三极管工作原理分析

注:内容和之前的一样，因为之前的一个是百度转载的，现在图片有限，看不懂。本文添加了图片资源。

随着科学技术的发展，电子技术的应用几乎渗透到人们生产生活的各个方面。晶体三极管作为电子技术中最基本的常用设备之一，其原理应该是学习电子技术的人的关键。三极管原理的关键是解释以下三点：

1.为什么集电结会产生反偏导通Ic，这似乎强调了二极管原理PN结单导电性矛盾。

2.放大集电极电流Ic为什么只控制电流？Ib与电压无关；即:Ic与Ib为什么会有固定的放大倍数关系？虽然基区很薄，但只要Ib为零，则Ic即为零。

3、饱和状态，Vc当电位很弱时，仍然会有反向大电流Ic的产生。

许多教科书在解释方法上不适当处理这部分内容。特别是对于初中学者的普及教科书，大多采用回避的方法，只给出结论，但不说原因。即使是高度专业的教科书，大多数解释方法也有非常有争议的问题。这些问题集中在解释方法的切入角度，使解释内容矛盾，甚至导致不说话的效果，使初学者看后容易感到困惑。根据多年的总结、思考和教学实践，作者探索了一种适合自己教学的新解释方法，并通过具体的教学实践获得了一定的效果。虽然肯定会缺乏新的解释方法，但我仍然怀着与同行讨论的愿望，以便通过同行朋友的批评和纠正来改进。

一、 传统讲法及问题：
传统讲法一般分为三个步骤NPN以下所有讨论为例NPN以型硅管为例)，如示意图A。1.发射区向基区注入电子；2.基区电子的扩散与复合；3.集电区收集基区扩散的电子。(注1)
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问题1:这种解释方法在第三步解释集电极电流Ic在形成原因时，集电结的反偏导通并没有集中在载流子的性质上，从而产生Ic，相反，不恰当地强调是不恰当的。Vc高电位的作用，同时强调薄基区。这种强调很容易被误解。认为只要你认为，Vc足够大的基区足够薄，集电结可以反向导通，PN结的单向导电性会失效。事实上，这与三极管的电流放大原理正好相矛盾。三极管的电流放大原理正好要求放大Ic与Vc数量必须无关，Ic只能受控于Ib。

问题2：不能很好地解释三极管的饱和状态。当三极管在饱和区工作时，Vc值很小，甚至低于Vb，此时仍有大量的反向饱和电流Ic，也就是说在Vc在很小的时间内，集电结仍然会出现反向导通。这显然是强调的Vc高电位作用矛盾。

问题3:传统讲法第二步过于强调基区薄，容易引起这样的误解，认为基区足够薄支撑三极管集电结的反向导通。只要基区足够薄，集电结就可能丢失PN结的单向导电特性。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性与判断管脚名称的经验相矛盾。即使基区很薄，人们在判断管脚名称时也没有发现基区很薄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:第二步解释为什么Ic会受Ib控制，并且Ic与Ib当两者之间存在固定的比例关系时，图像无法解释。只是在过程中强调基础区域的薄度和混合度较低，不能从根本上解释为什么电流放大倍数保持不变。

问题5：分离二极管与三极管的自然联系，不能实现内容的自然过渡。二极管的原理强调了矛盾的概念PN结单反向导电截止，三极管原理要求PN结可以反向导通。同时，晶体三极管与电子三极管在电流放大原理上的历史联系也无法体现。

