新方法講解三極管工作原理

隨著科學技術的發(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。