三極管電流放大原理教學的改進

羅國慶

三極管電流放大原理是教學的難點，一些現行教材僅通過分析實驗數據歸納得出結論，不涉及對三極管導電本質的揭示，使學生對三極管集電結反偏，集電極電流就應該為零，但是實際情況是，三極管還能使電流放大這一矛盾不能理解。為此筆者改進了對此課題的教學。

三極管電流放大原理指如圖1所示電路（以NPN型管為例）中管子三個極電流的關系：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用三極管的前提條件，是電子技術基礎學習的重點和難點內容之一。

筆者發現，一些現行教材在闡述三極管電流放大原理時，僅通過分析實驗數據歸納得出結論，不涉及對三極管導電本質的揭示，難免使學生知其然不知其所以然，甚至連管內電流的流通都未必弄清，產生 “發射結正偏，三極管輸入電流能順利通過，而輸出電路集電極電流通過了反偏的集電結是否與PN結的單向導電性（即PN結加正向電壓時導通，加反向電壓時截止）發生矛盾”等疑惑，這形成了一道入門的學習屏障，不僅使后續內容學習困難，而且還會挫傷他們的學習積極性，為此筆者改進了對此課題的教學。

筆者針對基礎較一般的那部分學生著重指出：三極管之所以具有這種電流分配與放大作用，主要是由其內部結構特點（工藝條件）決定的，而對其電路中電流的形成則明確指出電路中導電的多數載流子的屬性，例如圖1電路中并非是來自電源正極的正電荷，而是來自管子發射區（與電源負極相連）起擴散作用的負電荷自由電子，僅做這兩點說明或交代盡管簡略，卻為基本上打消學生疑慮做出了回應，使學生的認識過程發生了一個飛躍；而對另一部分基礎較好的學生則加強進一步輔導，主要從以下兩個方面強化對三極管電流放大原理的闡述。

1 從內部結構入手，分析三極管的電流放大原理

第一，根據三極管的內部結構，理解各區載流子的特點。

學習三極管的電流放大原理時，由于我們已經學習了二極管，并對載流子、晶體管有了一定的認識，知道PN結是晶體管一個重要結構，所謂PN結就是在硅或者鍺單晶基片上，加工出P型區和N型區，在兩個電極之間，即P型區和N型區的結合部，是一個特殊的薄層，這個薄層就稱為PN結。而PN結有一個重要的特性，就是單向導電性，PN結加正向電壓時導通，加反向電壓時截止。

晶體三極管是由兩個相距很近的PN結組成的。我們可以利用EWB仿真軟件，驗證三極管內部由兩個PN結組成。通過觀察小燈泡發光與否，可以得出三極管B極與C極，B極與E極之間具有單向導電性，這種演示比用萬用表測量還要形象生動，可觀性強，給學生很強的視覺效果。兩個PN結將三極管分成三個區，就是發射區、基區和集電區。根據三極管內部三個區域半導體類型的不同，三極管可分為PNP型三極管和NPN型三極管。如果基區是N型半導體，發射區和集電區就是P型半導體，則此三極管為PNP型三極管。如果基區為P型半導體，發射區和集電區就是N型半導體，則此三極管為NPN型三極管。

在三極管制造的過程中，對三極管的三個區域，即發射區、基區、集電區都有一定的工藝要求，必須保證他們具有以下特點：

①發射區摻雜濃度較大，以利于發射區向基區發射載流子。

②基區很薄，摻雜少，這樣載流子易于通過。

③集電極比發射區體積大且摻雜少，利于收集載流子。

所以說三極管并不是兩個PN結的簡單結合，它不能用兩個二極管來代替，也不能將三極管的發射極和集電極顛倒使用。

第二，以二極管導電為基礎，結合三極管結構特點，對三極管內部電流的形成和分配進行分析。在對二極管即PN結單向導電性做表象分析時，鋪墊拓寬半導體導電基礎，建立本征半導體、摻雜半導體、自由電子與空穴、多數載流子與少數載流子、擴散運動與漂移運動以及復合等基本概念，直至理解PN結單向導電性的物理過程。特別指出：PN結對于二極管而言類似于一個開關，其正偏時通過較大電流相當于開關的接通，但其反偏時通過微小電流相當于開關的關斷只是忽略與近似，二極管作為一種特殊的電子開關，其反偏截止關不斷，仍存在少數載流子漂移產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的一個重要支撐。

聯系三極管的基本結構及其“三區”“兩結”的摻雜濃度、結面積、尺寸差異等特點，在對管內電流的形成及分配強化分析（參見圖2）時，首先指出本電路中形成載流子導電主流的多數載流子是帶負電的自由電子，而不是來自電源的正電荷。有前面知識鋪墊，接下來揭示三極管電流放大電路中電流的形成，主要是基于發射結正偏多數載流子的擴散以及集電結反偏少數載流子的漂移運動這樣兩個認識基本點，而認知的關鍵則是由發射區擴散進入基區（被復合掉的除外）并到達集電結邊緣的那絕大部分載流子性質的轉變，即由多數載流子轉變為少數載流子。指出其電流分配與放大依其內部結構特點而定，由于基區摻雜濃度低，空穴數目少，由發射區擴散而來被復合掉的自由電子少，產生的基極電流就小，又由于基區尺寸薄，雖然集電結反偏，內電場在電源的作用下，集電結PN結變寬，多數載流子被截止，但是少數載流子反向通過，集電結PN結不僅不截止，反而更容易通過。發射區擴散進入基區并沖到集電極邊緣的自由電子數目大，但性質已轉變為少數載流子，由這些少數載流子漂移進入集電區形成的集電極電流就大。這里要強調的是，集電極電流的大小，主要取決于發射區載流子對基區的注入程度，與集電極電源電壓大小沒有太大關系，集電極電源電壓大小只要維持集電結反偏就行。我們從三極管的輸出特性曲線知道，發射極電壓VCE變大，但集電極電流IC基本保持不變，這就驗證了集電極電流大小取決于發射區載流子對基區的注入程度，與VCE沒有太大關系。發射極電流如此分流，三電流關系如上面公式所示，即發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系，至于管內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，這就使學生基本上明確了三極管內電流的形成與分配，對“輸出電路集電極電流通過了反偏的集電結是否與PN結的單向導電性發生矛盾”等質疑也就迎刃而解了。

