三極管的疑難問題詳解

程琪

◆摘? 要：在三極管的學習中，學生總是感到有一些困惑，如集電結和發射結的偏置狀態，三極管的三個工作狀態，三極管中電流的流向等。文章從PN結的角度入手，使問題變得淺顯易懂生動形象，學生能夠更好地理解這些問題。

◆關鍵詞：三極管;PN結;電壓;電流

在高三復習階段，三極管始終是一個學生感覺的難點問題，三極管電路也是常考的熱點。有學生在學習的過程中會有這樣的困惑：三極管在飽和狀態下，集電極是正偏的，為何電流是從集電極流下？那么如何解釋這個問題，能讓學生更好地去理解呢？本文會解決下面這三個問題：

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？Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數關系？

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？

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^（-9）A（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。

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結顯示出單向導電性。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。

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。

接下去繼續討論圖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。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。

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。

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。

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。

參考文獻

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