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)