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1、晶体三极管工作原理讲解方法探讨（原创）原作者：郑州电缆技工学校郑老师晶体三极管作为一个常用器件，是构成现代电子世界的重要基石。然而，传 统的教科书对其工作原理的讲述却存在有很大问题，使初学者对三极管的工作原 理无法正常理解，感到别扭与迷茫。晶体三极管原理问题的关键在于：集电结为什么会反向导通?这与晶体二极 管原理中强调的PN结单向导电特性（反向截止）严重矛盾。三极管原理，传统讲解方法中存在的问题概括起来主要有以下三点：1严重割裂晶体二极管与三极管在原理上的自然联系。没有真正说明三极管 集电结为何会发生反偏导通并产生Ic?这看起来与二极管原理强调的PN结单向 导电性相矛盾。2不能说明放大状态下集
2、电极电流Ic为什么只受控于电流Ib而与电压无 关； 即：Ic 与 Ib 之间为什么存在着一个固定的放大倍数 B 关系。3不能说明饱和状态下，Vc电位很弱的情况下，为什么集电结仍然会反向 导通并且有反向大电流Ic通过。很多教科书对于这部分内容，在讲解方法上都存在有很大问题。有一些针对 初、中级学者的普及性教科书，干脆采用了回避的方法，只给出结论却不讲原因。 既使专业性很强的教科书，采用的讲解方法大多也存在有很值得商榷的问题。这 些问题集中表现在讲解方法的切入角度不恰当，致使逻辑混乱，讲解内容前后矛 盾，甚至造成讲了还不如不讲的效果，使很多初学者常常产生一头雾水的感觉。笔者根据多年的总结思考与教学
3、实践，对于这部分内容摸索出了一个适合于 自己教学的新讲解方法，并通过具体的教学实践收到了一定效果。虽然新的讲解 方法也肯定会有所欠缺，但本人还是怀着与同行共同探讨的愿望不揣冒昧把它写 出来，以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。一、传统讲法及问题：传统讲法一般分三步，以NPN型为例（以下所有讨论皆以NPN型硅管为例）， 如示意图A“l发射区向基区注入电子；2电子在基区的扩散与复合；3集电 区收集由基区扩散过来的电子。”注1Vc丄（图A）问题 1：这种讲解方法在第 3 步中，讲解集电极电流 Ic 的形成原因时，不 是着重地从载流子的性质方面说明集电结的反偏导通，从而产生了 Ic,而是极 不恰当
4、地着重地强调了 Vc 的高电位作用，同时又强调基区的薄。这种强调很容 易使人产生误解以为只要 Vc 足够大基区足够薄，集电结就可以反向导通， PN 结的单向导电性就会失效。这是让初学者很容易产生一系列模糊认识的根 源。这正好与三极管的电流放大原理严重地矛盾。三极管的电流放大原理恰恰 要求在放大状态下Ic与V在数量上必须无关，Ic只能受控于Ibo问题 2：不能很好地说明三极管的饱和状态。当三极管工作在饱和区时， Vc 的值很小甚至低于Vb,此时仍然出现了很大的反向饱和电流Ic,也就是说在Vc 很小时，集电结仍然会出现反向导通的现象。这很明显地与传统讲法中强调Vc 的高电位作用这种说法相矛盾。问题
5、 3：传统讲法第 2 步过于强调基区的薄,还容易给人造成这样的误解, 以为只要基区足够薄，集电结就可能会失去PN结的典型特性一一单向导电。这 显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性，来判断三极管管脚名称（e、 b、c）的经验相矛盾。既使基区很薄，人们判断管脚名称时，也并没有发现因为 基区的薄而导致PN结单向导电性失效的情况。基区很薄，但两个PN结的单向导 电特性仍然完好无损，这才使得人们有了判断三极管管脚名称的办法和根据。问题4：在第2步讲解为什么Ic会受Ib控制，并且Ic与Ib之间为什么会 存在着一个固定的比例关系时，不能形象说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺 杂度低，不能从道理上根
6、本性的说明电流放大倍数0什么会保持不变的原因。P 区 0*0 o o c问题 5：割裂二极管与三极管在原理上的自然联系，无法实现内容上的自然 过渡。甚至使人产生很矛盾的感觉，二极管原理强调 PN 结的正向导电反向截止， 而三极管原理则又要求 PN 结能够反向导通，这让人很难接受。同时，也不能体 现晶体三极管与电子三极管之间在电流放大原理上的历史联系。二、新讲解方法：1 切入点：要想很自然地说明问题，就要选择恰当的切入点。讲三极管的原理我们从二 极管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单，内部一个 PN 结具有单向 导电性，如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。我们要特别 注
7、意这里的截止状态，实际上 PN 结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就 是说 PN 结总是存在着反向关不断的现象， PN 结的单向导电性并不是百分之百。为什么会出现这种现象呢？这主要是因为 P 区除了因“掺杂”而产生的多 数载流子“空穴”之外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”出现。 N 区也 是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。 PN 结反 偏时，能够正向导电的多数载流子被拉向电源，使 PN 结变厚，多数载流子不能 再通过 PN 结承担起载流导电的功能。所以，此时漏电流的形成主要靠的是少数 载流子，是少数载流子在起导电作用。反偏时，少数载流子在电源的作用下能够
8、很容易地反向穿过 PN 结形成漏电流。漏电流只所以很小，是因为少数载流子的 数量太少。很明显，此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果要想人为地 增加漏电流，只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所以，如图B,如 果能够在 P 区或 N 区人为地增加少数载流子的数量，很自然的漏电流就会人为地 增加。其实，光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管工作在反偏状态，因为光 照可以增加少数载流子的数量，因而光照就会导致反向漏电流的改变，人们就是 利用这样的道理制作出了光敏二极管（见下图）。既然此时漏电流的增加是人为的，那么漏电流的增加部分也就很容易能够实 现人为地控制。2 强调一个结论：讲到这
