三極管電流放大原理教學(xué)的改進(jìn)

羅國(guó)慶

三極管電流放大原理是教學(xué)的難點(diǎn)，一些現(xiàn)行教材僅通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出結(jié)論，不涉及對(duì)三極管導(dǎo)電本質(zhì)的揭示，使學(xué)生對(duì)三極管集電結(jié)反偏，集電極電流就應(yīng)該為零，但是實(shí)際情況是，三極管還能使電流放大這一矛盾不能理解。為此筆者改進(jìn)了對(duì)此課題的教學(xué)。

三極管電流放大原理指如圖1所示電路（以NPN型管為例）中管子三個(gè)極電流的關(guān)系：IE=IC+IB ，以及電流放大作用：β=IC/IB、β=△IC△/IB。它是分析三極管電壓放大作用和運(yùn)用三極管的前提條件，是電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。

筆者發(fā)現(xiàn)，一些現(xiàn)行教材在闡述三極管電流放大原理時(shí)，僅通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出結(jié)論，不涉及對(duì)三極管導(dǎo)電本質(zhì)的揭示，難免使學(xué)生知其然不知其所以然，甚至連管內(nèi)電流的流通都未必弄清，產(chǎn)生 “發(fā)射結(jié)正偏，三極管輸入電流能順利通過(guò)，而輸出電路集電極電流通過(guò)了反偏的集電結(jié)是否與PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕碢N結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止）發(fā)生矛盾”等疑惑，這形成了一道入門(mén)的學(xué)習(xí)屏障，不僅使后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)困難，而且還會(huì)挫傷他們的學(xué)習(xí)積極性，為此筆者改進(jìn)了對(duì)此課題的教學(xué)。

筆者針對(duì)基礎(chǔ)較一般的那部分學(xué)生著重指出：三極管之所以具有這種電流分配與放大作用，主要是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（工藝條件）決定的，而對(duì)其電路中電流的形成則明確指出電路中導(dǎo)電的多數(shù)載流子的屬性，例如圖1電路中并非是來(lái)自電源正極的正電荷，而是來(lái)自管子發(fā)射區(qū)（與電源負(fù)極相連）起擴(kuò)散作用的負(fù)電荷自由電子，僅做這兩點(diǎn)說(shuō)明或交代盡管簡(jiǎn)略，卻為基本上打消學(xué)生疑慮做出了回應(yīng)，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)過(guò)程發(fā)生了一個(gè)飛躍；而對(duì)另一部分基礎(chǔ)較好的學(xué)生則加強(qiáng)進(jìn)一步輔導(dǎo)，主要從以下兩個(gè)方面強(qiáng)化對(duì)三極管電流放大原理的闡述。

1 從內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，分析三極管的電流放大原理

第一，根據(jù)三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理解各區(qū)載流子的特點(diǎn)。

學(xué)習(xí)三極管的電流放大原理時(shí)，由于我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了二極管，并對(duì)載流子、晶體管有了一定的認(rèn)識(shí)，知道PN結(jié)是晶體管一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，所謂PN結(jié)就是在硅或者鍺單晶基片上，加工出P型區(qū)和N型區(qū)，在兩個(gè)電極之間，即P型區(qū)和N型區(qū)的結(jié)合部，是一個(gè)特殊的薄層，這個(gè)薄層就稱(chēng)為PN結(jié)。而PN結(jié)有一個(gè)重要的特性，就是單向?qū)щ娦?，PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，加反向電壓時(shí)截止。

晶體三極管是由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成的。我們可以利用EWB仿真軟件，驗(yàn)證三極管內(nèi)部由兩個(gè)PN結(jié)組成。通過(guò)觀(guān)察小燈泡發(fā)光與否，可以得出三極管B極與C極，B極與E極之間具有單向?qū)щ娦?，這種演示比用萬(wàn)用表測(cè)量還要形象生動(dòng)，可觀(guān)性強(qiáng)，給學(xué)生很強(qiáng)的視覺(jué)效果。兩個(gè)PN結(jié)將三極管分成三個(gè)區(qū)，就是發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。根據(jù)三極管內(nèi)部三個(gè)區(qū)域半導(dǎo)體類(lèi)型的不同，三極管可分為PNP型三極管和NPN型三極管。如果基區(qū)是N型半導(dǎo)體，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)就是P型半導(dǎo)體，則此三極管為PNP型三極管。如果基區(qū)為P型半導(dǎo)體，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)就是N型半導(dǎo)體，則此三極管為NPN型三極管。

