從一種新的切入角度來看三極管工作原理

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

　　1、集電結為何會發(fā)生反偏導通并產生Ic，這看起來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，為什么會只受控于電流Ib而與電壓無關;即：Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數(shù)關系。雖然基區(qū)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，仍然會有反向大電流Ic的產生。

　　很多教科書對于這部分內容，在講解方法上處理得并不適當。特別是針對初、中級學者的普及性教科書，大多采用了回避的方法，只給出結論卻不講原因。即使專業(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，使講解內容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的 效果，使初學者看后容易產生一頭霧水的感覺。

　　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方面說明集電結的反偏導通，從而產生了Ic，而是不恰當?shù)貍戎?強調了Vc的高電位作用，同時又強調基區(qū)的薄。這種強調很容易使人產生誤解。以為只要Vc足夠大基區(qū)足夠薄，集電結就可以反向導通，PN結的單向導電性就 會失效。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，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)。當三極管工作在飽和區(qū)時，Vc的值很小甚至還會低于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，集電結仍然會出現(xiàn)反向導通的現(xiàn)象。這很明顯地與強調Vc的高電位作用相矛盾。

　　問題3：傳統(tǒng)講法第2步過于強調基區(qū)的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為是基區(qū)的足夠薄在支承三極管集電結的反向導通，只要基區(qū)足夠薄，集電結就可能會失去PN結的單向導電特性。這顯然與人們利用三極管內部兩個PN結的單向導電性，來判斷管腳名稱的經驗相矛盾。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)的薄而導致PN結單向導電性失效的情況?；鶇^(qū)很薄，但兩個PN結的單向導電特性仍然完好無損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根 據。

　　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系時，不能形象加以說明。只是從工藝上強調基區(qū)的薄與摻雜度低，不能從根本上說明電流放大倍數(shù)為什么會保持不變。

　　問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，不能實現(xiàn)內容上的自然過渡。甚至使人產生矛盾觀念，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，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?shù)厍腥朦c。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結構與原理都很簡單，內部一個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)，實際上PN結截止時，總是會有很小的漏電流存在，也就是說PN結總 是存在著反向關不斷的現(xiàn)象，PN結的單向導電性并不是百分之百。

　　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結反偏時，能夠正向導電的多數(shù)載流子被拉向電源，使PN結變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN結承擔 起載流導電的功能。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)載流子在起導電作用。

　　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，光敏二極管工作時應加上反向電壓，如圖所示。當無光照時，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1×10-8 —1×10 -9A(稱為暗電流)，此時相當于光敏二極管截止;當有光照射時，PN結附近受光子的轟擊，半導體內被束縛的價電子吸收光子能量而被擊發(fā)產生電子—空穴對，這些載流子的數(shù)目，對于多數(shù)載流子影響不大，但對P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會使少數(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度的變化而相應變化。光電流通過負載RL時，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(shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會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現(xiàn)人為地控制。

　　2、強調一個結論：

　　講到這里，一定要重點地說明PN結正、反偏時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當?shù)慕巧捌湫再|。正偏時是多數(shù)載流子載流導電，反偏時是少數(shù)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。特別是要重點說明，反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結還要容易。

　　為什么呢?大家知道PN結內部存在有一個因多數(shù)載流子相互擴散而產生的內電場，而內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結時就需要克服內電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結正向導通的門電壓。而反偏時，內電場在電源作用下會被加強也就是PN結加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結時，內電場作用方向和少數(shù)載流子通過PN結的方向一致，也就是說此時的內電場對于少數(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。

　　這就導致了以上我們所說的結論：反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結還要容易。這個結論可以很好解釋前面提到的“問題2”，也就是教材后續(xù)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接近或稍低于基極電位，集電結處于零偏置，但仍然會有較大的集電結的反向電流Ic產生。

　　3、自然過渡：

　　繼續(xù)討論圖B，PN結的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數(shù)載流子的產生數(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)。接下來重點討論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型半導體(注3)。