第三，通過巧設實例，對三極管的電流放大（控制）作用做形象化的解釋。

上面主要分析了三極管內電流的形成與分配，為了加強學生對三極管電流放大原理的認識，在以實驗分析三極管電流放大原理的同時，對三極管的電流放大（控制）作用可進一步做如下的解釋：當改變基極偏置電阻使基極電流IB改變時，實質是在改變基極與發射極之間的電壓UBE，這必然引起發射結寬度（PN結內電場）的變化。以NPN型三極管為例，根據三極管的制造工藝特點，由于發射區雜質濃度較高，所以大量自由電子因擴散運動從發射區到達基區。擴散到基區的自由電子與基區的空穴相結合，形成IB電流。由于基區很薄，濃度低，自由電子與空穴結合的就很少，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β，在制作三極管時就把基區做得很薄，并且摻雜濃度很低。

當UBE很小時，低于發射結的門檻電壓，發射結截止，發射區就沒有載流子向基區發射，三極管截止，IB、IC為零。當UBE電壓大于門檻電壓時，發射區就有載流子通過發射結形成基極電流IB，IB增大從基區多拉走兩個電子即基區多形成兩個空穴，反映到宏觀上就是IB產生了兩個單位的增量。但IB增大使發射結變窄的結果使發射區向基區多發射了50個電子，這50個電子只有2個與基區多增加的空穴復合，其余48個都到達了集電區，在宏觀上就是IC產生了48個增量，這就是一個小的基極電流控制了一個大的集電極電流的原因。這時教師可用計算機制作動畫，逼真地模仿出三極管放大狀態下內部載流子的運動和結合過程以及電子和空穴的運動軌跡，生動形象地展現在學生面前，加深學生對三極管微觀世界的認識，同時也能讓學生理解三極管三個腳的電流關系，以及電流的放大關系。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這三個電流。由于IC=βIB，所以當調節RB改變基極電流IB時IC也隨之變化，即很小的IB控制著比它大β倍的IC，但IC不是由三極管產生的，而是由電源VCC在IB的控制下提供的，所以說三極管起著能量轉換作用。由于分析基于半導體導電的微觀機制，使基礎較好這部分學生對這一問題的認識得到了深化。

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，我們將三極管接成共發射極放大電路，同時使三極管的發射結加正向電壓、集電結加反向電壓，使三極管的發射結正偏，集電結反偏，剛剛我們已經從三極管的內部條件給出了解釋。根據教材實驗電路，給出實驗設備和材料，由學生自己動手搭建電路，進行三極管電流放大電路的實驗。搭建電路時，要強調萬用表的正確使用，電流表的正負極、電源的正負極都不能接反，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。學生根據實驗要求一邊做實驗，一邊記錄數據，通過實驗數據進行分析、討論、總結，得出實驗結果，并找出其中的規律。通過老師的點撥、引導，共同探討三極管的電流放大關系，β=△IC/△IB，得出三極管具有電流放大作用的特性。實驗過程中，要進行分組，小組分工要明確各人責職，嚴格要求學生規范操作，遇到問題可以小組集體討論，這樣有助于提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，提高學生的動手能力，提高學生與他人溝通和合作的能力。

通過從上面兩個方面的分析，讓學生掌握了三極管的內部構造，三極管的電流放大的外部條件以及三極管的放大原理，特別是三極管內部載流子的運動情況，理清了集電結反偏時載流子也能通過，為我們今后學習各種放大電路、收音機、音響等打下了堅實的基礎。另外，通過多媒體教學，大大地提高了教學的容量。創設情境能幫助學生對三極管微觀世界的理解，能夠把抽象變具體，克服了學生對未知抽象知識的恐懼，促進了學生的認知水平，提高了教學效率。通過實驗操作，提高了學生的動手能力，課堂師生互動、生生互動，充分調動了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛，讓學生對三極管的電流放大作用有了深刻的認識，同時也培養了學生們敢于動手操作，善于思考的習慣，培養學生成為一個合格的技能型人才。

學習電子線路，其中三極管電流放大的原理這一節既是重點，也是難點。同時三極管前面講的二極管的知識，后面學習的是三極管的單級放大電路，那么三極管這一章就是一個承上啟下的作用，而三極管的電流放大原理又是三極管這一章的重點，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。對中職中專教育層次，我們宜采取上述以簡略交代說明為主的改進式教學方式，而對高職高專教育層次宜采取以上述加強輔導強化分析為主的改進式教學方式，根據職業教育的實際情況，實現不同層次的教學要求。

（作者單位：江蘇省海安中等專業學校）