三極管的疑難問題詳解

程琪

◆摘? 要：在三極管的學(xué)習(xí)中，學(xué)生總是感到有一些困惑，如集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的偏置狀態(tài)，三極管的三個(gè)工作狀態(tài)，三極管中電流的流向等。文章從PN結(jié)的角度入手，使問題變得淺顯易懂生動(dòng)形象，學(xué)生能夠更好地理解這些問題。

◆關(guān)鍵詞：三極管;PN結(jié);電壓;電流

在高三復(fù)習(xí)階段，三極管始終是一個(gè)學(xué)生感覺的難點(diǎn)問題，三極管電路也是?？嫉臒狳c(diǎn)。有學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中會(huì)有這樣的困惑：三極管在飽和狀態(tài)下，集電極是正偏的，為何電流是從集電極流下？那么如何解釋這個(gè)問題，能讓學(xué)生更好地去理解呢？本文會(huì)解決下面這三個(gè)問題：

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)？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？

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？

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。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Ｒ虼?，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^（-9）A（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。

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?qū)щ娦?。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。

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。

接下去繼續(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)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會(huì)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(qū)或者是P區(qū)少數(shù)載流子的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PN結(jié)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(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。接下來重點(diǎn)討論P(yáng)區(qū)，P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，要想用電注入的方法向P區(qū)注入電子，最好的方法就是如圖C所示，在P區(qū)下面再用特殊工藝加一塊N型半導(dǎo)體。

圖C所示其實(shí)就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應(yīng)各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。為方便討論，以下我們對(duì)圖C中所示的各個(gè)部分的名稱直接采用與三極管相應(yīng)的名稱（如“發(fā)射結(jié)”，“集電極”等）。再看示意圖C，圖中最下面的發(fā)射區(qū)N型半導(dǎo)體內(nèi)電子作為多數(shù)載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發(fā)射區(qū)的電子注入或者說是發(fā)射到P區(qū)（基區(qū)）是很容易的，只要使發(fā)射結(jié)正偏即可。

具體說就是在基極與發(fā)射極之間加上一個(gè)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(fā)射區(qū)的電子就會(huì)很容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子“電子”在數(shù)量上的改變。

如圖C，發(fā)射結(jié)加上正偏電壓導(dǎo)通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——電子就會(huì)很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區(qū)。這些載流子一旦進(jìn)入基區(qū)，它們?cè)诨鶇^(qū)（P區(qū)）的性質(zhì)仍然屬于少數(shù)載流子的性質(zhì)。如前所述，少數(shù)載流子很容易反向穿過處于反偏狀態(tài)的PN結(jié)，所以，這些載流子——電子就會(huì)很容易向上穿過處于反偏狀態(tài)的集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)形成集電極電流Ic。

由此可見，集電極電流的形成并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于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射與注入，取決于這種發(fā)射與注入的程度。這種載流子的發(fā)射注入程度及乎與集電極電位的高低沒有什么關(guān)系。

這正好能自然地說明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關(guān)的原因。放大狀態(tài)下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)，以此來滿足三極管放大態(tài)下所需要外部電路條件。

以上，我們用了一種新的切入角度，對(duì)三極管的原理在講解方法上進(jìn)行了探討。特別是對(duì)晶體三極管放大狀態(tài)下，集電結(jié)為什么會(huì)反向?qū)щ娦纬杉姌O電流做了重點(diǎn)討論，同時(shí)，對(duì)三極管的電流放大倍數(shù)為什么是定值也做了深入分析。這種講解方法的關(guān)鍵，在于強(qiáng)調(diào)二極管與三極管在原理上的聯(lián)系。

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