在三極管制造的過(guò)程中，對(duì)三極管的三個(gè)區(qū)域，即發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)都有一定的工藝要求，必須保證他們具有以下特點(diǎn)：

①發(fā)射區(qū)摻雜濃度較大，以利于發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射載流子。

②基區(qū)很薄，摻雜少，這樣載流子易于通過(guò)。

③集電極比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少，利于收集載流子。

所以說(shuō)三極管并不是兩個(gè)PN結(jié)的簡(jiǎn)單結(jié)合，它不能用兩個(gè)二極管來(lái)代替，也不能將三極管的發(fā)射極和集電極顛倒使用。

第二，以二極管導(dǎo)電為基礎(chǔ)，結(jié)合三極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)三極管內(nèi)部電流的形成和分配進(jìn)行分析。在對(duì)二極管即PN結(jié)單向?qū)щ娦宰霰硐蠓治鰰r(shí)，鋪墊拓寬半導(dǎo)體導(dǎo)電基礎(chǔ)，建立本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體、自由電子與空穴、多數(shù)載流子與少數(shù)載流子、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)以及復(fù)合等基本概念，直至理解PN結(jié)單向?qū)щ娦缘奈锢磉^(guò)程。特別指出：PN結(jié)對(duì)于二極管而言類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)，其正偏時(shí)通過(guò)較大電流相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的接通，但其反偏時(shí)通過(guò)微小電流相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的關(guān)斷只是忽略與近似，二極管作為一種特殊的電子開(kāi)關(guān)，其反偏截止關(guān)不斷，仍存在少數(shù)載流子漂移產(chǎn)生的反向電流的情況往往不為人們所重視，而這恰恰成為分析三極管電流放大原理時(shí)的一個(gè)重要支撐。

聯(lián)系三極管的基本結(jié)構(gòu)及其“三區(qū)”“兩結(jié)”的摻雜濃度、結(jié)面積、尺寸差異等特點(diǎn)，在對(duì)管內(nèi)電流的形成及分配強(qiáng)化分析（參見(jiàn)圖2）時(shí)，首先指出本電路中形成載流子導(dǎo)電主流的多數(shù)載流子是帶負(fù)電的自由電子，而不是來(lái)自電源的正電荷。有前面知識(shí)鋪墊，接下來(lái)揭示三極管電流放大電路中電流的形成，主要是基于發(fā)射結(jié)正偏多數(shù)載流子的擴(kuò)散以及集電結(jié)反偏少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)這樣兩個(gè)認(rèn)識(shí)基本點(diǎn)，而認(rèn)知的關(guān)鍵則是由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)（被復(fù)合掉的除外）并到達(dá)集電結(jié)邊緣的那絕大部分載流子性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，即由多數(shù)載流子轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子。指出其電流分配與放大依其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而定，由于基區(qū)摻雜濃度低，空穴數(shù)目少，由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散而來(lái)被復(fù)合掉的自由電子少，產(chǎn)生的基極電流就小，又由于基區(qū)尺寸薄，雖然集電結(jié)反偏，內(nèi)電場(chǎng)在電源的作用下，集電結(jié)PN結(jié)變寬，多數(shù)載流子被截止，但是少數(shù)載流子反向通過(guò)，集電結(jié)PN結(jié)不僅不截止，反而更容易通過(guò)。發(fā)射區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)并沖到集電極邊緣的自由電子數(shù)目大，但性質(zhì)已轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子，由這些少數(shù)載流子漂移進(jìn)入集電區(qū)形成的集電極電流就大。這里要強(qiáng)調(diào)的是，集電極電流的大小，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的注入程度，與集電極電源電壓大小沒(méi)有太大關(guān)系，集電極電源電壓大小只要維持集電結(jié)反偏就行。我們從三極管的輸出特性曲線(xiàn)知道，發(fā)射極電壓VCE變大，但集電極電流IC基本保持不變，這就驗(yàn)證了集電極電流大小取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的注入程度，與VCE沒(méi)有太大關(guān)系。發(fā)射極電流如此分流，三電流關(guān)系如上面公式所示，即發(fā)射極電流恒等于集電極電流與基極電流之和，即IE=IC=IB，且集電極電流比基極電流大得多，二者之間存在一定的比例關(guān)系，至于管內(nèi)還存在著較難以理解的集-基反向電流、穿透電流等則加以弱化舍棄，這就使學(xué)生基本上明確了三極管內(nèi)電流的形成與分配，對(duì)“輸出電路集電極電流通過(guò)了反偏的集電結(jié)是否與PN結(jié)的單向?qū)щ娦园l(fā)生矛盾”等質(zhì)疑也就迎刃而解了。

