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隨著科學技的發展，電子技術的應用幾乎滲透到了人們生產生活的方方面面。晶體三極管作為電子技術中一個最為基本的常用器件，其原理對于學習電子技術的人自然應該是一個重點。三極管原理的關鍵是要說明以下三點： 1、集電結為何會發生反偏導通并產生Ic，這看起來與二極管原理強調的PN結單向導電性相矛盾。 2、放大狀態下集電極電流Ic，為什么會只受控于電流Ib而與電壓無關;即：Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數關系。雖然基區較薄，但只要Ib為零，則Ic即為零。 3、飽和狀態下，Vc電位很弱的情況下，仍然會有反向大電流Ic的產生。 很多教科書對于這部分內容，在講解方法上處理得并不適當。特別是針對初、中級學者的普及性教科書，大多采用了回避的方法，只給出結論卻不講原因。即使專業性 很強的教科書，采用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。這些問題集中表現在講解方法的切入角度不恰當，使講解內容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的 效果，使初學者看后容易產生一頭霧水的感覺。 一、 傳統講法及問題： 傳統講法一般分三步，以NPN型為例(以下所有討論皆以NPN型硅管為例)，如示意圖A。1.發射區向基區注入電子;2.電子在基區的擴散與復合;3.集電區收集由基區擴散過來的電子。”(注1) 問題1：這種講解方法在第3步中，講解集電極電流Ic的形成原因時，不是著重地從載流子的性質方面說明集電結的反偏導通，從而產生了Ic，而是不恰當地側重 強調了Vc的高電位作用，同時又強調基區的薄。這種強調很容易使人產生誤解。以為只要Vc足夠大基區足夠薄，集電結就可以反向導通，PN結的單向導電性就 會失效。其實這正好與三極管的電流放大原理相矛盾。三極管的電流放大原理恰恰要求在放大狀態下Ic與Vc在數量上必須無關，Ic只能受控于Ib。 問題2：不能很好地說明三極管的飽和狀態。當三極管工作在飽和區時，Vc的值很小甚至還會低于Vb，此時仍然出現了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時，集電結仍然會出現反向導通的現象。這很明顯地與強調Vc的高電位作用相矛盾。 問題3：傳統講法第2步過于強調基區的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為是基區的足夠薄在支承三極管集電結的反向導通，只要基區足夠薄，集電結就可能會失去PN結的單向導電特性。這顯然與人們利用三極管內部兩個PN結的單向導電性，來判斷管腳名稱的經驗相矛盾。既使基區很薄，人們判斷管腳名稱時，也并沒有 發現因為基區的薄而導致PN結單向導電性失效的情況。基區很薄，但兩個PN結的單向導電特性仍然完好無損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根 據。 問題4：在第2步講解為什么Ic會受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會存在著一個固定的比例關系時，不能形象加以說明。只是從工藝上強調基區的薄與摻雜度低，不能從根本上說明電流放大倍數為什么會保持不變。 問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯系，不能實現內容上的自然過渡。甚至使人產生矛盾觀念，二極管原理強調PN結單向導電反向截止，而三極管原理則又要求PN結能夠反向導通。同時，也不能體現晶體三極管與電子三極管之間在電流放大原理上的歷史聯系。 二、新講解方法： 1、切入點： 要想很自然地說明問題，就要選擇恰當地切入點。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結構與原理都很簡單，內部一個PN結具有單向導電性，如 示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態，PN結截止。我們要特別注意這里的截止狀態，實際上PN結截止時，總是會有很小的漏電流存在，也就是說PN結總 是存在著反向關不斷的現象，PN結的單向導電性并不是百分之百。 為什么會出現這種現象呢?這主要是因為P區除了因“摻雜”而產生的多數載流子“空穴”之外，還總是會有極少數的本征載流子“電子”出現。N區也是一樣，除了 多數載流子電子之外，也會有極少數的載流子空穴存在。PN結反偏時，能夠正向導電的多數載流子被拉向電源，使PN結變厚，多數載流子不能再通過PN結承擔 起載流導電的功能。所以，此時漏電流的形成主要靠的是少數載流子，是少數載流子在起導電作用。 所以，如圖B，如果能夠在P區或N區人為地增加少數載流子的數量，很自然的漏電流就會人為地增加。其實，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結具有單向導電性。因此，光敏二極管工作時應加上反向電壓，如圖所示。