三極管工作原理的歧義與破解

薄永軍

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

在三極管放大原理的解讀中，推敲不少教材的微觀解釋，很多存在著疑問或歧義，即便后面學(xué)習(xí)時記住了有關(guān)計算，但對其微觀上到底是怎么放大的，難免莫名所以、心存疑惑。本文就相關(guān)教材進行分析，并試圖給出一個新解，使學(xué)習(xí)者能順利通過理解關(guān)。

一、有關(guān)教材的講解及歧義

（一）教材的表述。以高等教育出版社的《電工電子技術(shù)》為例，在既定條件下的三極管（NPN型）放大作用，“用晶體管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律來解釋：發(fā)射結(jié)加正向電壓，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，初始集中在發(fā)射結(jié)的邊緣，基區(qū)兩端載流子濃度上的差異，使電子向集電結(jié)作擴散運動。由于基區(qū)很薄而且摻雜濃度又很低，所以空穴數(shù)量很少。在擴散過程中少量的電子與基區(qū)的空穴相遇被復(fù)合掉，電源EB拉走電子形成新的空穴（集電區(qū)的少子空穴也會漂移到基區(qū)），大部分電子到達集電結(jié)邊緣，在集電結(jié)反偏電壓作用下，穿過集電結(jié)進入集電區(qū)，電源EC不斷拉走電子而形成空穴，這些空穴就不斷與集電區(qū)電子復(fù)合?！保ㄝd流子的運動形成電流：IE、IB、IC。）

電流放大（控制）的解釋為：“當(dāng)改變基極偏置電阻使基極電流IB改變時，實質(zhì)是在改變基極與發(fā)射極之間的電壓UBE，引起發(fā)射結(jié)寬度的變化；如IB增大即UBE增大，發(fā)射結(jié)變窄，使發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射更多電子——其中少數(shù)在基區(qū)復(fù)合（ΔIB）、多數(shù)到達集電區(qū)（ΔIC）?！?/p>

（二）問題與歧義。查閱其他書籍，相關(guān)解釋基本類似（或只給出結(jié)論而不講原因），粗一看，微觀分析似乎能夠解釋“放大”原理，但仔細(xì)推敲并延伸到后繼結(jié)論，就存在幾個問題和歧義：

1．集電結(jié)反偏“導(dǎo)通”并產(chǎn)生IC，為什么與二極管的單向?qū)щ娦韵嗝埽?/p>

2．“基區(qū)很薄而且摻雜濃度又很低”有什么作用？

3．放大狀態(tài)下集電極電流IC為什么“受控于”電流IB？為什么IC與IB之間存在著一個基本固定的放大倍數(shù)關(guān)系？IC的變化量與IB的變化量關(guān)系如何？

4．集電結(jié)反偏電壓VC“驅(qū)動”電子進入集電區(qū)，是否VC越大能力越強、IC越大，與電壓VC有何關(guān)系？

5．如何解釋飽和狀態(tài)下，VC電位很低的情況下，仍然會有反向大電流IC的產(chǎn)生，這與“問題4”矛盾。飽和狀態(tài)下UCE＜UBE，為什么不因BC結(jié)正向?qū)ǘ纬上喾碔C電流？

6．如果把集電極和發(fā)射極對調(diào)，按此說法也解釋得通，那為什么還要分集電極和發(fā)射極呢？如何區(qū)分或判斷呢？這些問題及所引起的歧義，常使學(xué)習(xí)者很難從表述中得到釋疑?！袄碚摗本褪且罢f得通”！或許這樣講解的方法不當(dāng)，使講解的內(nèi)容產(chǎn)生了歧義甚至矛盾，使學(xué)習(xí)者看后一頭霧水。為此，結(jié)合經(jīng)驗，探索一種對策，或者說新解，來解釋原理，讓學(xué)習(xí)者方便理解和推理。

