三極管飽和和截至的解釋

1、1、切入點(diǎn):要想很自然地說(shuō)明問(wèn)題，就要選擇恰當(dāng)?shù)厍腥朦c(diǎn)。講三極管的原理我們從二極管的原理入手 講起。二極管的結(jié)構(gòu)與原理都很簡(jiǎn)單，內(nèi)部一個(gè)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如示意圖B。很明 顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN結(jié)截止。我們要特別注意這里的截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)際上PN結(jié) 截止時(shí)，總是會(huì)有很小的漏電流存在，也就是說(shuō)PN結(jié)總是存在著反向關(guān)不斷的現(xiàn)象，PN 結(jié)的單向?qū)щ娦圆⒉皇前俜种?。為什么?huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？這主要是因?yàn)镻區(qū)除了因摻雜”而產(chǎn)生的多數(shù)載流子空穴” 之外，還總是會(huì)有極少數(shù)的本征載流子電子出現(xiàn)。N區(qū)也是一樣，除了多數(shù)載流子電 子之外，也會(huì)有極少數(shù)的載流子空穴存在。PN結(jié)反偏時(shí)，能夠正向?qū)щ姷亩鄶?shù)載流子

2、被拉 向電源，使PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子不能再通過(guò)PN結(jié)承擔(dān)起載流導(dǎo)電的功能。所以，此時(shí) 漏電流的形成主要靠的是少數(shù)載流子，是少數(shù)載流子在起導(dǎo)電作用。反偏時(shí)，少數(shù)載流子在 電源的作用下能夠很容易地反向穿過(guò)PN結(jié)形成漏電流。漏電流只所以很小，是因?yàn)樯贁?shù)載 流子的數(shù)量太少。很明顯，此時(shí)漏電流的大小主要取決于少數(shù)載流子的數(shù)量。如果要想人為 地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時(shí)少數(shù)載流子的數(shù)量即可。所以，如圖B，如果能夠在 P區(qū)或N區(qū)人為地增加少數(shù)載流子的數(shù)量，很自然的漏電流就會(huì)人為地增加。其實(shí)，光敏 二極管的原理就是如此。光敏二極管與普通光敏二極管一樣，它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?因此，光敏二極管工作時(shí)

3、應(yīng)加上反向電壓，如圖所示。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，電路中也有很小的反向 飽和漏電流，一般為1x10-8 1x10 -9A（稱(chēng)為暗電流），此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng) 有光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn) 生電子一空穴對(duì)，這些載流子的數(shù)目，對(duì)于多數(shù)載流子影響不大，但對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少數(shù) 載流子來(lái)說(shuō)，則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓作用下，反向飽和漏電流大大 增加，形成光電流，該光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過(guò)負(fù)載RL時(shí)，在 電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因?yàn)楣庹湛梢栽黾由贁?shù)

4、載流子的數(shù)量，因而光照就會(huì)導(dǎo)致反向 漏電流的改變，人們就是利用這樣的道理制作出了光敏二極管。既然此時(shí)漏電流的增加是人 為的，那么漏電流的增加部分也就很容易能夠?qū)崿F(xiàn)人為地控制。2、強(qiáng)調(diào)一個(gè)結(jié)論：講到這里，一定要重點(diǎn)地說(shuō)明PN結(jié)正、反偏時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當(dāng)?shù)慕巧?其性質(zhì)。正偏時(shí)是多數(shù)載流子載流導(dǎo)電，反偏時(shí)是少數(shù)載流子載流導(dǎo)電。所以，正偏電流大， 反偏電流小，PN結(jié)顯示出單向電性。特別是要重點(diǎn)說(shuō)明，反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過(guò)PN 結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)還要容易。為什么呢？大家知道 PN結(jié)內(nèi)部存在有一個(gè)因多數(shù)載流子相互擴(kuò)散而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)，而內(nèi)電場(chǎng)的作用方向總是阻

5、 礙多數(shù)載流子的正向通過(guò)，所以，多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)時(shí)就需要克服內(nèi)電場(chǎng)的作用， 需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T(mén)電壓。而反偏時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)在電源作用下 會(huì)被加強(qiáng)也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過(guò)PN結(jié)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)作用方向和少數(shù)載流子 通過(guò)PN結(jié)的方向一致，也就是說(shuō)此時(shí)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)于少數(shù)載流子的反向通過(guò)不僅不會(huì)有阻礙 作用，甚至還會(huì)有幫助作用。這就導(dǎo)致了以上我們所說(shuō)的結(jié)論：反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過(guò) PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)還要容易。這個(gè)結(jié)論可以很好 解釋前面提到的問(wèn)題2”，也就是教材后續(xù)內(nèi)容要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽 和狀態(tài)下，集電極電位很低