第三，通過(guò)巧設(shè)實(shí)例，對(duì)三極管的電流放大（控制）作用做形象化的解釋。

上面主要分析了三極管內(nèi)電流的形成與分配，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)三極管電流放大原理的認(rèn)識(shí)，在以實(shí)驗(yàn)分析三極管電流放大原理的同時(shí)，對(duì)三極管的電流放大（控制）作用可進(jìn)一步做如下的解釋?zhuān)寒?dāng)改變基極偏置電阻使基極電流IB改變時(shí)，實(shí)質(zhì)是在改變基極與發(fā)射極之間的電壓UBE，這必然引起發(fā)射結(jié)寬度（PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)）的變化。以NPN型三極管為例，根據(jù)三極管的制造工藝特點(diǎn)，由于發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度較高，所以大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)從發(fā)射區(qū)到達(dá)基區(qū)。擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與基區(qū)的空穴相結(jié)合，形成IB電流。由于基區(qū)很薄，濃度低，自由電子與空穴結(jié)合的就很少，所以IB電流小。大部分自由電子漂移到集電極形成集電極電流。所以，我們要獲得較大的三極管電流放大倍數(shù)β，在制作三極管時(shí)就把基區(qū)做得很薄，并且摻雜濃度很低。

當(dāng)UBE很小時(shí)，低于發(fā)射結(jié)的門(mén)檻電壓，發(fā)射結(jié)截止，發(fā)射區(qū)就沒(méi)有載流子向基區(qū)發(fā)射，三極管截止，IB、IC為零。當(dāng)UBE電壓大于門(mén)檻電壓時(shí)，發(fā)射區(qū)就有載流子通過(guò)發(fā)射結(jié)形成基極電流IB，IB增大從基區(qū)多拉走兩個(gè)電子即基區(qū)多形成兩個(gè)空穴，反映到宏觀(guān)上就是IB產(chǎn)生了兩個(gè)單位的增量。但I(xiàn)B增大使發(fā)射結(jié)變窄的結(jié)果使發(fā)射區(qū)向基區(qū)多發(fā)射了50個(gè)電子，這50個(gè)電子只有2個(gè)與基區(qū)多增加的空穴復(fù)合，其余48個(gè)都到達(dá)了集電區(qū)，在宏觀(guān)上就是IC產(chǎn)生了48個(gè)增量，這就是一個(gè)小的基極電流控制了一個(gè)大的集電極電流的原因。這時(shí)教師可用計(jì)算機(jī)制作動(dòng)畫(huà)，逼真地模仿出三極管放大狀態(tài)下內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)和結(jié)合過(guò)程以及電子和空穴的運(yùn)動(dòng)軌跡，生動(dòng)形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，加深學(xué)生對(duì)三極管微觀(guān)世界的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能讓學(xué)生理解三極管三個(gè)腳的電流關(guān)系，以及電流的放大關(guān)系。必須指出：所謂三極管的電流放大作用，并非三極管本身把小電流變成大電流，它僅起一種控制作用，控制電路里的電源按確定的比例向三極管提供IB、IC和IE這三個(gè)電流。由于IC=βIB，所以當(dāng)調(diào)節(jié)RB改變基極電流IB時(shí)IC也隨之變化，即很小的IB控制著比它大β倍的IC，但I(xiàn)C不是由三極管產(chǎn)生的，而是由電源VCC在IB的控制下提供的，所以說(shuō)三極管起著能量轉(zhuǎn)換作用。由于分析基于半導(dǎo)體導(dǎo)電的微觀(guān)機(jī)制，使基礎(chǔ)較好這部分學(xué)生對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)得到了深化。

