而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向
发布时间:2018-10-26 14:39

  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。

  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。

  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。“1 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。”

  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Vc在数量上必须无关,Ic只能受控于Ib。

  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,不能从道理上根本性的说明电流放大倍数什么会保持不变的原因。

  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。

  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。

  讲到这里,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,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产生。

  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。

  如图C,发射结加上正偏电压导通后,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。

  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,NPN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,相应的值越低,栅极越疏则截流比例越小,相应的值越高。

  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,贯穿整个管子的电子流在通过基区时,分布在基区的空穴其作用与电子管的栅网作用相类似,会对电子流进行截流。如果基区做得薄,掺杂度低,基区的空穴数少,那么空穴对电子的截流量就小,这就相当于电子管的栅网比较疏一样。反之截流量就会大。很明显只要晶体管三极管的内部结构确定,这个截流比也就确定。所以,为了获大较大的电流放大倍数,使值足够高,在制作三极管时才常常要把基区做得很薄,而且其掺杂度也要控制得很低。

  与电子管不同的是,晶体管的截流主要是靠带正电的“空穴”不断地与带负电的“电子”的中和来实现。所以,截流的效果主要取决于基区空穴的数量。而且,这个过程是个动态过程,“空穴”不断地与“电子”中和,同时“空穴”又会不断地在外部电源作用下得到补充。

  在这个动态过程中,空穴的等效总数量是不变的。基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄,只要晶体管结构确定,基区空穴的总定额就确定,其相应的动态总量就确定。这样,截流比就确定,晶体管的电流放大倍数值就是定值。这就是为什么放大状态下,三极管的电流Ic与Ib之间会有一个固定的比例关系的原因。

  另外,由于集电结处于反偏状态,而PN结反偏时本质上截止的是多数载流子的电流,所以,基区的多数载流子“空穴”就不可能会反向穿过集电结到达集电区。这样,就保证了穿越三极管到达集电极的电流只能是百分之百的“电子”流,不可能混有“空穴”流。基区的“空穴”只能起到动态的截流作用,只能形成固定比例的截流电流Ib,而不可能混入电子流Ic中。综上所述,三极管电流放大倍数就只能是定值。

  现在,我们已经理解了放大状态下,Ic与Ib之间有一个固定的比例关系。这个比例关系说明,放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流Ib,这个固定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构。

  对于Ib等于0的截止状态,问题更为简单。当Ib等于0时,说明外部电压Ube太小,没有达到发射结的门电压值,发射区没有载流子“电子”向基区的发射与注入,所以,此时既不会有电流Ib,也更不可能有电流Ic。另外,从纯数学的电流放大公式更容易推出结论,Ic=Ib,Ib为0,很显然Ic也为0。

  以上,我们用了一种新的切入角度,对三极管的原理在讲解方法上进行了探讨。特别是对晶体三极管放大状态下,集电结为什么会反向导电形成集电极电流做了重点讨论。同时,对三极管的电流放大倍数为什么是定值也做了深入分析。

  这种讲解方法的关键,在于强调二极管与三极管在原理上的自然联系。从二极管PN的反向截止特性曲线上很容易看出,只要将这个特性曲线度,如图F所示,它的情形与三极管的输出特性非常相似,三极管输出特性如图G所示。实际上,图F代表是PN结的反向截止特性,那么,图G所示所代表的是晶体三极管内部集电结对于不同的Ib值时的反向特性,是集电结的一组反向特性。这表明二极管与三极管在原理上确实存在着很自然的联系。所以,在讲解方法上选择这样的切入点,从PN结的反偏状态入手讲解三极管,就显得非常自然合理。而且,这样的讲解会使问题变得浅显易懂,前后内容之间也显得自然和谐、顺理成章。

  这种讲法的不足点在于,从PN结的漏电流入手讲起,容易造成本征漏电流与放大电流在概念上的混肴。所以,在后面讲解晶体管输入输出特性曲线时,应该注意强调说明“本征载流子”与“掺杂载流子”的性质区别。本征载流子对电流放大没有贡献。本征载流子的电流对晶体管的特性影响往往是负面的,是需要克服的。晶体管电流放大作用主要是靠掺杂载流子来实现的。要注意在概念上进行区别。

  另外,还要注意说明,本质上晶体内部有关载流子的问题其实并非如此简单,它涉及到晶体的能级问题以及晶体的能带结构问题,还有载流子移动时的势垒分析等。所以,并不是随便找一些具有载流子的导体或半导体就可以制成PN结,从而进一步制成晶体管。晶体管实际的制造工艺也并非如此简单。

  本文这样的讲解方法主要是在不违反物理原则的前提下,试图把问题尽量地简化,尽量做到浅显易懂、自然合理,以便于人们的理解与接受。这才是这种讲解方法的主要意义所在。

  请问,这篇大作把三极管的放大和截止两个状态阐述其机理挺明白了。那么还有第三个状态,饱和状态是怎么一个情况?

  1.三极管饱和状态是通过外部偏置电阻等预先设置好,通电后直接进入这个饱和状态的吗?

  2.三极管处于饱和状态时,集电结施加正偏电压后,基区及集电区各载流子的运动状态是怎样的?我怎么觉得两个PN结都处于正偏置状态,感觉怪怪的呢?少数载流子怎么流动的?已经加的正偏电压 了,怎么还说是“反向导通”呢?

