三極管的原理

晶體三極管放大原理的講解晶體三極管作為一個常用器件，是構(gòu)成現(xiàn)代電子世界的重要基石。然而，傳統(tǒng)的教科書對其工作原理的講述卻存在有很大問題，使初學(xué)者對三極管的工作原理無法正常理解，感到別扭與迷茫。其主要問題有以下三點：1嚴(yán)重割裂晶體二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系。沒有真正說明三極管集電結(jié)為何會發(fā)生反偏導(dǎo)通并產(chǎn)生Ic？這看起來與二極管原理強調(diào)的PN結(jié)單向?qū)щ娦韵嗝堋?放大狀態(tài)下集電極電流Ic為什么只受控于電流Ib而與電壓無關(guān)；艮即Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數(shù)關(guān)系。3飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，為什么集電結(jié)仍然會有反向大電流Ic通過。很多教科書對于這部分內(nèi)容，在講解方法上都存在有很大問題。有一些針對初、中級學(xué)者的普及性教科書，干脆采用了回避的方法，只給出結(jié)論卻不講原因。既使專業(yè)性很強的教科書，采用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。這些問題集中表現(xiàn)在講解方法的切入角度不恰當(dāng)，致使邏輯混亂，講解內(nèi)容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的效果，使很多初學(xué)者看后會產(chǎn)生一頭霧水的感覺。筆者根據(jù)多年的總結(jié)思考與教學(xué)實踐，對于這部分內(nèi)容摸索出了一個適合于自己教學(xué)的新講解方法，并通過具體的教學(xué)實踐收到了一定效果。雖然新的講解方法也肯定會有所欠缺，但本人還是懷著與同行共同探討的愿望不揣冒昧把它寫出來，以期能通過同行朋友的批評指正來加以完善。一、傳統(tǒng)講法及問題:傳統(tǒng)講法一般分三步，以NPN型為例（以下所有討論皆以NPN型硅管為例），如示意圖A°"1發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子；2電子在基區(qū)的擴散與復(fù)合；3集電區(qū)收集由基區(qū)擴散過來的電子。”注1問題1：這種講解方法在第3步中，講解集電極電流Ic的形成原因時，不是著重地從載流子的性質(zhì)方面說明集電結(jié)的反偏導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了Ic，而是不恰當(dāng)?shù)貍?cè)重強調(diào)7Vc的高電位作用，同時又強調(diào)基區(qū)的薄。這種強調(diào)很容易使人產(chǎn)生誤解。以為只要Vc足夠大基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可以反向?qū)ǎ琍N結(jié)的單向?qū)щ娦跃蜁?。其實這正好與三極管的電流放大原理相矛盾。三極管的電流放大原理恰恰要求在放大狀態(tài)下Ic與Vc在數(shù)量上必須無關(guān)，Ic只能受控于Ib。問題2：不能很好地說明三極管的飽和狀態(tài)。當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時，Vc的值很小甚至低于Vb，此時仍然出現(xiàn)了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時，集電結(jié)仍然會出現(xiàn)反向?qū)ǖ默F(xiàn)象。這很明顯地與強調(diào)Vc的高電位作用相矛盾。問題3：傳統(tǒng)講法第2步過于強調(diào)基區(qū)的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為只要基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可能會失去PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴＿@顯然與人們利用三極管內(nèi)部兩個PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，來判斷管腳名稱的經(jīng)驗相矛盾。既使基區(qū)很薄，人們判斷管腳名稱時，也并沒有發(fā)現(xiàn)因為基區(qū)的薄而導(dǎo)致PN結(jié)單向?qū)щ娦允У那闆r。基區(qū)很薄，但兩個PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦匀匀煌旰脽o損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據(jù)。問題4：在第2步講解為什么Ic會受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會存在著一個固定的比例關(guān)系時，不能形象說明。只是從工藝上強調(diào)基區(qū)的薄與摻雜度低，不能從根本上說明電流放大倍數(shù)究竟是因為什么會保持不變。（圖B）問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，無法實現(xiàn)內(nèi)容上的自然過渡。甚至使人產(chǎn)生矛盾觀念，二極管原理強調(diào)PN結(jié)正向?qū)щ姺聪蚪刂?，而三極管原理則又要求PN結(jié)能夠反向?qū)?。同時，也不能體現(xiàn)晶體三極管與電子三極管之間在電流放大原理上的歷史聯(lián)系。二、新講解方法：1切入點：要想很自然地說明問題，就要選擇恰當(dāng)?shù)那腥朦c。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)與原理都很簡單，內(nèi)部一個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)，實際上PN結(jié)截止時，總是會有很小的漏電流存在，也就是說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?。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？這主要是因為P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，也會有極少數(shù)的載流子空穴存在。PN結(jié)反偏時，能夠正向?qū)щ姷亩鄶?shù)載流子被拉向電源，使PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN結(jié)承擔(dān)起載流導(dǎo)電的功能。