前言
最近看完PN結和三極管的科普視頻，有一件事沒想通。對於NPN型三極管，工作在放大狀態時，發射結正偏，集電結反偏。那麼問題來了，集電結反偏時，爲什麼還會產生集電結->發射結的電流？
爲了搞清楚這個問題，在網上查了一些資料，並綜合自己的理解寫下了這篇博客，以備自己以後查閱，同時分享給有同樣疑問的人，如果有理解不到位的地方，歡迎指正。
本徵半導體
本徵半導體（intrinsic semiconductor)是完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體稱爲本徵半導體。主要常見代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結構。
硅原子最外層有4個電子，爲了達到最外層8個電子的穩定結構，每個硅原子與相鄰的硅原子共享它們最外層的4個電子，組成共價鍵。處於穩定結構的原子不可自由移動。
本徵激發
一般來說，半導體中的價電子不完全像絕緣體中價電子所受束縛那樣強，如果能從外界獲得一定的能量(如光照、溫升、電磁場激發等)，一些價電子就可能掙脫共價鍵的束縛而成爲近似自由的電子（同時產生出一個空穴），這就是本徵激發。這是一種熱學本徵激發，所需要的平均能量就是禁帶寬度。
本徵激發還有其它一些形式。如果是光照使得價電子獲得足夠的能量、掙脫共價鍵而成爲自由電子，這是光學本徵激發（豎直躍遷）；這種本徵激發所需要的平均能量要大於熱學本徵激發的能量——禁帶寬度。如果是電場加速作用使得價電子受到高能量電子的碰撞、發生電離而成爲自由電子，這是碰撞電離本徵激發；這種本徵激發所需要的平均能量大約爲禁帶寬度的1.5倍。
價電子通過本徵激發成爲一個自由電子後形成一個帶正電的空位，稱爲空穴（hole），導帶中的電子和價帶中的空穴合稱爲電子－空穴對。上述產生的電子和空穴均能自由移動，成爲自由載流子（free carrier），它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱爲電子導電和空穴導電。在本徵半導體中，這兩種載流子的濃度是相等的。隨着溫度的升高，其濃度基本上是按指數規律增長的。
複合
導帶中的電子會落入空穴，使電子－空穴對消失，稱爲複合（recombination）。複合時產生的能量以電磁輻射（發射光子photon）或晶格熱振動（發射聲子phonon）的形式釋放。在一定溫度下，電子－空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡，此時本徵半導體具有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導率。加熱或光照會使半導體發生熱激發或光激發，從而產生更多的電子－空穴對，這時載流子濃度增加，電導率增加。半導體熱敏電阻和光敏電阻等半導體器件就是根據此原理製成的。常溫下本徵半導體的電導率較小，載流子濃度對溫度變化敏感，所以很難對半導體特性進行控制，因此實際應用不多。
雜質半導體
在本徵半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質半導體稱爲N型半導體（電子半導體），使空穴濃度大大增加的雜質半導體稱爲P型半導體（空穴半導體）。
N型半導體
在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成爲自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱爲施主原子。
在N型半導體中，自由電子的濃度遠大於空穴的濃度，因此自由電子稱爲多數載流子（簡稱多子），而其中空穴稱爲少數載流子（簡稱少子）。N型半導體主要靠自由電子導電，摻入的雜質越多，自由電子的濃度就越高，導電性能也就越強。
P型半導體
在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成爲不能移動的帶負電的離子。由於硼原子接受電子，所以稱爲受主原子。
在P型半導體中，空穴的濃度遠大於自由電子的濃度，因此空穴稱爲多數載流子（簡稱多子），而其中自由電子稱爲少數載流子（簡稱少子）。P型半導體主要靠空穴導電，摻入的雜質越多，空穴的濃度就越高，導電性能也就越強。
在雜質半導體中，多數載流子的濃度由摻入的雜質濃度決定；少數載流子的濃度主要取決於溫度的影響。對於雜質半導體來說，無論是N型還是P型半導體，從總體上看，仍然保持着電中性。
PN結
上一節說到雜質半導體分爲N型半導體和P型半導體，它們的成分如下：
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N型半導體包含：自由電子（屬於多子，少數由本徵激發而來，多數由磷原子提供）、空穴（屬於少子，由本徵激發而來）、帶正電的陽離子（不能移動，磷原子失去一個電子後形成），自由電子數量 = 空穴數量 + 陽離子數量，整體呈現電中性。
