從一種新的切入角度來(lái)看三極管工作原理

　　隨著(zhù)科學(xué)技的發(fā)展，電子技術(shù)的應用幾乎滲透到了人們生產(chǎn)生活的方方面面。晶體三極管作為電子技術(shù)中一個(gè)最為基本的常用器件，其原理對于學(xué)習電子技術(shù)的人自然應該是一個(gè)重點(diǎn)。三極管原理的關(guān)鍵是要說(shuō)明以下三點(diǎn)：

　　1、集電結為何會(huì )發(fā)生反偏導通并產(chǎn)生Ic，這看起來(lái)與二極管原理強調的PN結單向導電性相矛盾。

　　2、放大狀態(tài)下集電極電流Ic，為什么會(huì )只受控于電流Ib而與電壓無(wú)關(guān);即：Ic與Ib之間為什么存在著(zhù)一個(gè)固定的放大倍數關(guān)系。雖然基區較薄，但只要Ib為零，則Ic即為零。

　　3、飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，仍然會(huì )有反向大電流Ic的產(chǎn)生。

　　很多教科書(shū)對于這部分內容，在講解方法上處理得并不適當。特別是針對初、中級學(xué)者的普及性教科書(shū)，大多采用了回避的方法，只給出結論卻不講原因。即使專(zhuān)業(yè)性 很強的教科書(shū)，采用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問(wèn)題。這些問(wèn)題集中表現在講解方法的切入角度不恰當，使講解內容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的 效果，使初學(xué)者看后容易產(chǎn)生一頭霧水的感覺(jué)。

　　一、 傳統講法及問(wèn)題：

　　傳統講法一般分三步，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)射區向基區注入電子;2.電子在基區的擴散與復合;3.集電區收集由基區擴散過(guò)來(lái)的電子。”(注1)

　　問(wèn)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(shí)，不是著(zhù)重地從載流子的性質(zhì)方面說(shuō)明集電結的反偏導通，從而產(chǎn)生了Ic，而是不恰當地側重 強調了Vc的高電位作用，同時(shí)又強調基區的薄。這種強調很容易使人產(chǎn)生誤解。以為只要Vc足夠大基區足夠薄，集電結就可以反向導通，PN結的單向導電性就 會(huì )失效。其實(shí)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在數量上必須無(wú)關(guān)，Ic只能受控于Ib。

　　問(wèn)題2：不能很好地說(shuō)明三極管的飽和狀態(tài)。當三極管工作在飽和區時(shí)，Vc的值很小甚至還會(huì )低于Vb，此時(shí)仍然出現了很大的反向飽和電流Ic，也就是說(shuō)在Vc很小時(shí)，集電結仍然會(huì )出現反向導通的現象。這很明顯地與強調Vc的高電位作用相矛盾。

　　問(wèn)題3：傳統講法第2步過(guò)于強調基區的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為是基區的足夠薄在支承三極管集電結的反向導通，只要基區足夠薄，集電結就可能會(huì )失去PN結的單向導電特性。這顯然與人們利用三極管內部?jì)蓚€(gè)PN結的單向導電性，來(lái)判斷管腳名稱(chēng)的經(jīng)驗相矛盾。既使基區很薄，人們判斷管腳名稱(chēng)時(shí)，也并沒(méi)有 發(fā)現因為基區的薄而導致PN結單向導電性失效的情況?；鶇^很薄，但兩個(gè)PN結的單向導電特性仍然完好無(wú)損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱(chēng)的辦法和根 據。

　　問(wèn)題4：在第2步講解為什么Ic會(huì )受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會(huì )存在著(zhù)一個(gè)固定的比例關(guān)系時(shí)，不能形象加以說(shuō)明。只是從工藝上強調基區的薄與摻雜度低，不能從根本上說(shuō)明電流放大倍數為什么會(huì )保持不變。

　　問(wèn)題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，不能實(shí)現內容上的自然過(guò)渡。甚至使人產(chǎn)生矛盾觀(guān)念，二極管原理強調PN結單向導電反向截止，而三極管原理則又要求PN結能夠反向導通。同時(shí)，也不能體現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(diǎn)：

　　要想很自然地說(shuō)明問(wèn)題，就要選擇恰當地切入點(diǎn)。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結構與原理都很簡(jiǎn)單，內部一個(gè)PN結具有單向導電性，如 示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN結截止。我們要特別注意這里的截止狀態(tài)，實(shí)際上PN結截止時(shí)，總是會(huì )有很小的漏電流存在，也就是說(shuō)PN結總 是存在著(zhù)反向關(guān)不斷的現象，PN結的單向導電性并不是百分之百。

