一篇詳盡的晶體三極管工作原理介紹

晶體三極管作為一個(gè)常用器件，是構(gòu)成現(xiàn)代電子世界的重要基石。然而，傳統(tǒng)的教科書對(duì)其工作原理的講述卻存在有很大問題，使初學(xué)者對(duì)三極管的工作原理無法正常理解，感到別扭與迷茫。

晶體三極管原理問題的關(guān)鍵在于：集電結(jié)為什么會(huì)反向?qū)?這與晶體二極管原理中強(qiáng)調(diào)的PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?反向截止)嚴(yán)重矛盾。

三極管原理，傳統(tǒng)講解方法中存在的問題概括起來主要有以下三點(diǎn)：

1 嚴(yán)重割裂晶體二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系。沒有真正說明三極管集電結(jié)為何會(huì)發(fā)生反偏導(dǎo)通并產(chǎn)生Ic?這看起來與二極管原理強(qiáng)調(diào)的PN結(jié)單向?qū)щ娦韵嗝堋?/p>

2 不能說明放大狀態(tài)下集電極電流Ic為什么只受控于電流Ib而與電壓無關(guān);即：Ic與Ib之間為什么存在著一個(gè)固定的放大倍數(shù)β關(guān)系。

3 不能說明飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，為什么集電結(jié)仍然會(huì)反向?qū)ú⑶矣蟹聪虼箅娏鱅c通過。

很多教科書對(duì)于這部分內(nèi)容，在講解方法上都存在有很大問題。有一些針對(duì)初、中級(jí)學(xué)者的普及性教科書，干脆采用了回避的方法，只給出結(jié)論卻不講原因。既使專業(yè)性很強(qiáng)的教科書，采用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。這些問題集中表現(xiàn)在講解方法的切入角度不恰當(dāng)，致使邏輯混亂，講解內(nèi)容前后矛盾，甚至造成講了還不如不講的效果，使很多初學(xué)者常常產(chǎn)生一頭霧水的感覺。

筆者根據(jù)多年的總結(jié)思考與教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于這部分內(nèi)容摸索出了一個(gè)適合于自己教學(xué)的新講解方法，并通過具體的教學(xué)實(shí)踐收到了一定效果。雖然新的講解方法也肯定會(huì)有所欠缺，但本人還是懷著與同行共同探討的愿望不揣冒昧把它寫出來，以期能通過同行朋友的批評(píng)指正來加以完善。

一、 傳統(tǒng)講法及問題：

傳統(tǒng)講法一般分三步，以NPN型為例(以下所有討論皆以NPN型硅管為例)，如示意圖A。“1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子;2 電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合;3 集電區(qū)收集由基區(qū)擴(kuò)散過來的電子。”

問題1：這種講解方法在第3步中，講解集電極電流Ic的形成原因時(shí)，不是著重地從載流子的性質(zhì)方面說明集電結(jié)的反偏導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了Ic，而是極不恰當(dāng)?shù)刂氐貜?qiáng)調(diào)了Vc的高電位作用，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄。這種強(qiáng)調(diào)很容易使人產(chǎn)生誤解——以為只要Vc足夠大基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可以反向?qū)?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦跃蜁?huì)失效。這是讓初學(xué)者很容易產(chǎn)生一系列模糊認(rèn)識(shí)的根源。

這正好與三極管的電流放大原理嚴(yán)重地矛盾。三極管的電流放大原理恰恰要求在放大狀態(tài)下Ic與Vc在數(shù)量上必須無關(guān)，Ic只能受控于Ib。

問題2：不能很好地說明三極管的飽和狀態(tài)。當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，Vc的值很小甚至低于Vb，此時(shí)仍然出現(xiàn)了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時(shí)，集電結(jié)仍然會(huì)出現(xiàn)反向?qū)ǖ默F(xiàn)象。這很明顯地與傳統(tǒng)講法中強(qiáng)調(diào)Vc的高電位作用這種說法相矛盾。