6、甚至?xí)咏蛏缘陀诨鶚O電位，集電結(jié)處于零偏置，但仍然會(huì)有 較大的集電結(jié)的反向電流Ic產(chǎn)生。3、自然過(guò)渡: 繼續(xù)討論圖B, PN結(jié)的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數(shù)載流子的產(chǎn)生數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會(huì)想到能否把控制的方法改變一下，不用光照而 是用電注入的方法來(lái)增加N區(qū)或者是P區(qū)少數(shù)載流子的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PN結(jié)的漏電流 的控制。也就是不用光”的方法，而是用電”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制（注2）。接 下來(lái)重點(diǎn)討論P(yáng)區(qū)，P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，要想用電注入的方法向P區(qū)注入電子，最 好的方法就是如圖C所示，在P區(qū)下面再用特殊工藝加一塊N型半導(dǎo)體（注3）。圖C所示其實(shí)就是NP

7、N型晶體三極管的雛形，其相應(yīng)各部分的名稱(chēng)以及功能與三極管完全 相同。為方便討論，以下我們對(duì)圖C中所示的各個(gè)部分的名稱(chēng)直接采用與三極管相應(yīng)的名 稱(chēng)（如發(fā)射結(jié)，集電極等）再看示意圖C，圖中最下面的發(fā)射區(qū)N型半導(dǎo)體內(nèi)電子 作為多數(shù)載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發(fā)射區(qū)的電子注入或者說(shuō)是發(fā)射到P 區(qū)（基區(qū)）是很容易的，只要使發(fā)射結(jié)正偏即可。具體說(shuō)就是在基極與發(fā)射極之間加上一個(gè) 足夠的正向的門(mén)電壓（約為0.7伏）就可以了。在外加門(mén)電壓作用下，發(fā)射區(qū)的電子就會(huì)很 容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子電子”在數(shù)量上的改變。4、集電極電流Ic的形成：如圖C，發(fā)射結(jié)加上正偏電壓導(dǎo)通后，在外

8、加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子一一電 子就會(huì)很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區(qū)。這些載流子一旦進(jìn)入基區(qū)，它們?cè)诨鶇^(qū)（P區(qū)）的性 質(zhì)仍然屬于少數(shù)載流子的性質(zhì)。如前所述，少數(shù)載流子很容易反向穿過(guò)處于反偏狀態(tài)的PN 結(jié)，所以，這些載流子電子就會(huì)很容易向上穿過(guò)處于反偏狀態(tài)的集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)形 成集電極電流Ic。由此可見(jiàn)，集電極電流的形成并不是一定要靠集電極的高電位。集電極電 流的大小更主要的要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射與注入取決于這種發(fā)射與注入的程 度。這種載流子的發(fā)射注入程度及乎與集電極電位的高低沒(méi)有什么關(guān)系。這正好能自然地說(shuō) 明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無(wú)關(guān)的

9、原因。放大 狀態(tài)下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)，以此來(lái)滿(mǎn)足三極管放大 態(tài)下所需要外部電路條件。對(duì)于Ic還可以做如下結(jié)論：Ic的本質(zhì)是少子電流，是通過(guò)電子注入而實(shí)現(xiàn)的人為可控 的集電結(jié)漏電流，因此它就可以很容易地反向通過(guò)集電結(jié)。5、Ic與Ib的關(guān)系：很明顯，對(duì)于三極管的內(nèi)部電路來(lái)說(shuō)，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書(shū)上常用 的三極管電流放大原理示意圖?？磮DD，接著上面的討論，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無(wú)關(guān)，主要取決于發(fā)射區(qū) 載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射注入程度。通過(guò)上面的討論，現(xiàn)在已經(jīng)明白，三極管在電流放大狀態(tài)下，內(nèi)部的主要電流就是由載流子 電子由發(fā)射區(qū)經(jīng)基區(qū)再到

