压到达U(p)后才会断流,当栅源极电压在阻断电压之内,漏极电压不超过击穿电压,但到达阻断电压时,它都有稳流性。假定在有电流时管内有特定压降,当一处电位与栅极电位差达到U(p),此处横截面将成为完整共价键平面,晶体管将出现稳流性。最大稳流电流I(dss)时的情况是漏极处全阻断,源极处拥有最大非阻断面。当栅极电压增大,漏极处全阻断区域向源极沿伸变厚,源极处非阻断截面面积减少,它外围因为栅极反向PN结变厚,更多面积成为完整共价键区域。如果稳流电流I(d)与源极非阻断截面成正比,源极非阻断截面又与栅源极反向PN结电压U(gs)负相关,很显然转移特性近似公式也在说明这一点:I(d)=I(dss)*(1-U(gs)/U(p))^2,源极非阻断截面积比S(U(gs))/S(U(gs)=0)=I(d)/I(dss)=(1-U(gs)/U(p))^2

先来看稳流性,电流I=nesv,反向PN结,三极管,结型场效应管,金氧场效应管的稳流都出现在导流面全纯净共价键网形成之时,它是放大作用的根源。以晶体管的全导通流截面来看,全部截面纯净共价键网确定了两个重要的量,一是截面流动电子数量,二是电子移速。再来看通流性,全截止时电流都来源于热,非截止时的来源各有不同,书本中的解释是三极管由基极电流控制基区少数载流子电流,我的猜测是基极电流在发射结辐射控制了收集结电流,书本中的解释是金氧场效应管中栅极电压制造了少数载流子反型层,我的猜测是垂直电场对低能共价键网络电流的充能。

再回过头来看电流与电阻,固体中的电流必须要导体内相邻原子参与电子定向交接,半导体内空穴与键外外围电子比例是很少的,它们根本就不是载流子,它们只是改变了晶体共价键电子整体的能级,让晶体外围电子能够交接流动。P型晶体中的电流表明共价键电子是可以在外加电压下移动的,如果N型晶体的电流只是非共价键电子的流动,必然需要掺杂原子相连组成网络,这种可能性很低,所以N型晶体中电流也是共价键电子电流。这一点非常重要,书本中的观点认为是载流子空穴和共价键外电子的流动在导电,这是错误的根源。

再来看纯硅晶体作为一侧电容极板的情况,如果另一侧金属极板加正电压,在晶体极板侧将集聚大量键外电子,晶体将成为良导体,这种情况并不存在,如此就不会做PN结器件了,加负电压的情况相似。如果是P型晶体极板,金属侧加正电压,晶体侧空穴浓度降低,积累负电荷,但不会出现积累键外电子的情况,金属侧加负电压,晶体侧空穴浓度不会升高,也不会积累正电荷。如果是N型晶体极板,金属侧加正电压,晶体侧键外电子浓度不会升高,不会积累负电荷,金属侧加负电压,晶体侧键外电子浓度降低,积累正电荷,但不会出现积累空穴的情况。如果是晶体内同时有P型N型掺杂的情况 ,它们会象PN结一样,N型键外电子填入P型空穴,最后是N还是P型要看掺杂浓度差值,它充当电容极板时,不论积累键外电子还是空穴,它们的浓度都不会超过掺杂浓度。如果这种看法属实,金属氧化物场效应晶体管栅极所对应的晶区将不可能出现少数载子的反型层,就算有反型层,栅极漏极电压还是使漏极结反向偏置,它并不会导通,反型层一定会在漏极结区终止。

再来看PN结导电的情况,它的结区是扩散电场维持的纯共价键,按结型场效应管表征的两个特点,它有稳流性和通流性。反向偏置的情况,如果未击穿,漏电流很小,它就是一个电容,结区在P型侧空穴填入电子,在N型侧抽走键外电子,结区变宽,结区扩散电场加强,它与反向电压的和V平均在结区长度上,如果结区长度内有n个原子,在结电压方向上每个共价键电子承担V/n电离压,当电离压使价电子脱离本原子交接移动时的V就是击穿电压。

半导体器件是一个电容性器件,电压导致空穴和键外电子的浓度变化,浓度变化导致导电性的变化。结型场效应管很明显的说明了全截面纯共价键的限电子流速和限导流截面流动电子数目的性质,发光二极管和光敏二极管说明了正向PN结辐射,和反向PN结吸能导电,假定结型场效应管也是辐射控制通流性,那么栅极的反向PN结也会通流,器件将失效,所以辐射并不是半导体器件性能的真正原因,我的推测是错误的。结型场效应管说明全截面纯共价键的长度在全阻流长度之内时也具有比较好的导电性。

