推進(jìn)提高三極管工作速度的特色理論

弋建偉， 王 慶，趙亞萍，趙 邦， 王根義

（1.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100；2.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

提高三極管的開關(guān)速度，是提高電子產(chǎn)品的速度和品質(zhì)的一個(gè)本質(zhì)問題，可是由于好多電子技術(shù)的應(yīng)用者沒有深刻掌握PN結(jié)導(dǎo)電的原理，尤其沒有掌握本論文推出的關(guān)于PN結(jié)導(dǎo)電的特色理論，停留在似懂非懂的水平，所以在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，不敢大刀闊斧地改進(jìn)，本論文的研究結(jié)果就是解決這個(gè)問題。

1 理論推導(dǎo)

本來P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性較差，但在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的接觸面，由于存在著P區(qū)自由空穴向N區(qū)擴(kuò)散的自然力，和N區(qū)自由電子向P區(qū)擴(kuò)散的自然力，所以在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的接觸面，一開始P區(qū)的空穴向N區(qū)，N區(qū)自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使P區(qū)靠近接觸面的一部分區(qū)域沒有空穴或空穴很少，而N區(qū)靠近接觸面的一部分區(qū)域沒有自由電子或自由電子很少，這一部分沒有電子和空穴或者電子和空穴很少的區(qū)域叫做PN結(jié)。顯然，PN結(jié)存在著一個(gè)電場，這個(gè)電場力是反對N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散，也反對P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，如果這個(gè)電場力和自然擴(kuò)散力相等，PN結(jié)中盡管仍有自由電子和空穴的流動(dòng)，但動(dòng)態(tài)結(jié)果平衡，PN結(jié)薄后不變，我們把這時(shí)的PN結(jié)叫做標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)。如果由于外界力的作用，這個(gè)PN結(jié)薄了，小于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)，那么自然擴(kuò)散力就會(huì)大于電場力，由于P區(qū)有自由空穴資源，N區(qū)有自由電子資源，那么，那么這種擴(kuò)散形成的電流是比較大的；反之，如果由于外界力的作用，這個(gè)PN結(jié)厚了（這個(gè)變厚，往往是由于外界電源從P區(qū)拉走一些空穴，從N區(qū)拉走一些自由電子而形成的），大于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)，自然擴(kuò)散力就會(huì)小于電場力，這個(gè)電場力的方向是從N區(qū)指向P區(qū)，顯然，它阻止N區(qū)的自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，也阻止P區(qū)的空穴N區(qū)擴(kuò)散，它具有把P區(qū)的自由電子拉向N區(qū)，把N區(qū)的自由空穴拉向P區(qū)，以形成電流的能力，但由于P區(qū)缺乏自由電子資源[2-4]，N區(qū)缺乏自由空穴資源，所以這種電場力在一般情況下不能形成的較大的電流，但如果這時(shí)，在P區(qū)人工注入自由電子，或者在N區(qū)人工注入自由空穴，那么這種電場力就會(huì)把P區(qū)的自由電子拉到N區(qū)，也會(huì)把N區(qū)的自由空穴拉到P區(qū)，這樣就會(huì)形成的較大的電流。在這里，筆者提出的如何提高反向偏置的二極管的電流的理論是創(chuàng)新立異的，在國內(nèi)外其他文獻(xiàn)中本人都沒有看到類似的敘述，本理論筆者通過下面的實(shí)驗(yàn)得到完全驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)證明

在圖1所示的電路中，二極管反向偏置，PN結(jié)大于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)，我通過給N區(qū)人工注入自由空穴，給P區(qū)人工注入自由電子的方法增大了PN結(jié)的電流。

圖1 增大PN結(jié)反向?qū)щ姷碾娏鱂ig.1 Increase the reverse conducting current of PN junction

在圖2所示的電路中，二極管反向偏置，PN結(jié)大于標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)，我通過人工拉走N區(qū)自由空穴，人工拉走P區(qū)自由電子的方法減小了PN結(jié)的電流。

圖2 減小PN結(jié)反向?qū)щ姷碾娏鱂ig.2 Reduce the reverse conducting current of PN junction

