新方法講解三極管工作原理

光敏二極管工作在反偏狀態(tài)，因?yàn)楣庹湛梢栽黾由贁?shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會(huì)導(dǎo)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(shí)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?qū)崿F(xiàn)人為地控制。

2、強(qiáng)調(diào)一個(gè)結(jié)論：

講到這里，一定要重點(diǎn)地說(shuō)明PN結(jié)正、反偏時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當(dāng)?shù)慕巧捌湫再|(zhì)。正偏時(shí)是多數(shù)載流子載流導(dǎo)電，反偏時(shí)是少數(shù)載流子載流導(dǎo)電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN結(jié)顯示出單向電性。特別是要重點(diǎn)說(shuō)明，反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過(guò)PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)還要容易。

為什么呢?大家知道PN結(jié)內(nèi)部存在有一個(gè)因多數(shù)載流子相互擴(kuò)散而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)，而內(nèi)電場(chǎng)的作用方向總是阻礙多數(shù)載流子的正向通過(guò)，所以，多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)時(shí)就需要克服內(nèi)電場(chǎng)的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T(mén)電壓。而反偏時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)在電源作用下會(huì)被加強(qiáng)也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過(guò)PN結(jié)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)作用方向和少數(shù)載流子通過(guò)PN結(jié)的方向一致，也就是說(shuō)此時(shí)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)于少數(shù)載流子的反向通過(guò)不僅不會(huì)有阻礙作用，甚至還會(huì)有幫助作用。

這就導(dǎo)致了以上我們所說(shuō)的結(jié)論：反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過(guò)PN結(jié)是很容易的，甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過(guò)PN結(jié)還要容易。這個(gè)結(jié)論可以很好解釋前面提到的“問(wèn)題2”，也就是教材后續(xù)內(nèi)容要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位很低甚至?xí)咏蛏缘陀诨鶚O電位，集電結(jié)處于零偏置，但仍然會(huì)有較大的集電結(jié)的反向電流Ic產(chǎn)生。

3、自然過(guò)渡：

繼續(xù)討論圖B，PN結(jié)的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數(shù)載流子的產(chǎn)生數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會(huì)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(lái)增加N區(qū)或者是P區(qū)少數(shù)載流子的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PN結(jié)的漏電流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制(注2)。接下來(lái)重點(diǎn)討論P(yáng)區(qū)，P區(qū)的少數(shù)載流子是電子，要想用電注入的方法向P區(qū)注入電子，最好的方法就是如圖C所示，在P區(qū)下面再用特殊工藝加一塊N型半導(dǎo)體(注3)。

圖C所示其實(shí)就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應(yīng)各部分的名稱(chēng)以及功能與三極管完全相同。為方便討論，以下我們對(duì)圖C中所示的各個(gè)部分的名稱(chēng)直接采用與三極管相應(yīng)的名稱(chēng)(如“發(fā)射結(jié)”，“集電極”等)。再看示意圖C，圖中最下面的發(fā)射區(qū)N型半導(dǎo)體內(nèi)電子作為多數(shù)載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發(fā)射區(qū)的電子注入或者說(shuō)是發(fā)射到P區(qū)(基區(qū))是很容易的，只要使發(fā)射結(jié)正偏即可。具體說(shuō)就是在基極與發(fā)射極之間加上一個(gè)足夠的正向的門(mén)電壓(約為0.7伏)就可以了。在外加門(mén)電壓作用下，發(fā)射區(qū)的電子就會(huì)很容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子“電子”在數(shù)量上的改變。

4、集電極電流Ic的形成：

如圖C，發(fā)射結(jié)加上正偏電壓導(dǎo)通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——電子就會(huì)很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區(qū)。這些載流子一旦進(jìn)入基區(qū)，它們?cè)诨鶇^(qū)(P區(qū))的性質(zhì)仍然屬于少數(shù)載流子的性質(zhì)。如前所述，少數(shù)載流子很容易反向穿過(guò)處于反偏狀態(tài)的PN結(jié)，所以，這些載流子——電子就會(huì)很容易向上穿過(guò)處于反偏狀態(tài)的集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)形成集電極電流Ic。

由此可見(jiàn)，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(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射與注入，取決于這種發(fā)射與注入的程度。這種載流子的發(fā)射注入程度及乎與集電極電位的高低沒(méi)有什么關(guān)系。這正好能自然地說(shuō)明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic與集電極電位Vc的大小無(wú)關(guān)的原因。放大狀態(tài)下Ic并不受控于Vc，Vc的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)，以此來(lái)滿(mǎn)足三極管放大態(tài)下所需要外部電路條件。

對(duì)于Ic還可以做如下結(jié)論：Ic的本質(zhì)是“少子”電流，是通過(guò)電子注入而實(shí)現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流，因此它就可以很容易地反向通過(guò)集電結(jié)。

5、Ic與Ib的關(guān)系：

很明顯，對(duì)于三極管的內(nèi)部電路來(lái)說(shuō)，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書(shū)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(wú)關(guān)，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射注入程度。

通過(guò)上面的討論，現(xiàn)在已經(jīng)明白，三極管在電流放大狀態(tài)下，內(nèi)部的主要電流就是由載流子電子由發(fā)射區(qū)經(jīng)基區(qū)再到集電區(qū)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(lèi)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?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的直觀(guān)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(guān)系，主要取決于電子管柵極(基極)的構(gòu)造。當(dāng)外部電路條件滿(mǎn)足時(shí)，電子三極管工作在放大狀態(tài)。在放大狀態(tài)下，穿過(guò)管子的電流主要是由發(fā)射極經(jīng)柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時(shí)，很顯然柵極會(huì)對(duì)其進(jìn)行截流，截流時(shí)就存在著一個(gè)截流比問(wèn)題。截流比的大小，則主要與柵極的疏密度有關(guān)，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(lái)的電子流就多。反之截流比小，攔截下來(lái)的電子流就少。柵極攔截下來(lái)的電子流其實(shí)就是電流Ib，其余的穿過(guò)柵極到達(dá)集電極的電子流就是Ic。