　　為什么會(huì )出現這種現象呢?這主要是因為P區除了因“摻雜”而產(chǎn)生的多數載流子“空穴”之外，還總是會(huì )有極少數的本征載流子“電子”出現。N區也是一樣，除了 多數載流子電子之外，也會(huì )有極少數的載流子空穴存在。PN結反偏時(shí)，能夠正向導電的多數載流子被拉向電源，使PN結變厚，多數載流子不能再通過(guò)PN結承擔 起載流導電的功能。所以，此時(shí)漏電流的形成主要靠的是少數載流子，是少數載流子在起導電作用。

　　所以，如圖B，如果能夠在P區或N區人為地增加少數載流子的數量，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結具有單向導電性。因此，光敏二極管工作時(shí)應加上反向電壓，如圖所示。當無(wú)光照時(shí)，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1×10-8 —1×10 -9A(稱(chēng)為暗電流)，此時(shí)相當于光敏二極管截止;當有光照射時(shí)，PN結附近受光子的轟擊，半導體內被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對，這些載流子的數目，對于多數載流子影響不大，但對P區和N區的少數載流子來(lái)說(shuō)，則會(huì )使少數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度的變化而相應變化。光電流通過(guò)負載RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成電功能轉換的。

　　光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因為光照可以增加少數載流子的數量，因而光照就會(huì )導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實(shí)現人為地控制。

　　2、強調一個(gè)結論：

　　講到這里，一定要重點(diǎn)地說(shuō)明PN結正、反偏時(shí)，多數載流子和少數載流子所充當的角色及其性質(zhì)。正偏時(shí)是多數載流子載流導電，反偏時(shí)是少數載流子載流導電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN結顯示出單向電性。特別是要重點(diǎn)說(shuō)明，反偏時(shí)少數載流子反向通過(guò)PN結是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數載流子正向通過(guò)PN結還要容易。

　　為什么呢?大家知道PN結內部存在有一個(gè)因多數載流子相互擴散而產(chǎn)生的內電場(chǎng)，而內電場(chǎng)的作用方向總是阻礙多數載流子的正向通過(guò)，所以，多數載流子正向通過(guò)PN結時(shí)就需要克服內電場(chǎng)的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結正向導通的門(mén)電壓。而反偏時(shí)，內電場(chǎng)在電源作用下會(huì )被加強也就是PN結加厚，少數載流子反向通過(guò)PN結時(shí)，內電場(chǎng)作用方向和少數載流子通過(guò)PN結的方向一致，也就是說(shuō)此時(shí)的內電場(chǎng)對于少數載流子的反向通過(guò)不僅不會(huì )有阻礙作用，甚至還會(huì )有幫助作用。

　　這就導致了以上我們所說(shuō)的結論：反偏時(shí)少數載流子反向通過(guò)PN結是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數載流子正向通過(guò)PN結還要容易。這個(gè)結論可以很好解釋前面提到的“問(wèn)題2”，也就是教材后續內容要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位很低甚至會(huì )接近或稍低于基極電位，集電結處于零偏置，但仍然會(huì )有較大的集電結的反向電流Ic產(chǎn)生。

　　3、自然過(guò)渡：

　　繼續討論圖B，PN結的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數載流子的產(chǎn)生數量就可以實(shí)現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區或者是P區少數載流子的數量，從而實(shí)現對PN結的漏電流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來(lái)實(shí)現對電流的控制(注2)。接下來(lái)重點(diǎn)討論P區，P區的少數載流子是電子，要想用電注入的方法向P區注入電子，最好的方法就是如圖C所示，在P區下面再用特殊工藝加一塊N型半導體(注3)。

　　圖C所示其實(shí)就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應各部分的名稱(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的名稱(chēng)(如“發(fā)射結”，“集電極”等)。再看示意圖C，圖中最下面的發(fā)射區N型半導體內電子作為多數載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發(fā)射區的電子注入或者說(shuō)是發(fā)射到P區(基區)是很容易的，只要使發(fā)射結正偏即可。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)射區的電子就會(huì )很容易地被發(fā)射注入到基區，這樣就實(shí)現對基區少數載流子“電子”在數量上的改變。

　　4、集電極電流Ic的形成：

　　如圖C，發(fā)射結加上正偏電壓導通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區的多數載流子——電子就會(huì )很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區。這些載流子一旦進(jìn)入基區，它們在基區(P區)的性質(zhì)仍然屬于少數載流子的性質(zhì)。如前所述，少數載流子很容易反向穿過(guò)處于反偏狀態(tài)的PN結，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)的集電結到達集電區形成集電極電流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)射區載流子對基區的發(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。

　　對于Ic還可以做如下結論：Ic的本質(zhì)是“少子”電流，是通過(guò)電子注入而實(shí)現的人為可控的集電結“漏”電流，因此它就可以很容易地反向通過(guò)集電結。