再来看PN结正向导电的情况,外加电压与扩散电场逆向,结区在P侧被抽走电子留下空穴,在N侧塞入键外电子,结区变窄,当窄到一定长度内时,它将导通电流。当结区被外电压消除时,如果P侧空穴和N侧键外电子向对方扩散,如果两侧浓度相同,N侧的键外电子将全部进入P侧填满空穴,如果N侧浓度高于P侧,P侧将变成N型晶体,假定两侧都是同时掺P型N型杂质的情况,此时P区N区将有很大的扩散电场,远大于不加外电压的PN结,这几乎是不可能的。而这正是书本解释三极管基区的情况,很难不让人表示反对,电子器件和电路很多时候思考方式不同,结果会截然相反,不能为了说明理论选择性的分析说明。我推测正向PN结不会有空穴和键外电子相互扩散,电流会有压降在器件内的分布。

如果是一个P型导体,外电场驱动电子进入空穴填充,它变成不良导体,这显然是错误的分析,另一侧还会被外电场抽离电子生成空穴呢,实际情况可能是它是良导体,电流通过时空穴并不会填充,空穴浓度并不会变化。书本中的说明,发射区电子扩散至基区,被收集结电场拉走,如果基区键外电子浓度高于空穴,它将变成N型晶体,不会出现什么基极电流提供空穴,收集结收走键外电子这种自欺欺人选择性的胡说八道。

这种分析大陆和台湾的教科书是一致的,应该都来源于美国人的理论,半导体物理里还是这个论调,比我的分析还牵强附会,如果科学家坚持错误的理论,与神棍没有本质区别,特别是当灌输式的教育把一些错误的东西变成很多人生命的一部分,如同意识形态,本来不值一提,人们捍卫的不是错误,捍卫的是自己的利益。

还是无法得到一个能说服自己的关于三极管原理的理论,辐射论要比少数载流子论要好一点,结型场效管最真实地说明了半导体器件的性质,这种不认同在我十三四岁时学习电子和相对论时就有,深刻地影响了我,那是一个疯狂的年代,学习微积分梦想征服世界,它给了我本人非凡的魄力和独特的世界观,还有超凡的分析认知能力。

假定掺杂晶体中硅的共价键电子只因为热运动有微量电子的能量高到能脱离当前原子在外电场作用下形成电流,微观上杂质原子外的空穴或键外电子要交换到下一个杂质原子,它要经过数万个连续的硅原子,空穴比较好理解,它的能量高到可以轻易进入相邻的硅原子,然后排走一个共价键电子,一直继续下去,键外电子就会有两种可能性,它进入相邻的硅原子排走一个共价键电子,或者它还在原来的轨道不排走共价键电子。假定共价键电子不足以被外电场推动,但是它们能被外电场驱动的载流子推动,按微观上杂质原子相隔数以万计的硅原子的结构,用一个纯硅晶体棒在它的一端一小段掺杂成N型晶体,剩下部分还是纯硅晶,N型端接负电压,成为键外电子发生器,它能否良好导电。

三极管的发射结如果按少数载流子的解释,它的发射结是正向偏置的基区少数载子发生器。结型场效管如果也可以类似解释成如此:在漏极夹断源极未夹断时,源极中心有一个三角形区域成为了键外电子发生器,它们将穿过纯净共价键区域。这只是一种假设。PN结反向偏置才是扩散加强的效果,只是它是在外电场作用下的结区变宽,但就象是N区更多键外电子进入P区填充空穴,正向PN结却正象是扩散被消除,书本中说的发射区的载流子在发射结扩散电场被消除后,源源不断扩散进基区,我是不认可的。我假定正向PN结,N区键外电子在外电场作用下进入P区填入空穴,马上被拉走,现出空穴,这键外电子在P区成为共价键电子,它会放出热辐射。

之前我分析同时掺N型P型杂质的硅晶作为电容极板的情况,是以能出现反型层为假设条件的,但是我现在不认为能出现反型层,分析如下:金属氧化物场效管漏极PN结处,在未导通时外加反向电压大于栅极,因为都是双掺杂,假定能出现反型层,在结界处P区将出现有键外电子的反型层,N区出现空穴反型层,P区反型层中的键外电子将填充N区反型层的空穴,N区反型层的形成机制又会源源不断生成空穴,此时的PN结会是导通的,显然与实际不符,所以反型层不可能出现。如果金氧场效管的导通原理也不是反型层,这就会很有意思了,三种器件,三极管,结型场效管,金氧场效管,它们都有纯共价键阻流层,它们导通的原理是什么。

半导体的通流性有两种原因,第一是内能,如热和辐射激发,第二是载流子浓度,这是书本中分析器件原理的方式。会不会可能有其它原因,比如纯共价键网格在空间中的不规则性,电流在纯共价键网格表面流动时产生能量聚集,缺少观测手段。个人一直认为当代物理和电子工业只是浮砂上的高台,到处都是浮躁的拼凑与附会,缺少逻辑与严谨,滥用函数,微积分,复数,给分析造成了复杂度的量级提升,数学工具越繁复,工作效率越低,问题还没搞清楚,自己先累死了。

科学不应该因为错误而成为另一种宗教。