三極管原理介紹（很詳細）

ID:117428 · 發表于 2016-4-28 22:51

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。
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。反偏時，少數載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN結形成漏電流。漏電流只所以很小，是因為少數載流子的數量太少。很明顯，此時漏電流的大小主要取決于少數載流子的數量。如果要想人為地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時少數載流子的數量即可。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。

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