二、新解释方法：
1、切入点：
如果你想自然地解释这个问题，你必须选择一个合适的切入点。我们从二极管的原理开始。二极管的结构和原理非常简单，内部是一个PN结具有单向导电性，如示意图B。显然，二极管处于反偏状态，PN结束。我们应该特别注意这里的截止状态，事实上PN结束时，总会有很小的漏电流，也就是说PN总有反向关不断的现象，PN单向导电性不是100%。
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为什么会出现这种现象？这主要是因为P除了掺杂产生的大多数载流子空穴外，本征载流子电子总是很少。N除了大多数载流子电子外，区域也是如此。PN结反偏时，能正向导电的大多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，大多数载流子结变厚PN承担起载流导电的功能。因此，此时泄漏电流的形成主要取决于少数载流子，即少数载流子起导电作用。相反，在电源的作用下，少数载流子很容易反向通过PN结形成泄漏电流。泄漏电流非常小，因为少数载流子的数量太少。显然，泄漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。如果你想人为地增加泄漏电流，只要你想办法增加少数载流子的数量。因此，如图所示B，如果能够在P区或N区域人为增加少数载流子的数量，自然漏电流会人为增加。事实上，光敏二极管的原理是这样的。光敏二极管和普通光敏二极管一样PN结具有单向导电性。反向电压应添加到光敏二极管工作中，如图所示。当没有光时，电路中也有小的反向饱和泄漏电流，一般为1×10-8 —1×10 -9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管的截止日期；当有光照时，PN由于附近光子的轰击，半导体中束缚的价格电子吸收光子能量，产生电子空穴对。这些载流子的数量对大多数载流子影响不大，但对大多数载流子影响不大P区和N对于该地区的少数载流子，它将大大提高少数载流子的浓度。在反向电压的作用下，反向饱和泄漏电流大大增加，形成光电流，随着射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL随人射光变化的电压信号将在电阻两端获得。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。
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光敏二极管处于反向偏差状态，因为光可以增加少数载流子的数量，所以光会导致反向泄漏电流的变化，人们使用这个原因来制造光敏二极管。由于此时泄漏电流的增加是人为的，因此泄漏电流的增加部分很容易实现人为控制。

强调一个结论：
说到这里，我们必须强调PN大多数载流子大多数载流子和少数载流子的作用及其性质。正偏时是大多数载流子的载流导电，反偏时是少数载流子的载流导电。因此，正偏电流大，反偏电流小。PN结显示单向电性。特别是需要注意的是，少数载流子在反偏过程中反向通过PN结很容易，甚至大多数载流子在比正偏时正向通过PN结要容易。为什么？大家都知道PN结中有一个由大多数载流子相互扩散引起的内电场，内电场的作用方向总是阻碍大多数载流子的正通过。因此，大多数载流子正通过PN结时需要克服内电场的作用，约0.7伏的外加电压是PN正向导通的门电压。相反，内电场在电源作用下会得到加强，即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结的方向是一致的，也就是说，此时的内电场不会阻碍少数载流子的反向通过，甚至有助于。这导致了上述结论：少数载流子反向通过PN结很容易，即使在正偏时，大多数载流子通过正向通过PN结论更容易。这个结论可以很好地解释上述问题2，即教科书后续内容中提到的三极管的饱和状态。在饱和状态下，集电极电位非常低，甚至接近或略低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍会有较大的集电结反向电流Ic产生。

三、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为了实现少数载流子的数量PN结漏电流的控制。也就是说，电流的控制(注2)不是光的方法，而是电的方法。接下来，我们将重点讨论P区，P该地区的少数载流子是电子的。如果要用电注入的方法P在区内注入电子的最好方法是如图所示C所示，在P在区下，特殊工艺加一块N型半导体(注3)。
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图C所示其实就是NPN晶体三极管的雏形与三极管的名称和功能完全相同。为了便于讨论，我们将在下面绘制图片C与三极管对应的名称(如发射结、集电极等)。)直接使用中显示的各个部分的名称。看看示意图C，图中底部的发射区N电子作为大多数载流子存在于型半导体中，如图所示C如中所示，电子注入或发射到发射区P只要发射结正偏，区(基区)就很容易。具体来说，在基极和发射极之间增加足够的正门电压(约0.7伏)就够了。在外门电压的作用下，发射区的电子很容易被发射到基区，从而实现基区少数载流子电子数量的变化。