9、里，一定要重点地说明PN结正、反偏时，多数载流子和少数载流子 所充当的角色及其性质。正偏时是多数载流子载流导电，反偏时是少数载流子载 流导电。所以，正偏电流大，反偏电流小，PN结显示出单向电性。特别要重点说明，反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正 偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。即：PN结反偏时，截止的只是多数载流子的电流。而对于少数截流子的通 过，PN结不仅不截止，一定程度上反而还会更加容易。为什么呢？大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的 内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以，多数载流 子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，
10、需要约0.7伏的外加电压，这也 是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN 结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN 结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻 碍作用，甚至还会有帮助作用。这就导致了以上我们所说的结论：反偏时少数载 流子反向通过PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容 易。这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”，也就是教科书后续内容中要 讲到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下，集电极电位接近或稍低于基极 电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic
11、产生。3 自然过渡：继续讨论图B，PN结的反偏状态。利用光照控制少数载流子的产生数量就可 以实现人为地控制漏电流的大小。既然如此，人们自然也会想到能否把控制的方 法改变一下，不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的 数量，从而实现对PN结的漏电流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用 “电”的方法来实现对电流的控制。注2接下来重点讨论图B中的P区。重点看P区，P区的少数载流子是电子，要 想用电注入的方法向 P 区注入电子，最好的方法就是如图 C 所示，在 P 区下面再 用特殊工艺加一块 N 型半导体注3。图 C 所示其实就是 NPN 型晶体三极管的雏形， 其相应各部分的名称以
12、及功能与三极管完全相同。为方便讨论，以下我们对图 C 中所示的各个部分的名称直接采用与三极管相应的名称（如“发身结”，“集电 极”等）。再看示意图C，图中最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量 存在，而且，如图 C 中所示，要将发射区的电子注入或者说是发射到 P 区（基区） 也是很容易的，只要使发射结正偏即可。具体说就是在基极与发射极之间加上一 个足够的正向的门电压（约为 0.7 伏）就可以了。在外加门电压作用下，发射区 的电子就会很容易地被发射注入到基区，这样就实现了对基区少数载流子 “电子”的注入，使其在数量上发生改变。4 集电极电流 Ic 的形成：如图C,发射结加上正偏电压导通
13、后，在外加电压的作用下，发射区的多数 载流子电子就会很容易地被大量发射进入基区。这些载流子一旦进入基区， 它们在基区（P区）的身份仍然属于少数载流子的性质。如前所述，少数载流子 很容易反向穿过处于反偏状态的 PN 结。所以，这些载流子电子就会很容易 向上穿过处于反偏状态的集电结到达集电区形成集电极电流Ic。由此可见，集 电极电流的形成并不是一定要靠集电极的高电位。集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基区的注入，取决于这 种发射与注入的程度。这种载流子的发射注入程度几乎与集电极电位的高低没有 什么关系。这正好能自然地说明，为什么三极管在放大状态下，集电极电流 Ic 的大小与集电极电位
14、Vc 在数量上无关的原因。放大状态下 Ic 并不受控于 Vc， Vc 的作用主要是维持集电结的反偏状态，以 此来满足三极管放状态下所需要的外部条件。对于Ic还可以做如下结论：Ic的本质是“少数载流子”电流，是通过电注 入方法而实现的人为可控的集电结“漏”电流。这就是Ic为什么会很容易反向 穿过集电结的原因。5 Ic 与 Ib 的关系：很明显，对于三极管的内部电路来说，图 C 与图 D 是完全等效的。图 D 就是 教科书上常用的三极管电流放大原理示意图。看图D,接着上面的讨论，集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关，主 要取决于发射区载流子对基区的注入程度。通过上面的讨论，现在已经明白， NP
15、N 型三极管在电流放大状态下，内部的 电流主要就是由发射区经基区再到集电区贯穿整个三极管的“电子”流。也就是 说贯穿三极管的电流 Ic 主要是“电子”流。这种贯穿的电子流，其情形与历史 上的电子三极管非常类似。如图E,图E就是电子三极管的原理示意图。电子三 极管的电流放大原理因为其结构的直观、形象，可以很容易很自然地得到解释。如图E所示，很容易理解，电子三极管Ib与Ic之间的固定比例关系，主要 取决于电子管栅极（基极）的构造。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在 放大状态。穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流 在穿越栅极时，栅极会对其进行截流。截流时就存在着一个截流比
16、问题。很明显，截流比的大小，则主要与栅极的疏密度有关。如果栅极做的密，它 的等效截流面积就大，截流比例自然就大，拦截下来的电子流就多。反之截流比 小，拦截下来的电子流就少。栅极拦截下来的电子流其实就是电流Ib,其余的穿过栅极到达集电极的电 子流就是Ic。从图中可以看出，只要栅极的结构尺寸确定，那么截流比例就确 定，也就是Ic与Ib的比值确定。所以，只要管子的内部结构确定，这个比值就 确定，就固定不变。由此可知，电流放大倍数的P值主要与栅极的疏密度有关。 栅极越密则截流比例越大，相应的p值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应 的p值越高。晶体三极管的电流放大关系与电子三极管在这一点上极其类似。晶体三极管的基极就相当于电子三极管的栅极，基区就相当于栅网，只不过 晶体管的这个栅网是动态的是不可见的。放大状态下，贯穿整个管子的
