重新理解三極管的關(guān)鍵問題

隨著科學(xué)技的發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)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(duì)于學(xué)習(xí)電子技術(shù)的人自然應(yīng)該是一個(gè)重點(diǎn)。三極管原理的關(guān)鍵是要說明以下三點(diǎn):

1、集電結(jié)為何會(huì)發(fā)生反偏導(dǎo)通并產(chǎn)生Ic，這看起來與二極管原理強(qiáng)調(diào)的PN 結(jié)單向?qū)щ娦韵嗝堋?/P>

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 而與電壓無關(guān)；即：Ic 與Ib 之間為什么存在著一個(gè)固定的放大倍數(shù)關(guān)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(huì)有反向大電流Ic 的產(chǎn)生。很多教科書對(duì)于這部分內(nèi)容，在講解方法上處理得并不適當(dāng)。特別是針對(duì)初、中級(jí)學(xué)者的普及性教科書，大多采用了回避的方法，只給出結(jié)論卻不講原因。即使專業(yè)性很強(qiáng)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(dāng)，使講解內(nèi)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。筆者根據(jù)多年的總結(jié)思考與教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于這部分內(nèi)容摸索出了一個(gè)適合于自己教學(xué)的新講解方法，并通過具體的教學(xué)實(shí)踐收到了一定效果。雖然新的講解方法肯定會(huì)有所欠缺，但本人還是懷著與同行共同探討的愿望不揣冒昧把它寫出來，以期能通過同行朋友的批評(píng)指正來加以完善。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(kuò)散與復(fù)合；3.集電區(qū)收集由基區(qū)擴(kuò)散過來的電子?！保ㄗ?）

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(shí)，不是著重地從載流子的性質(zhì)方面說明集電結(jié)的反偏導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了Ic，而是不恰當(dāng)?shù)貍?cè)重強(qiáng)調(diào)了Vc 的高電位作用，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄。這種強(qiáng)調(diào)很容易使人產(chǎn)生誤解。以為只要Vc 足夠大基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可以反向?qū)?，PN 結(jié)的單向?qū)щ娦跃蜁?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(shù)量上必須無關(guān)，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(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，Vc 的值很小甚至還會(huì)低于Vb，此時(shí)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(shí)，集電結(jié)仍然會(huì)出現(xiàn)反向?qū)ǖ默F(xiàn)象。這很明顯地與強(qiáng)調(diào)Vc 的高電位作用相矛盾。

問題3：傳統(tǒng)講法第2 步過于強(qiáng)調(diào)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(jié)的反向?qū)ǎ灰鶇^(qū)足夠薄，集電結(jié)就可能會(huì)失去PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴＿@顯然與人們利用三極管內(nèi)部?jī)蓚€(gè)PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?，來判斷管腳名稱的經(jīng)驗(yàn)相矛盾。既使基區(qū)很薄，人們判斷管腳名稱時(shí)，也并沒有發(fā)現(xiàn)因?yàn)榛鶇^(qū)的薄而導(dǎo)致PN 結(jié)單向?qū)щ娦允У那闆r?；鶇^(qū)很薄，但兩個(gè)PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦匀匀煌旰脽o損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據(jù)。

問題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)存在著一個(gè)固定的比例關(guān)系時(shí)，不能形象加以說明。只是從工藝上強(qiáng)調(diào)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(huì)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(shí)現(xiàn)內(nèi)容上的自然過渡。甚至使人產(chǎn)生矛盾觀念，二極管原理強(qiáng)調(diào)PN 結(jié)單向?qū)щ姺聪蚪刂?，而三極管原理則又要求PN 結(jié)能夠反向?qū)?。同時(shí)，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(diǎn)：

要想很自然地說明問題，就要選擇恰當(dāng)?shù)厍腥朦c(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(jié)構(gòu)與原理都很簡(jiǎn)單，內(nèi)部一個(gè)PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN 結(jié)截止。我們要特別注意這里的截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)際上PN 結(jié)截止時(shí)，總是會(huì)有很小的漏電流存在，也就是說PN 結(jié)總是存在著反向關(guān)不斷的現(xiàn)象，PN 結(jié)的單向?qū)щ娦圆⒉皇前俜种佟?/P>

為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？這主要是因?yàn)镻 區(qū)除了因“摻雜”而產(chǎn)生的多數(shù)載流子“空穴”之外，還總是會(huì)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(huì)有極少數(shù)的載流子空穴存在。PN 結(jié)反偏時(shí)，能夠正向?qū)щ姷亩鄶?shù)載流子被拉向電源，使PN 結(jié)變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN 結(jié)承擔(dān)起載流導(dǎo)電的功能。所以，此時(shí)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(dǎo)電作用。反偏時(shí)，少數(shù)載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN 結(jié)形成漏電流。漏電流只所以很小，是因?yàn)樯贁?shù)載流子的數(shù)量太少。很明顯，此時(shí)漏電流的大小主要取決于少數(shù)載流子的數(shù)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(shù)載流子的數(shù)量即可。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(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(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/P>

因此，光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓，如圖所示。當(dāng)無光照時(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(稱為暗電流)，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照射時(shí)，PN 結(jié)附近受光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)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(duì)，這些載流子的數(shù)目，對(duì)于多數(shù)載流子影響不大，但對(duì)P 區(qū)和N 區(qū)的少數(shù)載流子來說，則會(huì)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(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負(fù)載RL 時(shí)，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因?yàn)楣庹湛梢栽黾由贁?shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會(huì)導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)人為地控制。

2、強(qiáng)調(diào)一個(gè)結(jié)論：

講到這里，一定要重點(diǎn)地說明PN 結(jié)正、反偏時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當(dāng)?shù)慕巧捌湫再|(zhì)。正偏時(shí)是多數(shù)載流子載流導(dǎo)電，反偏時(shí)是少數(shù)載流子載流導(dǎo)電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN 結(jié)顯示出單向電性。特別是要重點(diǎn)說明，反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過PN 結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過PN 結(jié)還要容易。為什么呢？大家知道PN 結(jié)內(nèi)部存在有一個(gè)因多數(shù)載流子相互擴(kuò)散而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)，而內(nèi)電場(chǎng)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(jié)時(shí)就需要克服內(nèi)電場(chǎng)的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN 結(jié)正向?qū)ǖ拈T電壓。

而反偏時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)在電源作用下會(huì)被加強(qiáng)也就是PN 結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過PN 結(jié)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)作用方向和少數(shù)載流子通過PN 結(jié)的方向一致，也就是說此時(shí)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會(huì)有阻礙作用，甚至還會(huì)有幫助作用。這就導(dǎo)致了以上我們所說的結(jié)論：反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過PN 結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過PN 結(jié)還要容易。這個(gè)結(jié)論可以很好解釋前面提到的“問題2”，也就是教材后續(xù)內(nèi)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?xí)咏蛏缘陀诨鶚O電位，集電結(jié)處于零偏置，但仍然會(huì)有較大的集電結(jié)的反向電流Ic 產(chǎn)生。

3、自然過渡：

繼續(xù)討論圖B，PN 結(jié)的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數(shù)載流子的產(chǎn)生數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)人為地控制漏電