二、三極管工作原理新解及分析

三極管工作原理的講解，一般在二級管講解之后，在原理上應(yīng)以二極管原理為基礎(chǔ)，前面為后面做好鋪墊，合理過渡。

（一）二極管工作原理與強調(diào)的內(nèi)容

分析PN結(jié)及二極管的工作原理，不難得到結(jié)論：

1．在微觀上，一是PN結(jié)加正向電壓時，外加電場與內(nèi)電場反向，PN結(jié)變窄，有利于多數(shù)載流子的擴散、順利通過PN結(jié)，形成較大正向電流——PN結(jié)呈低電阻狀態(tài)；同時少數(shù)載流子的漂移也沒有停止。二是PN結(jié)加反向電壓時，外加電場與內(nèi)電場同向，PN結(jié)變寬，多數(shù)載流子的擴散受阻；但加強了少數(shù)載流子的漂移，因少子較少，只能形成較小的反向電流——PN結(jié)呈高電阻狀態(tài)；如果人為增加少數(shù)載流子，則反向電流增加（或稱增強式漂移），比如光敏二極管是在反偏狀態(tài)下通過光照增加少數(shù)載流子數(shù)量、形成（漏）電流而工作的。這里要特別強調(diào)載流子的角色和性質(zhì)，明確擴散和漂移總是同時存在，宏觀表現(xiàn)是兩種電流的動態(tài)疊加值。正偏時多數(shù)載流子（為主導(dǎo)）載流導(dǎo)電；反偏時少數(shù)載流子（為主導(dǎo)）載流導(dǎo)電，強調(diào)：反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)很容易，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過還要容易。

2．在宏觀上，一是“半導(dǎo)體”和PN結(jié)不是絕緣體，導(dǎo)電性能隨著摻雜濃度等因素而增加。二是PN結(jié)也可以理解為是一個“受控電阻”，其大小受所加電壓、摻雜濃度、結(jié)的面積等“控制”；如：增加正向電壓時電阻逐漸減小，當(dāng)超過“導(dǎo)通電壓”時電阻急劇減小；加反向電壓時電阻很大、并隨其增加微量減小，當(dāng)超過“反向擊穿電壓”時電阻急劇減小。

（二）三極管工作原理新解

三極管的工作原理與二極管、PN結(jié)特性密不可分，合理引申，完全能解釋三極管各區(qū)工作原理、特性曲線，而不必避而不談或另求曲解。以前述NPN型三極管放大為例，在前述相同的條件下的放大作用，從宏觀上也可理解為“兩個受控電阻的并聯(lián)分流”（不再詳解）；而從微觀上，結(jié)合三極管的結(jié)構(gòu)特點，其工作原理的新解如下（IE、IB、IC均指主導(dǎo)電流）：

1．IB與IE電流的形成

發(fā)射結(jié)加一個足夠的正向的電壓，PN結(jié)變薄，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）很容易越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，實現(xiàn)了對基區(qū)少數(shù)載流子（自由電子）在數(shù)量上的增加，或者說：發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）很容易地被大量發(fā)射進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。大量的自由電子到達基區(qū)后，分布在基區(qū)的空穴（多子）與自由電子“中和”，同時“空穴”又會不斷地在外部電源作用下得到補充，“空穴”不斷地與“電子”中和，這個動態(tài)過程，就形成基極電流IB，或者說是對IE的“截流”。因基區(qū)很薄、摻雜濃度低，空穴和有機會復(fù)合掉的電子都較少，大多進入基區(qū)的自由電子很快濃度擴散至集電結(jié)邊緣。

2．IC電流的形成

電子在基區(qū)屬于少數(shù)載流子性質(zhì)，在集電結(jié)反偏狀態(tài)下，少數(shù)載流子很容易反向穿過PN結(jié)（尤其在較大的結(jié)面積下）到達集電區(qū)，并不斷在外部電源作用下得到“中和”，形成了集電極電流IC。IC的本質(zhì)是“少子”電流，是通過電注入方法實現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流。集電極電流的大小主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對基區(qū)的發(fā)射與注入的程度，而幾乎與集電極電位的高低沒有什么關(guān)系——但集電極必須是接電源正極（UCE＞0），以“補充”空穴。強調(diào)：集電極電流的形成取決于集電結(jié)反偏、PN結(jié)較大的接觸面（均促進漂移）和“增強式漂移”諸因素，不是一定要靠集電極的高電位；故IC的大小與集電極電位VC在數(shù)量上無關(guān)，VC的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)。

