晶體三極體工作原理講解方法**
(2013-01-22 06:41:52)
原作者：鄭州電纜技工學校祝老師
原文鏈結：
晶體三極體作為乙個常用器件，是構成現代電子世界的重要基石。然而，傳統的教科書對其工作原理的講述卻存在有很大問題，使初學者對三極體的工作原理無法正常理解，感到彆扭與迷茫。
晶體三極體原理問題的關鍵在於：集電結為什麼會反嚮導通？這與晶體二極體原理中強調的pn結單向導電特性（反向截止）嚴重矛盾。
三極體原理，傳統講解方法中存在的問題概括起來主要有以下三點：
1 嚴重割裂晶體二極體與三極體在原理上的自然聯絡。沒有真正說明三極體集電結為何會發生反偏導通並產生ic？這看起來與二極體原理強調的pn結單向導電性相矛盾。
2 不能說明放大狀態下集電極電流ic為什麼只受控於電流ib而與電壓無關；即：ic與ib之間為什麼存在著乙個固定的放大倍數β關係。
3 不能說明飽和狀態下，vc電位很弱的情況下，為什麼集電結仍然會反嚮導通並且有反向大電流ic通過。
很多教科書對於這部分內容，在講解方法上都存在有很大問題。有一些針對初、中級學者的普及性教科書，乾脆採用了迴避的方法，只給出結論卻不講原因。既使專業性很強的教科書，採用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。
這些問題集中表現在講解方法的切入角度不恰當，致使邏輯混亂，講解內容前後矛盾，甚至造成講了還不如不講的效果，使很多初學者常常產生一頭霧水的感覺。
筆者根據多年的總結思考與教學實踐，對於這部分內容摸索出了乙個適合於自己教學的新講解方法，並通過具體的教學實踐收到了一定效果。雖然新的講解方法也肯定會有所欠缺，但本人還是懷著與同行共同**的願望不揣冒昧把它寫出來，以期能通過同行朋友的批評指正來加以完善。
一、 傳統**及問題：
傳統**一般分三步，以npn型為例（以下所有討論皆以npn型矽管為例），如示意圖a。「1 發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，而是極不恰當地著重地強調了vc的高電位作用，同時又強調基區的薄。這種強調很容易使人產生誤解——以為只要vc足夠大基區足夠薄，集電結就可以反嚮導通，pn結的單向導電性就會失效。
這是讓初學者很容易產生一系列模糊認識的根源。
這正好與三極體的電流放大原理嚴重地矛盾。三極體的電流放大原理恰恰要求在放大狀態下ic與vc在數量上必須無關，ic只能受控於ib。
問題2：不能很好地說明三極體的飽和狀態。當三極體工作在飽和區時，vc的值很小甚至低於vb，此時仍然出現了很大的反向飽和電流ic，也就是說在vc很小時，集電結仍然會出現反嚮導通的現象。
這很明顯地與傳統**中強調vc的高電位作用這種說法相矛盾。
問題3：傳統**第2步過於強調基區的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為只要基區足夠薄，集電結就可能會失去pn結的典型特性——單向導電。這顯然與人們利用三極體內部兩個pn結的單向導電性，來判斷三極體管腳名稱（e、b、c)的經驗相矛盾。
既使基區很薄，人們判斷管腳名稱時，也並沒有發現因為基區的薄而導致pn結單向導電性失效的情況。基區很薄，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體管腳名稱的辦法和根據。
問題4：在第2步講解為什麼ic會受ib控制，並且ic與ib之間為什麼會存在著乙個固定的比例關係時，不能形象說明。只是從工藝上強調基區的薄與摻雜度低，不能從道理上根本性的說明電流放大倍數β什麼會保持不變的原因。
問題5：割裂二極體與三極體在原理上的自然聯絡，無法實現內容上的自然過渡。甚至使人產生很矛盾的感覺，二極體原理強調pn結的正向導電反向截止，而三極體原理則又要求pn結能夠反嚮導通，這讓人很難接受。
同時，也不能體現晶體三極體與電子三極體之間在電流放大原理上的歷史聯絡。
二、新講解方法：
1 切入點：
要想很自然地說明問題，就要選擇恰當的切入點。講三極體的原理我們從二極體的原理入手講起。二極體的結構與原理都很簡單，內部乙個pn結具有單向導電性，如示意圖b。
很明顯圖示二極體處於反偏狀態，pn結截止。我們要特別注意這裡的截止狀態，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象，pn結的單向導電性並不是百分之百。
為什麼會出現這種現象呢？這主要是因為p區除了因「摻雜」而產生的多數載流子「空穴」之外，還總是會有極少數的本徵載流子「電子」出現。n區也是一樣，除了多數載流子電子之外，也會有極少數的載流子空穴存在。
pn結反偏時，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載流子，是少數載流子在起導電作用。反偏時，少數載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過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，此時漏電流的大小主要取決於少數載流子的數量。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人為地增加。
其實，光敏二極體的原理就是如此。光敏二極體工作在反偏狀態，因為光照可以增加少數載流子的數量，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製作出了光敏二極體（見下圖）。
既然此時漏電流的增加是人為的，那麼漏電流的增加部分也就很容易能夠實現人為地控制。
2 強調乙個結論：