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P型半導體包含：自由電子（屬於少子，由本徵激發而來）、空穴（屬於多子，少數由本徵激發而來，多數由硼原子提供）、帶負電的陰離子（不能移動，硼原子空穴得到一個電子後形成），自由電子數量 + 陰離子數量 = 空穴數量，整體呈現電中性。
PN結的形成
PN結是由一個N型半導體和一個P型半導體緊密接觸所構成的，其接觸界面稱爲冶金結界面。
在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，我們稱兩種半導體的交界面附近的區域爲PN結。
在P型半導體和N型半導體結合後，由於交界處出現自由電子和空穴濃度差的原因，有一些電子從N型區向P型區擴散，也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。電子和空穴相向擴散時相遇，從而進行復合，電子-空穴對消失。
它們擴散的結果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子，N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。這些不能移動的帶電粒子在P和N區交界面附近，形成了一個空間電荷區。
在空間電荷區形成後，由於正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區形成了內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止多子擴散。
另一方面，這個電場將使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，內電場減弱。因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄，擴散運動加強。
最後，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱爲PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。
PN結的正向偏置
PN結P極接正，N極接負，這就是所謂的正向偏置，很顯然正向偏置時外電場與內電場方向相反，正向偏置將加強多子的擴散運動，阻止少子的漂移運動。
PN結的反向偏置
PN結P極接負，N極接正，這就是所謂的反向偏置，反向偏置時外電場與內電場方向相同，反向偏置將加強少子的漂移運動，阻止多子的擴散運動。
二極管
二極管就是由一個PN結組成，正向偏置時多子參與導電，所以電流很大；反向偏置時少子參與導電，所以電流很小（漏電流）。
三極管
三極管由兩個背靠背的PN結組成，可以是NPN組合，也可以是PNP組合。三極管有三個區：
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集電區C：集電區與發射區爲同一性質的摻雜半導體，但集電區的摻雜濃度要低，面積要大，便於收集電子。
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基區B：基區尺度很薄:3~30μm，摻雜濃度低。
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發射區E：發射區高摻雜，爲了便於發射結髮射電子，發射區半導體摻濃度高於基區的摻雜濃度，且發射結的面積較小。
三極管有三種工作狀態：
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截止狀態
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放大狀態
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飽和導通
三極管的放大狀態
以NPN型三極管爲例，當發射結正向偏置並導通，集電結反向偏置時，三極管工作於放大狀態，發射極電流Ie=基極電流Ib + 集電極電流Ic。
結論
前面鋪墊了那麼多，終於進入今天的主題了，三極管處於放大狀態時，發射結處於正向偏置，這時候發射結導通，產生基極到發射極的電流Ib，這一步沒問題，正向偏置導通是PN結的特性。那麼集電結反向偏置時，爲什麼還會有大量電流通過呢？這不是有違PN結特性嗎？
個人理解是這樣的：發射結正偏時，由多子擴散運動參與導電，大量E區的電子（多子）擴散進入B區，進入B區的電子一小部分流過B極產生電流Ib。
此時由於集電結爲反偏，集電結外部電場與內部電場一致，並且由集電區C指向基區B，強大的電場將進入B區的電子吸引進集電區C，從而形成電流Ic。
所以對於二極管和三極管來說，同樣是反向偏置，二極管不能導通，三極管集電結卻可以導通的原因就是二極管P區只有少量的電子可以飄移到N區，從而形成漏電流；三極管基區（NPN的P型半導體）卻被注入了大量的電子，這些電子飄移到集電區（NPN的N型半導體）從而形成大電流Ic。