當無光照時，電路中也有很小的反向飽和漏電流，一般為1×10-8 —1×10 -9A(稱為暗電流)，此時相當于光敏二極管截止;當有光照射時，PN結附近受光子的轟擊，半導體內被束縛的價電子吸收光子能量而被擊發產生電子—空穴對，這些載流子的數目，對于多數載流子影響不大，但對P區和N區的少數載流子來說，則會使少數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度的變化而相應變化。光電流通過負載RL時，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成電功能轉換的。 光敏二極管工作在反偏狀態，因為光照可以增加少數載流子的數量，因而光照就會導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實現人為地控制。 2、強調一個結論： 講到這里，一定要重點地說明PN結正、反偏時，多數載流子和少數載流子所充當的角色及其性質。正偏時是多數載流子載流導電，反偏時是少數載流子載流導電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN結顯示出單向電性。特別是要重點說明，反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。 為什么呢?大家知道PN結內部存在有一個因多數載流子相互擴散而產生的內電場，而內電場的作用方向總是阻礙多數載流子的正向通過，所以，多數載流子正向通過PN結時就需要克服內電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結正向導通的門電壓。而反偏時，內電場在電源作用下會被加強也就是PN結加厚，少數載流子反向通過PN結時，內電場作用方向和少數載流子通過PN結的方向一致，也就是說此時的內電場對于少數載流子的反向通過不僅不會有阻礙作用，甚至還會有幫助作用。 這就導致了以上我們所說的結論：反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。這個結論可以很好解釋前面提到的“問題2”，也就是教材后續內容要講到的三極管的飽和狀態。三極管在飽和狀態下，集電極電位很低甚至會接近或稍低于基極電位，集電結處于零偏置，但仍然會有較大的集電結的反向電流Ic產生。 3、自然過渡： 繼續討論圖B，PN結的反偏狀態。利用光照控制少數載流子的產生數量就可以實現人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會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區或者是P區少數載流子的數量，從而實現對PN結的漏電流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來實現對電流的控制(注2)。接下來重點討論P區，P區的少數載流子是電子，要想用電注入的方法向P區注入電子，最好的方法就是如圖C所示，在P區下面再用特殊工藝加一塊N型半導體(注3)。 圖C所示其實就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。為方便討論，以下我們對圖C中所示的各個部分的名稱直接采用與三極管相應的名稱(如“發射結”，“集電極”等)。再看示意圖C，圖中最下面的發射區N型半導體內電子作為多數載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發射區的電子注入或者說是發射到P區(基區)是很容易的，只要使發射結正偏即可。具體說就是在基極與發射極之間加上一個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，發射區的電子就會很容易地被發射注入到基區，這樣就實現對基區少數載流子“電子”在數量上的改變。 4、集電極電流Ic的形成： 如圖C，發射結加上正偏電壓導通后，在外加電壓的作用下，發射區的多數載流子——電子就會很容易地被大量發射進入基區。這些載流子一旦進入基區，它們在基區(P區)的性質仍然屬于少數載流子的性質。如前所述，少數載流子很容易反向穿過處于反偏狀態的PN結，所以，這些載流子——電子就會很容易向上穿過處于反偏狀態的集電結到達集電區形成集電極電流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射區載流子對基區的發射與注入，取決于這種發射與注入的程度。這種載流子的發射注入程度及乎與集電極電位的高低沒有什么關系。這正好能自然地說明，為什么三極管在放大狀態下，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關的原因。放大狀態下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是維持集電結的反偏狀態，以此來滿足三極管放大態下所需要外部電路條件。 對于Ic還可以做如下結論：Ic的本質是“少子”電流，是通過電子注入而實現的人為可控的集電結“漏”電流，因此它就可以很容易地反向通過集電結。 5、Ic與Ib的關系： 很明顯，對于三極管的內部電路來說，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書上常用的三極管電流放大原理示意圖。 