3 該理論的實(shí)用意義

用上述理論解釋三極管的放大功能：對一個(gè)NPN型三極管，當(dāng)BE兩級之間PN結(jié)加上正向電壓，CB兩級之間PN結(jié)加上反向電壓時(shí)，BE兩級之間的PN結(jié)薄了，CB兩級之間PN結(jié)后了，基區(qū)很窄，從發(fā)射區(qū)用自然擴(kuò)散力擴(kuò)散的自由電子還沒有來得及從基極流出，有更多的自由電子就被CB兩級之間的PN結(jié)的電場力捕獲而從C極放出，這就是三極管的放大原理。當(dāng)在執(zhí)行放大任務(wù)的三極管突然失去應(yīng)有的電壓時(shí)，由于兩個(gè)PN結(jié)的厚度不能立即變化，而且基區(qū)有多余的自由電子，所以集電極電流還要再流一會(huì)兒，這就是三極管的滯后的原因。根據(jù)本人對三極管的原理作出的上述創(chuàng)新的分析和解釋，可以很清楚、很自然且很容易地推出這樣一個(gè)結(jié)論，克服三極管的滯后現(xiàn)象，提高它的反應(yīng)速度的根本措施應(yīng)該是：對一個(gè)NPN型三極管，在它剛執(zhí)行放大任務(wù)時(shí)，創(chuàng)造外界條件迅速給它的基區(qū)注入足夠的自由電子，而在它停止放大任務(wù)時(shí)，創(chuàng)造外界條件迅速把它的基區(qū)自由電子從基區(qū)拉走[5-7]。這就是筆者用堅(jiān)實(shí)、明確和可靠的理論根據(jù)推出的克服三極管在執(zhí)行放大任務(wù)過程中的滯后現(xiàn)象的有效實(shí)用措施。

4 對應(yīng)用實(shí)例的原理進(jìn)行分析

筆者又根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)出提高三極管工作反應(yīng)速度的一個(gè)具體方案，就是通過調(diào)試在三極管的B極和C極之間連接一個(gè)合適的小容量的電容，如圖3所示，經(jīng)過實(shí)際測試，確實(shí)提高了三極管工作反應(yīng)的速度。本人再進(jìn)一步對這個(gè)具體案例的原理作出下列詳細(xì)分析。

圖3 減小三極管的滯后時(shí)間Fig.3 Reduce the lag time of triode

在這個(gè)放大電路開始工作時(shí)，需要給基區(qū)快速注入較多的電子，而這時(shí)電源也要拉許多電子，我們在三極管的B極和C極之間連接一個(gè)容量可調(diào)的電容，這個(gè)電容就可以滿足電源對電子的需求，還可以為三極管的基區(qū)注入一定的電子，通過上述實(shí)驗(yàn)電路測試，可以提高放大電路的啟動(dòng)速度；在這個(gè)放大電停止工作時(shí)，為了使停止命令下達(dá)后，立即堵住集電極的電流，就需要把基區(qū)在放大電路工作中存儲(chǔ)的電子快速從其他路徑拉走，由于可變電容器與基極相連的一端剛好是正電位，需要電子，就快速把基區(qū)存儲(chǔ)的電子拉走，盡管電容電壓有讓發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的作用，但這些電子剛一從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)，又被它幾乎全部捕獲，圖3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了這一點(diǎn)[8]。

筆者再根據(jù)這個(gè)原理更明確、更實(shí)在地說明一些典型三極管電路提高速度的措施。

5 結(jié)束語

1）本論文對PN結(jié)的導(dǎo)電原理作了新的說明，具有特色、科學(xué)依據(jù)和實(shí)用價(jià)值，可以使學(xué)者真正搞清PN結(jié)的的原理，從而可以用相關(guān)理論有效地、有力地改善電子產(chǎn)品的性能。本文對該理論的正確性經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試得到證明。

2）本論文的創(chuàng)新點(diǎn)是對PN結(jié)的反向電流的控制提出了新的特色的理論，對電子技術(shù)的應(yīng)用者將有很大的幫助意義。

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