2 從外部條件入手，分析三極管的電流放大原理

要使三極管工作在電流放大狀態(tài)，我們將三極管接成共發(fā)射極放大電路，同時(shí)使三極管的發(fā)射結(jié)加正向電壓、集電結(jié)加反向電壓，使三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，剛剛我們已經(jīng)從三極管的內(nèi)部條件給出了解釋。根據(jù)教材實(shí)驗(yàn)電路，給出實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，由學(xué)生自己動(dòng)手搭建電路，進(jìn)行三極管電流放大電路的實(shí)驗(yàn)。搭建電路時(shí)，要強(qiáng)調(diào)萬(wàn)用表的正確使用，電流表的正負(fù)極、電源的正負(fù)極都不能接反，并且電流表要串接于電路中，并選擇合適的量程。如圖3所示。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求一邊做實(shí)驗(yàn)，一邊記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、討論、總結(jié)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并找出其中的規(guī)律。通過(guò)老師的點(diǎn)撥、引導(dǎo)，共同探討三極管的電流放大關(guān)系，β=△IC/△IB，得出三極管具有電流放大作用的特性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要進(jìn)行分組，小組分工要明確各人責(zé)職，嚴(yán)格要求學(xué)生規(guī)范操作，遇到問(wèn)題可以小組集體討論，這樣有助于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生與他人溝通和合作的能力。

通過(guò)從上面兩個(gè)方面的分析，讓學(xué)生掌握了三極管的內(nèi)部構(gòu)造，三極管的電流放大的外部條件以及三極管的放大原理，特別是三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況，理清了集電結(jié)反偏時(shí)載流子也能通過(guò)，為我們今后學(xué)習(xí)各種放大電路、收音機(jī)、音響等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，通過(guò)多媒體教學(xué)，大大地提高了教學(xué)的容量。創(chuàng)設(shè)情境能幫助學(xué)生對(duì)三極管微觀(guān)世界的理解，能夠把抽象變具體，克服了學(xué)生對(duì)未知抽象知識(shí)的恐懼，促進(jìn)了學(xué)生的認(rèn)知水平，提高了教學(xué)效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，課堂師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了課堂氣氛，讓學(xué)生對(duì)三極管的電流放大作用有了深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生們敢于動(dòng)手操作，善于思考的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生成為一個(gè)合格的技能型人才。

學(xué)習(xí)電子線(xiàn)路，其中三極管電流放大的原理這一節(jié)既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。同時(shí)三極管前面講的二極管的知識(shí)，后面學(xué)習(xí)的是三極管的單級(jí)放大電路，那么三極管這一章就是一個(gè)承上啟下的作用，而三極管的電流放大原理又是三極管這一章的重點(diǎn)，所以能夠掌握和理解三極管的電流放大原理就顯得尤為重要。對(duì)中職中專(zhuān)教育層次，我們宜采取上述以簡(jiǎn)略交代說(shuō)明為主的改進(jìn)式教學(xué)方式，而對(duì)高職高專(zhuān)教育層次宜采取以上述加強(qiáng)輔導(dǎo)強(qiáng)化分析為主的改進(jìn)式教學(xué)方式，根據(jù)職業(yè)教育的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)不同層次的教學(xué)要求。

（作者單位：江蘇省海安中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校）