科普時(shí)間:傳感器超強匯總詳解

　　晶體三極管作為一個(gè)常用器件，是構成現代電子世界的重要基石。然而，傳統的教科書(shū)對其工作原理的講述卻存在有很大問(wèn)題，使初學(xué)者對三極管的工作原理無(wú)法正常理解，感到別扭與迷茫。其主要問(wèn)題有以下三點(diǎn)：

　　1.嚴重割裂晶體二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系。沒(méi)有真正說(shuō)明三極管集電結為何會(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。

　　3.飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，為什么集電結仍然會(huì )有反向大電流Ic通過(guò)。

　　很多教科書(shū)對于這部分內容，在講解方法上都存在有很大問(wèn)題。有一些針對初、中級學(xué)者的普及性教科書(shū)，干脆采用了回避的方法，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，致使邏輯混亂，講解內容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的效果，使很多初學(xué)者看后會(huì )產(chǎn)生一頭霧水的感覺(jué)。

　　筆者根據多年的總結思考與教學(xué)實(shí)踐，對于這部分內容摸索出了一個(gè)適合于自己教學(xué)的新講解方法，并通過(guò)具體的教學(xué)實(shí)踐收到了一定效果。雖然新的講解方法也肯定會(huì )有所欠缺，但本人還是懷著(zhù)與同行共同探討的愿望不揣冒昧把它寫(xiě)出來(lái)，以期能通過(guò)同行朋友的批評指正來(lái)加以完善。

　　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?！? 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?！?/p>

　　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。即使基區很薄，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)明電流放大倍數究竟是因為什么會(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，無(wú)法實(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結正向導電反向截止，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，就要選擇恰當的切入點(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。反偏時(shí)，少數載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過(guò)PN結形成漏電流。漏電流只所以很小，是因為少數載流子的數量太少。

　　很明顯，此時(shí)漏電流的大小主要取決于少數載流子的數量。如果要想人為地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時(shí)少數載流子的數量即可。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。即：PN結反偏時(shí)，截止的只是多數載流子。而對于少數截流子的通過(guò)，PN結不僅不截止，反而會(huì )使其更加容易。

　　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。

　　接下來(lái)重點(diǎn)討論圖B中的P區。重點(diǎn)看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)身結”，“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)現了對基區少數載流子——“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)的身份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(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的大小與集電極電位Vc在數量上無(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)足三極管放狀態(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)電注入方法而實(shí)現的人為可控的集電結“漏”電流。這就是Ic為什么會(huì )很容易反向穿過(guò)集電結的原因。

　　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注入程度。  

　　通過(guò)上面的討論，現在已經(jīng)明白，NPN型三極管在電流放大狀態(tài)下，內部的電流主要就是由發(fā)射區經(jīng)基區再到集電區貫穿整個(gè)三極管的“電子”流。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，其情形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，可以很自然地得到解釋。

　　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)。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)，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。

　　很明顯，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，這個(gè)比值就確定，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。

　　晶體三極管的電流放大關(guān)系與電子三極管在這一點(diǎn)上極其類(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)，分布在基區的空穴其作用與電子管的柵網(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)才常常要把基區做得很薄，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帶正電的“空穴”不斷地與帶負電的“電子”的中和來(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”又會(huì )不斷地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β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。

　　另外，由于集電結處于反偏狀態(tài)，而PN結反偏時(shí)本質(zhì)上截止的是多數載流子的電流，所以，基區的多數載流子“空穴”就不可能會(huì )反向穿過(guò)集電結到達集電區。這樣，就保證了穿越三極管到達集電極的電流只能是百分之百的“電子”流，不可能混有“空穴”流?；鶇^的“空穴”只能起到動(dòng)態(tài)的截流作用，只能形成固定比例的截流電流Ib，而不可能混入電子流Ic中。綜上所述，三極管電流放大倍數β就只能是定值。

　　6.對于截止狀態(tài)的解釋?zhuān)?/p>

　　現在，我們已經(jīng)理解了放大狀態(tài)下，Ic與Ib之間有一個(gè)固定的比例關(guān)系。這個(gè)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)射與注入，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。

　　讀后總結：

　　1)Ic：發(fā)射區的多子(電子)在Vce的電場(chǎng)力作用下，發(fā)生漂移運動(dòng)穿過(guò)薄層基區形成Ic。2)Ib：發(fā)射區電子擴散運動(dòng)中與基區的空穴發(fā)生中和，并在Vbe(發(fā)射結正偏)的作用下，使這種運動(dòng)持續進(jìn)行，形成Ib。3)β：發(fā)射區電子漂移運動(dòng)的量Ic與擴散運動(dòng)的量Ib的比值，由晶體管內部結構決定。