　　圖C所示其實就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應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的名稱(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(qū)N型半導體內電子作為多數(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)對基區(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)射結加上正偏電壓導通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——電子就會很容易地被大量發(fā)射進入基區(qū)。這些載流子一旦進入基區(qū)，它們在基區(qū)(P區(qū))的性質仍然屬于少數(shù)載流子的性質。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，所以，這些載流子——電子就會很容易向上穿過處于反偏狀態(tài)的集電結到達集電區(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有什么關系。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與集電極電位Vc的大小無關的原因。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)，以此來滿足三極管放大態(tài)下所需要外部電路條件。

　　對于Ic還可以做如下結論：Ic的本質是“少子”電流，是通過電子注入而實現(xiàn)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集電結。

　　5、Ic與Ib的關系：

　　很明顯，對于三極管的內部電路來說，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。

　　看圖D，接著上面的討論，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對基區(qū)的發(fā)射注入程度。

　　通過上面的討論，現(xiàn)在已經明白，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(qū)經基區(qū)再到集電區(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之間的固定比例關系，主要取決于電子管柵極(基極)的構造。當外部電路條件滿足時，電子三極管工作在放大狀態(tài)。在放大狀態(tài)下，穿過管子的電流主要是由發(fā)射極經柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時，很顯然柵極會對其進行截流，截流時就存在著一個截流比問題。截流比的大小，則主要與柵極的疏密度有關，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，攔截下來的電子流就多。反之截流比小，攔截下來的電子流就少。柵極攔截下來的電子流其實就是電流Ib，其余的穿過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，這個比值就固定不變。

　　由此可知，電流放大倍數(shù)的β值主要與柵極的疏密度有關。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。

　　其實晶體三極管的電流放大關系與電子三極管類似。晶體三極管的基極就相當于電子三極管的柵極，基區(qū)就相當于柵網，只不過晶體管的這個柵網是動態(tài)的是不可見的。放大狀態(tài)下，貫穿整個管子的電子流在通過基區(qū)時，基區(qū)與電子管的柵網作用相類似，會對電子流進行截流。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比較疏一樣。反之截流量就會大。很明顯只要晶體管三極管的內部結構確定，這個截流比也就確定。所以，為了獲大較大的電流放大倍數(shù)，使β值足夠高，在制作三極管時往往要把基區(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”對貫穿的電子流中帶負電的“電子”中和來實現(xiàn)。所以，截流的效果主要取決于基區(qū)空穴的數(shù)量。而且，這個過程是個動態(tài)過程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時“空穴”又不斷地會在外部電源作用下得到補充。在這個動態(tài)過程中，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，只要晶體管結構確定，基區(qū)空穴的總定額就確定，其相應的動態(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之間會有一個固定的比例關系的原因。

　　6、對于截止狀態(tài)的解釋：

　　比例關系說明，放大狀態(tài)下電流Ic按一個固定的比例受控于電流Ib，這個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)，問題更為簡單。當Ib等于0時，說明外部電壓Ube太小，沒有達到發(fā)射結的門電壓值，發(fā)射區(qū)沒有載流子“電子”向基區(qū)的發(fā)射注入，所以，此時既不會有電流Ib，也更不可能有電流Ic。另外，從純數(shù)學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，集電結為什么會反向導電形成集電極電流做了重點討論，同時，對三極管的電流放大倍數(shù)為什么是定值也做了深入分析。這種講解方法的關鍵，在于強調二極管與三極管在原理上的聯(lián)系。

　　其實，從二極管PN的反向截止特性曲線上很容易看出，只要將這個特性曲線轉過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。這說明了二極管與三極管在原理上存在著很必然的聯(lián)系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點，從PN結的偏狀態(tài)入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會使問題變得淺顯易懂生動形象，前后內容之間自然和諧順理成章。

　　這種講法的不足點在于，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時，應該注意強調說明本征載流子與摻雜載流子的性質區(qū)別。本征載流子對電流放大沒有貢獻，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實現(xiàn)。要注意在概念上進行區(qū)別。

　　另外，還要注意說明，從本質上晶體內部有關載流子的問題其實并不簡單，它涉及到晶體的能級分析能帶結構，以及載流子移動的勢壘分析等。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，晶體管實際的制造工藝也并不是如此簡單。這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下，試圖把問題盡量地簡化，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。