看圖D，接著上面的討論，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無關，主要取決于發射區載流子對基區的發射注入程度。 通過上面的討論，現在已經明白，三極管在電流放大狀態下，內部的主要電流就是由載流子電子由發射區經基區再到集電區貫穿三極管所形成。也就是貫穿三極管的電流Ic主要是電子流。這種貫穿的電子流與歷史上的電子三極管非常類似。如圖E，圖E就是電子三極管的原理示意圖。電子三極管的電流放大原理因為其結構的直觀形象，可以很自然得到解釋。 如圖E所示，很容易理解，電子三極管Ib與Ic之間的固定比例關系，主要取決于電子管柵極(基極)的構造。當外部電路條件滿足時，電子三極管工作在放大狀態。在放大狀態下，穿過管子的電流主要是由發射極經柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時，很顯然柵極會對其進行截流，截流時就存在著一個截流比問題。截流比的大小，則主要與柵極的疏密度有關，如果柵極做的密，它的等效截流面積就大，截流比例自然就大，攔截下來的電子流就多。反之截流比小，攔截下來的電子流就少。柵極攔截下來的電子流其實就是電流Ib，其余的穿過柵極到達集電極的電子流就是Ic。 從圖中可以看出，只要柵極的結構尺寸確定，那么截流比例就確定，也就是Ic與Ib的比值確定。所以，只要管子的內部結構確定，的值就確定，這個比值就固定不變。 由此可知，電流放大倍數的β值主要與柵極的疏密度有關。柵極越密則截流比例越大，相應的β值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應的β值越高。 其實晶體三極管的電流放大關系與電子三極管類似。晶體三極管的基極就相當于電子三極管的柵極，基區就相當于柵網，只不過晶體管的這個柵網是動態的是不可見的。放大狀態下，貫穿整個管子的電子流在通過基區時，基區與電子管的柵網作用相類似，會對電子流進行截流。如果基區做得薄，摻雜度低，基區的空穴數就會少，那么空穴對電子的截流量就小，這就相當于電子管的柵網比較疏一樣。反之截流量就會大。很明顯只要晶體管三極管的內部結構確定，這個截流比也就確定。所以，為了獲大較大的電流放大倍數，使β值足夠高，在制作三極管時往往要把基區做得很薄，而且其摻雜度也要控制得很低。 與電子管不同的是，晶體管的截流主要是靠分布在基區的帶正電的“空穴”對貫穿的電子流中帶負電的“電子”中和來實現。所以，截流的效果主要取決于基區空穴的數量。而且，這個過程是個動態過程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時“空穴”又不斷地會在外部電源作用下得到補充。在這個動態過程中，空穴的等效總數量是不變的。基區空穴的總數量主要取決于摻“雜”度以及基區的厚薄，只要晶體管結構確定，基區空穴的總定額就確定，其相應的動態總量就確定。這樣，截流比就確定，晶體管的電流放大倍數的值就是定值。這就是為什么放大狀態下，三極管的電流Ic與Ib之間會有一個固定的比例關系的原因。 6、對于截止狀態的解釋： 比例關系說明，放大狀態下電流Ic按一個固定的比例受控于電流Ib，這個固定的控制比例主要取決于晶體管的內部結構。 對于Ib等于0的截止狀態，問題更為簡單。當Ib等于0時，說明外部電壓Ube太小，沒有達到發射結的門電壓值，發射區沒有載流子“電子”向基區的發射注入，所以，此時既不會有電流Ib，也更不可能有電流Ic。另外，從純數學的電流放大公式更容易推出結論，Ic=βIb，Ib為0，很顯然Ic也為0。 三、新講法需要注意的問題： 以上，我們用了一種新的切入角度，對三極管的原理在講解方法上進行了探討。特別是對晶體三極管放大狀態下，集電結為什么會反向導電形成集電極電流做了重點討論，同時，對三極管的電流放大倍數為什么是定值也做了深入分析。這種講解方法的關鍵，在于強調二極管與三極管在原理上的聯系。 其實，從二極管PN的反向截止特性曲線上很容易看出，只要將這個特性曲線轉過180度，如圖F所示，它的情形與三極管的輸出特性非常相似，三極管輸出特性如圖G所示。這說明了二極管與三極管在原理上存在著很必然的聯系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點，從PN結的偏狀態入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會使問題變得淺顯易懂生動形象，前后內容之間自然和諧順理成章。 這種講法的不足點在于，從PN結的漏電流入手講起，容易造成本征漏電流與放大電流在概念上的混肴。所以，在后面講解晶體管輸入輸出特性曲線時，應該注意強調說明本征載流子與摻雜載流子的性質區別。本征載流子對電流放大沒有貢獻，本征載流子的電流對晶體管的特性影響往往是負面的，是需要克服的。晶體管電流放大作用主要靠摻雜載流子來實現。要注意在概念上進行區別。 另外，還要注意說明，從本質上晶體內部有關載流子的問題其實并不簡單，它涉及到晶體的能級分析能帶結構，以及載流子移動的勢壘分析等。所以，并不是隨便找一種或兩種具有載流子的導體或半導體就可以制成PN結，就可以制成晶體管，晶體管實際的制造工藝也并不是如此簡單。這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下，試圖把問題盡量地簡化，盡量做到淺顯易懂，以便于理解與接受。這才是這種講解方法的主要意義所在。 |
