新方法講解三極管工作原理

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)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。