4.集电极电流Ic的形成：
如图C，发射结加正偏电压导通后，发射区的大部分载流子电子在外加电压的作用下很容易被大量发射到基区。这些载流子一旦进入基区，就在基区（P区)的性质仍然属于少数载流子的性质。正如前面提到的，少数载流子很容易反向穿过反向偏差状态PN因此，这些载流子-电子很容易通过处于反偏差状态的集电到达集电区，形成集电极电流Ic。由此可见，集电极电流的形成并不一定取决于集电极的高电位。集电极电流的大小主要取决于发射区载流子对基区的发射和注入，以及发射和注入的程度。这种载流子的注射程度集电极电位无关。这自然可以解释为什么三极管在放大状态下集电极电流Ic集电极电位Vc大小无关的原因。放大状态下Ic并不受控于Vc，Vc为了满足三极管放大所需的外部电路条件，主要作用是保持集电结的反偏状态。
对于Ic结论如下：Ic其本质是少子电流，是通过电子注入实现的人为可控的集电结漏电流，因此很容易通过集电结反向。

5、Ic与Ib的关系：
显然，图为三极管内部电路C与图D完全等效D是教科书中常用的三极管电流放大原理示意图。
看图D，然后进行上述讨论，集电极电流Ic集电极电位Vc大小无关，主要取决于发射区载流子对基区的发射注入程度。
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通过以上讨论，我们现在已经明白，在电流放大状态下，三极管的主要内部电流是由载流子电子从发射区经基区到集电区贯穿三极管形成的。即贯穿三极管的电流Ic主要是电子流。这种电子流与历史上的电子三极管非常相似。如图所示E，图E是电子三极管的原理示意图。由于其结构的直观形象，电子三极管的电流放大原理自然可以解释。
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如图E电子三极管很容易理解Ib与Ic电子管栅极(基极)的结构主要取决于基极）的结构。当外部电路条件满足时，电子三极管工作在放大状态。在放大状态下，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，很显然栅极会对其进行截流，截流时就存在着一个截流比问题。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，的值就确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的β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β值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的β值越高。

其实晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。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，贯穿整个管子的电子流在通过基区时，基区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，基区的空穴数就会少，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β值足够高，在制作三极管时往往要把基区做得很薄，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分布在基区的带正电的“空穴”对贯穿的电子流中带负电的“电子”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”又不断地会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的值就是定值。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。

6、对于截止状态的解释：
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=βIb，Ib为0，很显然Ic也为0。

三、新讲法需要注意的问题：
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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联系。其实，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转过180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。这说明了二极管与三极管在原理上存在着很必然的联系。所以，在讲解方法上选择这样的切入点，从PN结的偏状态入手讲三极管，就显得非常合适。而且，这样的讲解会使问题变得浅显易懂生动形象，前后内容之间自然和谐顺理成章。

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靠掺杂载流子来实现。要注意在概念上进行区别。另外，还要注意说明，从本质上晶体内部有关载流子的问题其实并不简单，它涉及到晶体的能级分析能带结构，以及载流子移动的势垒分析等。所以，并不是随便找一种或两种具有载流子的导体或半导体就可以制成PN结，就可以制成晶体管，晶体管实际的制造工艺也并不是如此简单。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，以便于理解与接受。这才是这种讲解方法的主要意义所在。

注1：见《电子技术基础》第33至35面，华中工学院出版，康华光主编，第三版，模拟部分。

注2：光照增加的是本征载流子，而后面讲的电注入增加的是掺杂载流子，本征载流子是成对出现，是电子空穴对，正负对应。这与掺杂载流子是有区别的。

注3：此处涉及到三极管的制造工艺，以及半导体材料有关载流子的能级问题。能级结构不同的晶体材料，相互之间载流子的注入及移动会很复杂，也不容易实现。所以，晶体管的整体一般都用相同的半电体物质构成。要么是硅管，要么是锗管，很少有一部分是硅而另一部分是锗的情况。

本文其他参考文献：《电工学》中册，大连工学院电工学教研室编。《电工学》，高等教育出版社，曹建林主编。《普通物理学》，高等教育出版社，程守洙、江之永主编。

–以上内容转自郑州电缆技工学校郑老师‍‍‍