講到這裡，一定要重點地說明pn結正、反偏時，多數載流子和少數載流子所充當的角色及其性質。正偏時是多數載流子載流導電，反偏時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。
特別要重點說明，反偏時少數載流子反向通過pn結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過pn結還要容易。
即：pn結反偏時，截止的只是多數載流子的電流。而對於少數截流子的通過，pn結不僅不截止，一定程度上反而還會更加容易。
為什麼呢？大家知道pn結內部存在有乙個因多數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載流子的正向通過，所以，多數載流子正向通過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，這也是pn結正嚮導通的門電壓。
而反偏時，內電場在電源作用下會被加強也就是pn結加厚，少數載流子反向通過pn結時，內電場作用方向和少數載流子通過pn結的方向一致，也就是說此時的內電場對於少數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：反偏時少數載流子反向通過pn結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過pn結還要容易。
這個結論可以很好解釋前面提到的「問題2」，也就是教科書後續內容中要講到的三極體的飽和狀態。三極體在飽和狀態下，集電極電位接近或稍低於基極電位，集電結處於零偏置，但仍然會有較大的集電結的反向電流ic產生。
3 自然過渡：
繼續討論圖b，pn結的反偏狀態。利用光照控制少數載流子的產生數量就可以實現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區或者是p區少數載流子的數量，從而實現對pn結的漏電流的控制。
也就是不用「光」的方法，而是用「電」的方法來實現對電流的控制。注2
接下來重點討論圖b中的p區。重點看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所示其實就是npn型晶體三極體的雛形，其相應各部分的名稱以及功能與三極體完全相同。
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採用與三極體相應的名稱（如「發身結」，「集電極」等）。
再看示意圖c，圖中最下面的發射區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，要將發射區的電子注入或者說是發射到p區（基區）也是很容易的，只要使發射結正偏即可。具體說就是在基極與發射極之間加上乙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，發射區的電子就會很容易地被發射注入到基區，這樣就實現了對基區少數載流子——「電子」的注入，使其在數量上發生改變。
4 集電極電流ic的形成：
如圖c，發射結加上正偏電壓導通後，在外加電壓的作用下，發射區的多數載流子——電子就會很容易地被大量發射進入基區。這些載流子一旦進入基區，它們在基區（p區）的身份仍然屬於少數載流子的性質。如前所述，少數載流子很容易反向穿過處於反偏狀態的pn結。
所以，這些載流子——電子就會很容易向上穿過處於反偏狀態的集電結到達集電區形成集電極電流ic。由此可見，集電極電流的形成並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於發射區載流子對基區的注入，取決於這種發射與注入的程度。這種載流子的發射注入程度幾乎與集電極電位的高低沒有什麼關係。這正好能自然地說明，為什麼三極體在放大狀態下，集電極電流ic的大小與集電極電位vc在數量上無關的原因。
放大狀態下ic並不受控於vc，vc的作用主要是維持集電結的反偏狀態，以此來滿足三極體放狀態下所需要的外部條件。
對於ic還可以做如下結論：ic的本質是「少數載流子」電流，是通過電注入方法而實現的人為可控的集電結「漏」電流。這就是ic為什麼會很容易反向穿過集電結的原因。
5 ic與ib的關係：
很明顯，對於三極體的內部電路來說，圖c與圖d是完全等效的。圖d就是教科書上常用的三極體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，主要取決於發射區載流子對基區的注入程度。
通過上面的討論，現在已經明白，npn型三極體在電流放大狀態下，內部的電流主要就是由發射區經基區再到集電區貫穿整個三極體的「電子」流。也就是說貫穿三極體的電流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體非常類似。
如圖e，圖e就是電子三極體的原理示意圖。電子三極體的電流放大原理因為其結構的直觀、形象，可以很容易很自然地得到解釋。
如圖e所示，很容易理解，電子三極體ib與ic之間的固定比例關係，主要取決於電子管柵極（基極）的構造。當外部電路條件滿足時，電子三極體工作在放大狀態。穿過管子的電流主要是由發射極經柵極再到集電極的電子流。
電子流在穿越柵極時，柵極會對其進行截流。截流時就存在著乙個截流比問題。
三極體工作原理
結構與操作原理 三極體的基本結構是兩個反向鏈結的pn接面，如圖1所示，可有pnp和npn 兩種組合。三個接出來的端點依序稱為射極 emitter,e 基極 base,b 和集 極 collector,c 名稱 和它們在三極體操作時的功能有關。圖中也顯示出 npn與pnp三極體的電路符號，射極特別被標...
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