所以，此時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，少數(shù)載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN結(jié)形成漏電流。漏電流只所以很小，是因為少數(shù)載流子的數(shù)量太少。很明顯，此時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人為地增加。其實，光敏二極管的原理就是如此。光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因為光照可以增加少數(shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會導(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強調(diào)一個結(jié)論：講到這里，一定要重點地說明PN結(jié)正、反偏時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當(dāng)?shù)慕巧捌湫再|(zhì)。正偏時是多數(shù)載流子載流導(dǎo)電，反偏時是少數(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。特別要重點說明，反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。艮即PN結(jié)反偏時，截止的只是多數(shù)載流子。而對于少數(shù)截流子的通過，PN結(jié)不僅不截止，反而會使其更加容易。為什么呢？大家知道PN結(jié)內(nèi)部存在有一個因多數(shù)載流子相互擴散而產(chǎn)生的內(nèi)電場，而內(nèi)電場的作用方向總是阻礙多數(shù)載流子的正向通過，所以，多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)時就需要克服內(nèi)電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T電壓。而反偏時，內(nèi)電場在電源作用下會被加強也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)時，內(nèi)電場作用方向和少數(shù)載流子通過PN結(jié)的方向一致，也就是說此時的內(nèi)電場對于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會有阻礙作用，甚至還會有幫助作用。這就導(dǎo)致了以上我們所說的結(jié)論：反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)還要容易。這個結(jié)論可以很好解釋前面提到的“問題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，集電極電位接近或稍低于基極電位，集電結(jié)處于零偏置，但仍然會有較大的集電結(jié)的反向電流Ic產(chǎn)生。3自然過渡：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)量就可以實現(xiàn)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會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增加N區(qū)或者是P區(qū)少數(shù)載流子的數(shù)量，從而實現(xiàn)對PN結(jié)的漏電流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來實現(xiàn)對 電流的控制。注2獨樞圖獨樞圖C接下來重點討論圖B中的P區(qū)。重點看P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所示其實就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應(yīng)各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。為方便討論，以下我們對圖C中所示的各個部分的名稱直接采用與三極管相應(yīng)的名稱（如“發(fā)身結(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。具體說就是在基極與發(fā)射極之間加上一個足夠的正向的門電壓（約為0.7伏）就可以了。在外加門電壓作用下，發(fā)射區(qū)的電子就會很容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實現(xiàn)了對基區(qū)少數(shù)載流子一一“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)，它們在基區(qū)（P區(qū)）的身份仍然屬于少數(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處于反偏狀態(tài)的PN結(jié)。所以，這些載流子一一電子就會很容易向上穿過處于反偏狀態(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，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)載流子對基區(qū)的注入，取決于這種發(fā)射與注入的程度。這種載流子的發(fā)射注入程度幾乎與集電極電位的高低沒有什么關(guān)系。這正好能自然地說明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic的大小與集電極電位Vc在數(shù)量上無關(guān)的原因。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)，以此來滿足三極管放狀態(tài)下所需要外部電路條件。對于Ic還可以做如下結(jié)論：Ic的本質(zhì)是“少子”電流，是通過電注入方法而實現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流。這就是Ic為什么會很容易反向穿過集電結(jié)的原因。（圖D）5Ic與Ib的關(guān)系：很明顯，對于三極管的內(nèi)部電路來說，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書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