  3.三极管饱和状态,集电极到发射极的电压为什么只有0.3V? 请把基极到发射极,集电极到发射极之间的电压用图示表示出来一下吧。难道发射结跟集电结的势垒不一样大? 集电结如果是0.4,那么为什么发射结是0.7V?真是奇怪了。

  你的问题很好!这也是三极管原理不好理解的关键之所在,也是传统讲法的问题之所在。饱和状态时,集电极(NPN)的高电位已不存在(为零),如你所说甚至低于基极电位,但仍然有很大的饱和电流反向通过集电结。注意,这里所说的“反向”是指电流的方向与集电结的单向导电(P指向N)的方向相反,电流的性质也仍然是由发射极“发射”过来的“少数截流子”电流。值得强调的是:集电结对这个反向的少子电流本质上没有阻碍作用,集电结作为PN结反向截止的只是“多子”电流,而不是“少子”电流。下面按你问题的顺序来逐条说一下:

  1 三极客的饱和状态确实取决于外部偏置电阻电路,但不一定需要事先设置好。如,当集电极电阻的参数处在合适范围时,三极客是否进入饱和状态主要取决于基极的控制。开关型三极管就是这样工作的,要么截止要么饱和,取决于基极的控制。

  2 三极客处于饱和状态时,两个PN结不是“都”处于正偏状态,发射结是正偏状态,要特别注意的是集电结,集电结电压虽然可以为正但决不能达到门值,所以集电结并不是正偏状态。如果集电结的正电压达到门值,则反向的集电结(极)“少子”电流将消失,取而代之的就是由基极指向集电极的“正向多子”电流,这时的三极管就完全等效成了两个二极管,这个正向多子电流纯粹就是集电结的一个正向导通电流(即二极管电流),而不再具备集电极电流的任何意义。

  所以,饱和状态条件下,发射结是正偏,集电结是“零”偏并不是正偏,因此,集电极的电流仍然是以发射区过来的“少子”构成,属于少子反向导通电流。为什么说是反向,前已说明。

  3 饱和状态下三个电极的电位值问题与上面所说类似,要特别注意的是:此时的集电结并不是普通意义上的正偏导通,这与发射结的正偏导通有着本质的不同。此时,发射结正偏导通的电流是“多子”在门电压作用下的正向通过PN结的电流,是普通意义上的PN结正向电流;而集电结此时是“零”偏,集电结通过的电流是属于“少子”性质的反向电流。所以,两个PN结的电流对于PN结自身来说是性质完全不同的电流,因此,其电压值一个是0.7V而另一个是0.4V根本就无可比性,这是两个不同性质的外部条件参数,虽然都是电压,但性质不同。一个是正向导通的门电压,而另一个是满足饱和状态的“零”偏电压,只有在此条件下,集电极电流才会在定量上脱离的基极电流的“比例”控制进入所谓的饱和状态。

  简单说,两个PN结都导通,一个是正向导通性,另一个是反向导通性质。正向导通的是多子电流,需要0.7V的门电压,另一个导通的是少子反向电流,这个少子的反向电流导通时不仅可以不需要电压,甚至还可以承受一点微弱的“逆流”电压,你说的那个0.4V就是属于这种性质的电压。

  再举个不太恰当的例子,如果把整个三极管比做一个水龙头,发射结的门电压则是控制这个水龙头是否出水的关键,而集电结电压只是水龙头究竟该怎样出水、如何出水的一个条件。发射结加上门电压,这个水龙头就打开了。此时,如果集电结加反偏电压,这个反偏电压其实正好符合水龙头的出水方向,所以它对出水有定性方面的帮助,只是出水的量则要按严格比例受控于Ib,可大可小,这就是放大状态;如果集电结加零压,则出水量就会失去比例控制,这也就是所谓的饱和状态(其实,这时的出水量并不见得一定会比放大状态时大,很有可能还很小,其大小主要取决于Uce);如果集电结加上合适的“正偏”电压(此时正偏电压对出水起反作用),比如:稍大于0.4V但又小于0.7V,这个水龙头就会停止出水,为什么?因为发射结打开的这个水流又被这个合适的正偏逆流电压给堵回去了。显然,如果这个正偏电压超过了0.7V,这个水龙头的水流就会倒着流了。不知我这样说,是否更容易让人明白。

  最后,再说一下你关于势垒的问题,两个PN结的势垒理论上应该完全对称(忽略其内部结构并不严格对称的影响),当两个PN结都加上正向偏置的门电压后,这一情况理论上完全如此对称。但这里的问题是两上PN结的导通性质完全不同,这一点以上已详细说明,所以,才会出现你说的0.7V与0.4V不一样的所谓问题。0.7V是PN结的正偏导通电压,而0.4V的正向电压如上所述,只是集电结为了堵住反向少子电流通过PN结的一个电压值。显然,这两个电压性质完全不同。

  根据我自己的一管之见,我嗦嗦地说了这么多,希望对你能有所帮助。最后,谢谢你的问题,看得出你也是个非常认真的人,能与你这样的网友讨论问题,是让我感到非常愉快的事。

  请问,三极管的饱和情况分析,按照上面的那个输出特性曲线,怎么分析呢?沿某一确定IB电流吗?怎么通过上面这个输出特性分析饱和状态?是怎么进入饱和状态的?因为输出特性曲线是分别让IB和UCE改变后得到的一个曲线。如果是一个电路以及固定了,是不是得用带有负载线的曲线图进行分析是否进入饱和状态的?

  我们以最常见的三极管输出特性图(Ib与Uce及与Ic的关系图)来说,就是当Ib足够大而Uce又足够小时就会进入饱和状态。或者再简单点,让Uce确定,比如为0.4V,从图中很容易就可看出只要Ib大到一定值,三极管就会进入饱和状态,所谓的饱和状态,也就是Ic在数量上不再与Ib保持严格比例的状态。

  我认为,在外电路条件满足时,饱和状态下的电流计算当然可以根据线性方法来计算,因为,饱和状态下的三极管在电路中可以等效为一个接通了的开关。

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