　　5、Ic與Ib的關(guān)系：

　　很明顯，對于三極管的內部電路來(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。

　　看圖D，接著(zhù)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)射區載流子對基區的發(fā)射注入程度。

　　通過(guò)上面的討論，現在已經(jīng)明白，三極管在電流放大狀態(tài)下，內部的主要電流就是由載流子電子由發(fā)射區經(jīng)基區再到集電區貫穿三極管所形成。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為其結構的直觀(guān)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)的構造。當外部電路條件滿(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 )對其進(jìn)行截流，截流時(shí)就存在著(zhù)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)柵極到達集電極的電子流就是Ic。

　　從圖中可以看出，只要柵極的結構尺寸確定，那么截流比例就確定，也就是Ic與Ib的比值確定。所以，只要管子的內部結構確定，的值就確定，這個(gè)比值就固定不變。

　　由此可知，電流放大倍數的β值主要與柵極的疏密度有關(guān)。柵極越密則截流比例越大，相應的β值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應的β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于電子三極管的柵極，基區就相當于柵網(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)下，貫穿整個(gè)管子的電子流在通過(guò)基區時(shí)，基區與電子管的柵網(wǎng)作用相類(lèi)似，會(huì )對電子流進(jìn)行截流。如果基區做得薄，摻雜度低，基區的空穴數就會(huì )少，那么空穴對電子的截流量就小，這就相當于電子管的柵網(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部結構確定，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，使β值足夠高，在制作三極管時(shí)往往要把基區做得很薄，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的帶正電的“空穴”對貫穿的電子流中帶負電的“電子”中和來(lái)實(shí)現。所以，截流的效果主要取決于基區空穴的數量。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)“空穴”又不斷地會(huì )在外部電源作用下得到補充。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空穴的等效總數量是不變的?；鶇^空穴的總數量主要取決于摻“雜”度以及基區的厚薄，只要晶體管結構確定，基區空穴的總定額就確定，其相應的動(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、對于截止狀態(tài)的解釋?zhuān)?/p>

　　比例關(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部結構。

　　對于Ib等于0的截止狀態(tài)，問(wèn)題更為簡(jiǎn)單。當Ib等于0時(shí)，說(shuō)明外部電壓Ube太小，沒(méi)有達到發(fā)射結的門(mén)電壓值，發(fā)射區沒(méi)有載流子“電子”向基區的發(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，從純數學(xué)的電流放大公式更容易推出結論，Ic=βIb，Ib為0，很顯然Ic也為0。

　　三、新講法需要注意的問(wèn)題：

　　以上，我們用了一種新的切入角度，對三極管的原理在講解方法上進(jìn)行了探討。特別是對晶體三極管放大狀態(tài)下，集電結為什么會(huì )反向導電形成集電極電流做了重點(diǎn)討論，同時(shí)，對三極管的電流放大倍數為什么是定值也做了深入分析。這種講解方法的關(guān)鍵，在于強調二極管與三極管在原理上的聯(lián)系。

　　其實(shí)，從二極管PN的反向截止特性曲線(xiàn)上很容易看出，只要將這個(gè)特性曲線(xiàn)轉過(guò)180度，如圖F所示，它的情形與三極管的輸出特性非常相似，三極管輸出特性如圖G所示。這說(shuō)明了二極管與三極管在原理上存在著(zhù)很必然的聯(lián)系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點(diǎn)，從PN結的偏狀態(tài)入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會(huì )使問(wèn)題變得淺顯易懂生動(dòng)形象，前后內容之間自然和諧順理成章。

　　這種講法的不足點(diǎn)在于，從PN結的漏電流入手講起，容易造成本征漏電流與放大電流在概念上的混肴。所以，在后面講解晶體管輸入輸出特性曲線(xiàn)時(shí)，應該注意強調說(shuō)明本征載流子與摻雜載流子的性質(zhì)區別。本征載流子對電流放大沒(méi)有貢獻，本征載流子的電流對晶體管的特性影響往往是負面的，是需要克服的。晶體管電流放大作用主要靠摻雜載流子來(lái)實(shí)現。要注意在概念上進(jìn)行區別。

　　另外，還要注意說(shuō)明，從本質(zhì)上晶體內部有關(guān)載流子的問(wèn)題其實(shí)并不簡(jiǎn)單，它涉及到晶體的能級分析能帶結構，以及載流子移動(dòng)的勢壘分析等。所以，并不是隨便找一種或兩種具有載流子的導體或半導體就可以制成PN結，就可以制成晶體管，晶體管實(shí)際的制造工藝也并不是如此簡(jiǎn)單。這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下，試圖把問(wèn)題盡量地簡(jiǎn)化，盡量做到淺顯易懂，以便于理解與接受。這才是這種講解方法的主要意義所在。