3．放大狀態(tài)

因電子流進入基區(qū)后，少量空穴對電子流進行“截流”，其余部分穿過集電結(jié)進入集電區(qū)，所以有IE＝IB＋IC?？梢姡訧E為基礎(chǔ)，IC“受控”于IB。在這個動態(tài)過程中，基區(qū)空穴的等效總數(shù)量是不變的，主要取決于“摻雜濃度”以及基區(qū)的厚??；當(dāng)三極管結(jié)構(gòu)確定后，基區(qū)空穴的動態(tài)總量就確定，對電子流的“截流比”也就確定。如果設(shè)定IE＝（1＋β）IB，即IC＝βIB，截流比例就是1／（1＋β）。在放大條件下，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通、集電結(jié)反偏，載流子基本不被“受控電阻”限流，截流比隨基區(qū)結(jié)構(gòu)而定，β值就基本隨三極管結(jié)構(gòu)而確定。這就是放大狀態(tài)下三極管的電流IC與IB之間存在比例關(guān)系的原因（β稱為三極管的電流放大倍數(shù)）。因為基區(qū)做得薄、摻雜濃度很低，基區(qū)的空穴（多子）對電子的截流量很小（反之截流量會增大），所以，β值較高。在制作三極管時常常要把基區(qū)做得很薄，而且其摻雜濃度也很低，以獲得足夠大的電流“放大”倍數(shù)。放大狀態(tài)下，當(dāng)UBE增加使IE就有一個很大的增加量ΔIE、IB有一個增加量ΔIB時，顯然，ΔIC會按固有的比例（約β）受控于ΔIB。另外，基于“反偏電壓下集電結(jié)‘受控電阻’隨著UCE的增加而微量減小”，也很容易解釋出：輸出特性曲線中，當(dāng)IB一定、UCE增加時IC有微量增加。

4．截止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)IB等于0時，亦即發(fā)射結(jié)電壓UBE太小，沒有達到門電壓值，發(fā)射區(qū)沒有載流子（自由電子）向基區(qū)的發(fā)射與注入，就不會有電流IB，電流IC也就主要是PN結(jié)的穿透電流。

5．飽和狀態(tài)

當(dāng)UCE減?。║CE＞0）到小于UBE時，造成集電結(jié)正偏，主導(dǎo)載流子（自由電子）作為基區(qū)少子，在穿過集電結(jié)時，就只有“增強式漂移”，而不再有集電結(jié)反偏而促進漂移的“優(yōu)待”，集電結(jié)“受控電阻”有所增加，使IC下降，與IB不再成固有的β倍的關(guān)系，且隨著UCE的繼續(xù)減小，IC還會更加減小；或者說IC太大后β下降。（飽和區(qū)是指UCE小于UBE時，IC對IB不成原比例關(guān)系的區(qū)域，即輸出特性曲線的彎曲部分，一些教材錯指為曲線與縱軸間的區(qū)域）。在基本放大電路中，宏觀關(guān)系為UCE＝EC－ICRC，顯然，當(dāng)IC“隨”IB增加到一定值時，也就不可能再按原比例增加。

6．C、E極的區(qū)分

如果把發(fā)射極與集電極對調(diào)，原理類似、一樣能夠起到放大作用，但由于集電區(qū)摻雜濃度低，相同的正向結(jié)電壓下發(fā)射電子流會減小，同時由于BE結(jié)接觸面小、不利于“促進漂移”的進行，“受控電阻”較大，這些導(dǎo)致電流放大倍數(shù)下降，三極管不能正常工作。這也是判斷三極管C、E極的重要依據(jù)，所以C、E極不可互換使用。

［1］陳小虎．電工電子技術(shù)（第二版）［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［2］林平勇，高嵩．電工電子技術(shù)（第二版）［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［3］張軍 等．模擬電子線路（第一版）［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2006．