重新理解三極管的關(guān)鍵問(wèn)題

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?？磮DD，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。從圖中可以看出，只要柵極的結(jié)構(gòu)尺寸確定，那么截流比例就確定，也就是Ic 與Ib 的比值確定。所以，只要管子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，的值就確定，這個(gè)比值就固定不變。由此可知，電流放大倍數(shù)的β值主要與柵極的疏密度有關(guān)。柵極越密則截流比例越大，相應(yīng)的β值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應(yīng)的β值越高。其實(shí)晶體三極管的電流放大關(guān)系與電子三極管類似。晶體三極管的基極就相當(dāng)于電子三極管的柵極，基區(qū)就相當(dāng)于柵網(wǎng)，只不過(guò)晶體管的這個(gè)柵網(wǎng)是動(dòng)態(tài)的是不可見(jiàn)的。放大狀態(tài)下，貫穿整個(gè)管子的電子流在通過(guò)基區(qū)時(shí)，基區(qū)與電子管的柵網(wǎng)作用相類似，會(huì)對(duì)電子流進(jìn)行截流。如果基區(qū)做得薄，摻雜度低，基區(qū)的空穴數(shù)就會(huì)少，那么空穴對(duì)電子的截流量就小，這就相當(dāng)于電子管的柵網(wǎng)比較疏一樣。反之截流量就會(huì)大。很明顯只要晶體管三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，這個(gè)截流比也就確定。所以，為了獲大較大的電流放大倍數(shù)，使β值足夠高，在制作三極管時(shí)往往要把基區(qū)做得很薄，而且其摻雜度也要控制得很低。

與電子管不同的是，晶體管的截流主要是靠分布在基區(qū)的帶正電的“空穴”對(duì)貫穿的電子流中帶負(fù)電的“電子”中和來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，截流的效果主要取決于基區(qū)空穴的數(shù)量。而且，這個(gè)過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時(shí)“空穴”又不斷地會(huì)在外部電源作用下得到補(bǔ)充。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空穴的等效總數(shù)量是不變的?；鶇^(qū)空穴的總數(shù)量主要取決于摻“雜”度以及基區(qū)的厚薄，只要晶體管結(jié)構(gòu)確定，基區(qū)空穴的總定額就確定，其相應(yīng)的動(dòng)態(tài)總量就確定。這樣，截流比就確定，晶體管的電流放大倍數(shù)的值就是定值。這就是為什么放大狀態(tài)下，三極管的電流Ic 與Ib 之間會(huì)有一個(gè)固定的比例關(guān)系的原因。

6、對(duì)于截止?fàn)顟B(tài)的解釋：

例關(guān)系說(shuō)明，放大狀態(tài)下電流Ic 按一個(gè)固定的比例受控于電流Ib，這個(gè)固定的控制比例主要取決于晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)于Ib 等于0 的截止?fàn)顟B(tài)，問(wèn)題更為簡(jiǎn)單。當(dāng)Ib 等于0 時(shí)，說(shuō)明外部電壓Ube 太小，沒(méi)有達(dá)到發(fā)射結(jié)的門(mén)電壓值，發(fā)射區(qū)沒(méi)有載流子“電子”向基區(qū)的發(fā)射注入，所以，此時(shí)既不會(huì)有電流Ib，也更不可能有電流Ic。另外，從純數(shù)學(xué)的電流放大公式更容易推出結(jié)論，Ic=βIb，Ib 為0，很顯然Ic 也為0。

三、新講法需要注意的問(wèn)題：

以上，我們用了一種新的切入角度，對(duì)三極管的原理在講解方法上進(jìn)行了探討。特別是對(duì)晶體三極管放大狀態(tài)下，集電結(jié)為什么會(huì)反向?qū)щ娦纬杉姌O電流做了重點(diǎn)討論，同時(shí)，對(duì)三極管的電流放大倍數(shù)為什么是定值也做了深入分析。這種講解方法的關(guān)鍵，在于強(qiáng)調(diào)二極管與三極管在原理上的聯(lián)系。

其實(shí)，從二極管PN 的反向截止特性曲線上很容易看出，只要將這個(gè)特性曲線轉(zhuǎn)過(guò)180 度，如圖F 所示，它的情形與三極管的輸出特性非常相似，三極管輸出特性如圖G 所示。這說(shuō)明了二極管與三極管在原理上存在著很必然的聯(lián)系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點(diǎn)，從PN 結(jié)的偏狀態(tài)入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會(huì)使問(wèn)題變得淺顯易懂生動(dòng)形象，前后內(nèi)容之間自然和諧順理成章。這種講法的不足點(diǎn)在于，從PN 結(jié)的漏電流入手講起，容易造成本征漏電流與放大電流在概念上的混肴。所以，在后面講解晶體管輸入輸出特性曲線時(shí)，應(yīng)該注意強(qiáng)調(diào)說(shuō)明本征載流子與摻雜載流子的性質(zhì)區(qū)別。本征載流子對(duì)電流放大沒(méi)有貢獻(xiàn)，本征載流子的電流對(duì)晶體管的特性影響往往是負(fù)面的，是需要克服的。晶體管電流放大作用主要靠摻雜載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)。要注意在概念上進(jìn)行區(qū)別。另外，還要注意說(shuō)明，從本質(zhì)上晶體內(nèi)部有關(guān)載流子的問(wèn)題其實(shí)并不簡(jiǎn)單，它涉及到晶體的能級(jí)分析能帶結(jié)構(gòu)，以及載流子移動(dòng)的勢(shì)壘分析等。所以，并不是隨便找一種或兩種具有載流子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體就可以制成PN 結(jié)，就可以制成晶體管，晶體管實(shí)際的制造工藝也并不是如此簡(jiǎn)單。這樣的講解方法主要是在不違