10、集電區(qū)貫穿三極管所形成。也就是貫穿三極管的電流Ic主要是電 子流。這種貫穿的電子流與歷史上的電子三極管非常類(lèi)似。如圖E，圖E就是電子三極管的 原理示意圖。電子三極管的電流放大原理因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的直觀形象，可以很自然得到解釋。如圖E所示，很容易理解，電子三極管Ib與Ic之間的固定比例關(guān)系，主要取決于電子管柵 極（基極）的構(gòu)造。當(dāng)外部電路條件滿(mǎn)足時(shí)，電子三極管工作在放大狀態(tài)。在放大狀態(tài)下， 穿過(guò)管子的電流主要是由發(fā)射極經(jīng)柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時(shí)，很顯然 柵極會(huì)對(duì)其進(jìn)行截流，截流時(shí)就存在著一個(gè)截流比問(wèn)題。截流比的大小，則主要與柵極的疏 密度有關(guān)，如果柵極做的密，它的等效截流面積就大，截

11、流比例自然就大攔截下來(lái)的電子 流就多。反之截流比小，攔截下來(lái)的電子流就少。柵極攔截下來(lái)的電子流其實(shí)就是電流Ib， 其余的穿過(guò)柵極到達(dá)集電極的電子流就是1。從圖中可以看出，只要柵極的結(jié)構(gòu)尺寸確定， 那么截流比例就確定，也就是Ic與Ib的比值確定。所以，只要管子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，的值 就確定，這個(gè)比值就固定不變。由此可知，電流放大倍數(shù)的8值主要與柵極的疏密度有關(guān)。 柵極越密則截流比例越大，相應(yīng)的8值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應(yīng)的8值越高。其實(shí)晶體三極管的電流放大關(guān)系與電子三極管類(lèi)似。晶體三極管的基極就相當(dāng)于電子三極管 的柵極，基區(qū)就相當(dāng)于柵網(wǎng)，只不過(guò)晶體管的這個(gè)柵網(wǎng)是動(dòng)態(tài)的是不可見(jiàn)的。放大狀態(tài)

12、下， 貫穿整個(gè)管子的電子流在通過(guò)基區(qū)時(shí)，基區(qū)與電子管的柵網(wǎng)作用相類(lèi)似，會(huì)對(duì)電子流進(jìn)行截 流。如果基區(qū)做得薄，摻雜度低，基區(qū)的空穴數(shù)就會(huì)少，那么空穴對(duì)電子的截流量就小，這 就相當(dāng)于電子管的柵網(wǎng)比較疏一樣。反之截流量就會(huì)大。很明顯只要晶體管三極管的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)確定，這個(gè)截流比也就確定。所以，為了獲大較大的電流放大倍數(shù)，值足夠高，在制 作三極管時(shí)往往要把基區(qū)做得很薄，而且其摻雜度也要控制得很低。與電子管不同的是，晶體管的截流主要是靠分布在基區(qū)的帶正電的空穴”對(duì)貫穿的電子流 中帶負(fù)電的電子”中和來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，截流的效果主要取決于基區(qū)空穴的數(shù)量。而且，這 個(gè)過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，空穴不斷地與電子”中和，同時(shí)空

13、穴又不斷地會(huì)在外部電 源作用下得到補(bǔ)充。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空穴的等效總數(shù)量是不變的。基區(qū)空穴的總數(shù)量主 要取決于摻雜度以及基區(qū)的厚薄，只要晶體管結(jié)構(gòu)確定，基區(qū)空穴的總定額就確定，其 相應(yīng)的動(dòng)態(tài)總量就確定。這樣，截流比就確定，晶體管的電流放大倍數(shù)的值就是定值。這就 是為什么放大狀態(tài)下，三極管的電流Ic與Ib之間會(huì)有一個(gè)固定的比例關(guān)系的原因。6、對(duì)于截止?fàn)顟B(tài)的解釋?zhuān)罕壤P(guān)系說(shuō)明，放大狀態(tài)下電流Ic按一個(gè)固定的比例受控于電流Ib，這個(gè)固定的控制比例 主要取決于晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)于Ib等于0的截止?fàn)顟B(tài)，問(wèn)題更為簡(jiǎn)單。當(dāng)Ib等于0時(shí)，說(shuō)明外部電壓Ube太小，沒(méi) 有達(dá)到發(fā)射結(jié)的門(mén)電壓值，發(fā)射區(qū)沒(méi)有載流子電子向基區(qū)的發(fā)射注入，所以，此時(shí)既不 會(huì)有電流Ib，也更不可能有電流Ic。另外，從純數(shù)學(xué)的電流放大公式更容易推出結(jié)論，Ic= pIb，Ib為0，很顯然Ic也為03.三極管做開(kāi)關(guān)管：（來(lái)自網(wǎng)上）開(kāi)關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作有三種狀態(tài)，1、截止，2、線性放大，3、 飽和（基極電流繼續(xù)增加而集電極電流不再增加。使晶體管只工作在1和3狀態(tài)的電路