半导体1：谁主沉雷火竞技半导体设备浮

　　都2022年了，「BJT三极管是电流控制器件」的观点，还在流行。不仅掩盖了三极管有趣的灵魂，还遮蔽了半导体中磅礴的力量。

　　这个式子强烈地暗示：发射极电流Ie，随基极电流Ib的变化而变化、并决定于Ib。

　　由暗示变为明示：发射极电流Ie由基极电流Ib控制；一个小电流控制着一个大电流，还自带些许四两拨千斤的磅礴气势。

　　一个小电流，具体是如何控制一个大电流的，若是深入的想一想，总有不对劲的感觉。

　　运放的内部，珍藏着4个特别的三极管，它们的基极电流，控制不了发射极电流，反而被发射极电流控制，即不是以小控大，而是以大控小。

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　　确实有。见图2，这是一个经典的运放的输入级电路。其中，三极管Q1与Q2的发射极电流，都被恒流源牢牢锁定，保持着3μA的电流不变；然后，基极电流也被锁定，为3μA /(9+1)=300nA ,(取放大倍数为9)。以此类推，三极管Q3与Q4的基极电流，也被锁定，为300nA/(9+1)=30nA。

　　即，逻辑关系为：恒流源锁定发射极电流，发射极电流锁定基极电流。（详细的论证，见参考2）

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　　常见的小电流控制大电流，只是表象；运放中的特例，大电流控制小电流，也是表象。BJT三极管，不是一个流控器件，而是一个电压控制器件。

　　这样的比例式可以体现出：Ib与Ie的大小恰好有一个固定的倍数关系；但是，Ib与Ie的关系，是平等的，不是因果的，更不是控制与被控制的。

　　计算的先与后，并不代表的就是前因与后果。已知β时，电流Ib与Ie，求出其中一个电流，另一个电流也就出来了。通常Ib是最容易计算的，Ib=(VBB-0.7V)/Rb，然后Ie=(β+1)Ib；然而，不能由此而认为Ib控制着Ie。运放内的特例，图2中的Q1与Q2，Ib是不能直接计算出来，Ie反而是能直接得到的，就是恒流源电流的一半左右，然后Ib=Ie/(β+1)；然而，也不能由此而认为Ie控制着Ib。哪个电流先计算出来，并不代表这个电流就有控制权，真正有控制权的是电压。计算可以怎么方便怎么来，但是，原理是客观的、唯一的，是不能随便的。

　　是电压Vbe同时控制Ie与Ib，即1个电压控制着2个电流。先是Vbe削弱了发射结的内建电场，然后扩散强于漂移，发射区多子电子扩散进入基区形成Ie，同时，基区多子空穴扩散进入发射区形成Ib。先与后，因与果，非常清晰，无法颠倒。Vbe通过控制发射结的内建电场，同时控制Ie与Ib，这两个电流是平级关系，谁也控制不了谁。

　　犹如水库中，1个宽水闸同时控制2个排水口，一个窄的、一个宽的，宽度比是10:1。只要测量窄口的水流量，乘以10就是宽口的水流量。

　　路过的人，一看就明白，是水闸的抬起高度，同时控制着两个口的水流量；如果有人说，是窄口的控制着宽口的，幼儿园的小朋友都会笑的。

　　电流自身是没有什么控制力的半导体设备，需要依靠产生的磁场来控制。1820年，奥斯特发现了电流附近的磁针转动了，这就是著名的奥斯特实验。

　　电流通过磁场控制了磁针，从此一发不可收拾。电流产生的磁场太小，那就铜线绕成一个圈，圈里面的磁场就大了许多倍；还是不够大，那就来100圈（深受资源回收者喜爱），这就是我们现在常见的电动机，更准确些应称之为「电流驱动机」。电流驱动了电动剃须刀、电风扇半导体、电动自行车、电动汽车、电动火车（动车）。这些都是宏观的，微观的呢雷火竞技。

　　微观上，磁场对载流子的作用力是洛伦茨力，是个花架子、称为「花里胡哨力」更为合适。这个力是垂直于载流子的运动方向的，只能改变运动方向，也就是只能转圈圈，不能定向运动；而且每个载流子都是无规则的运动，方向各异，在磁场里只能各转各的圈圈，无法整体向一个方向运动，也就不能形成电流。电荷的定向运动才是电流。

　　所以，电流无法有效控制载流子，不能形成新的电流，这是物理客观规律决定的。

　　电压的武器是电场。在电场中，载流子受电场力，其方向与电场方向在同一条线上；载流子们被电场所牵引，整体呈定向运动效果，电流随之产生。这就是电压控制下，载流子形成电流的物理基础。

　　门槛值很重要，关系着器件的通与断。然而，一个更重要的点容易被忽视，全都是门槛电压，没有一个是门槛电流。这就不是暗示，而是明示了，这些器件都是由电压控制、由电压主导的。

　　常见的控制电压都在5V以内，很小，不到家用220V电压的零头。容易让人产生错觉：电压对半导体的控制是一个弱弱的控制。而事实恰恰相反，半导体中的电压控制是极强的。

　　例如，MOS管中，栅压典型值2V，落在合计只有约1微米的绝缘氧化层和衬底耗尽层上，平均电场强度约为2000 000V/m，极大，能把漏源中的载流子吸引出来、并压缩成近似二维的致密反型薄膜。

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　　半导体，是把力量用在刀刃上的高手，数伏的电压可以产生数十万、数百万伏每米的电场，可以称之为「微观杠杆」效应；在如此巨大的电场强度的碾压下，载流子被呼来喝去、毫无脾气，还得来似极风、去如闪电。半导体中，电压拥有绝对的控制权。

　　进一步。半导体的工艺制程雷火竞技，从微米级缩小到2022年的纳米级，并将继续减小；那么相同的电压，将会落在更小的微尺度上，产生更大的电场强度，即电压控制的霸主地位只会越来越强。

　　洛仑磁力的彻底「务虚」特性，注定了电流控制，在半导体中毫无立足之地。没有任何一个基本半导体器件，是由电流控制的，过去没有、现在没有、将来也不会有。

　　谁来主宰半导体，其实在半导体器件被发明之前，就已经决定了，决定于亿万年之前，决定于电流、电压、磁场、电场的特性。

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　　这些永恒的物理客观规律，与宇宙同生，亿万年之前，就开始了静静地等待，等待着一个文明的诞生，等待着一个固体半导体器件的出现。