問題3：傳統(tǒng)講法第2步過于強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為只要基區(qū)足夠薄，集電結(jié)就可能會(huì)失去PN結(jié)的典型特性——單向?qū)щ?。這顯然與人們利用三極管內(nèi)部兩個(gè)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，來判斷三極管管腳名稱(e、b、c)的經(jīng)驗(yàn)相矛盾。既使基區(qū)很薄，人們判斷管腳名稱時(shí)，也并沒有發(fā)現(xiàn)因?yàn)榛鶇^(qū)的薄而導(dǎo)致PN結(jié)單向?qū)щ娦允У那闆r?；鶇^(qū)很薄，但兩個(gè)PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦匀匀煌旰脽o損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據(jù)。

問題4：在第2步講解為什么Ic會(huì)受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會(huì)存在著一個(gè)固定的比例關(guān)系時(shí)，不能形象說明。只是從工藝上強(qiáng)調(diào)基區(qū)的薄與摻雜度低，不能從道理上根本性的說明電流放大倍數(shù)β什么會(huì)保持不變的原因。

問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)容上的自然過渡。甚至使人產(chǎn)生很矛盾的感覺，二極管原理強(qiáng)調(diào)PN結(jié)的正向?qū)щ姺聪蚪刂?，而三極管原理則又要求PN結(jié)能夠反向?qū)?，這讓人很難接受。同時(shí)，也不能體現(xiàn)晶體三極管與電子三極管之間在電流放大原理上的歷史聯(lián)系。

二、新講解方法：

1、切入點(diǎn)：

要想很自然地說明問題，就要選擇恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結(jié)構(gòu)與原理都很簡單，內(nèi)部一個(gè)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN結(jié)截止。我們要特別注意這里的截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)際上PN結(jié)截止時(shí)，總是會(huì)有很小的漏電流存在，也就是說PN結(jié)總是存在著反向關(guān)不斷的現(xiàn)象，PN結(jié)的單向?qū)щ娦圆⒉皇前俜种佟?/p>

為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?這主要是因?yàn)镻區(qū)除了因“摻雜”而產(chǎn)生的多數(shù)載流子“空穴”之外，還總是會(huì)有極少數(shù)的本征載流子“電子”出現(xiàn)。N區(qū)也是一樣，除了多數(shù)載流子電子之外，也會(huì)有極少數(shù)的載流子空穴存在。PN結(jié)反偏時(shí)，能夠正向?qū)щ姷亩鄶?shù)載流子被拉向電源，使PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN結(jié)承擔(dān)起載流導(dǎo)電的功能。所以，此時(shí)漏電流的形成主要靠的是少數(shù)載流子，是少數(shù)載流子在起導(dǎo)電作用。反偏時(shí)，少數(shù)載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN結(jié)形成漏電流。漏電流只所以很小，是因?yàn)樯贁?shù)載流子的數(shù)量太少。

很明顯，此時(shí)漏電流的大小主要取決于少數(shù)載流子的數(shù)量。如果要想人為地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時(shí)少數(shù)載流子的數(shù)量即可。所以，如圖B，如果能夠在P區(qū)或N區(qū)人為地增加少數(shù)載流子的數(shù)量，很自然的漏電流就會(huì)人為地增加。其實(shí)，光敏二極管的原理就是如此。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(見下圖)。

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。

特別要重點(diǎn)說明，反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過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PN結(jié)還要容易。

即：PN結(jié)反偏時(shí)，截止的只是多數(shù)載流子的電流。而對(duì)于少數(shù)截流子的通過，PN結(jié)不僅不截止，一定程度上反而還會(huì)更加容易。

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，而內(nèi)電場的作用方向總是阻礙多數(shù)載流子的正向通過，所以，多數(shù)載流子正向通過PN結(jié)時(shí)就需要克服內(nèi)電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這也是PN結(jié)正向?qū)ǖ拈T電壓。而反偏時(shí)，內(nèi)電場在電源作用下會(huì)被加強(qiáng)也就是PN結(jié)加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結(jié)時(shí)，內(nèi)電場作用方向和少數(shù)載流子通過PN結(jié)的方向一致，也就是說此時(shí)的內(nèi)電場對(duì)于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會(huì)有阻礙作用，甚至還會(huì)有幫助作用。這就導(dǎo)致了以上我們所說的結(jié)論：反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過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“問題2”，也就是教科書后續(xù)內(nèi)容中要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位接近或稍低于基極電位，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”的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。注2

接下來重點(diǎn)討論圖B中的P區(qū)。重點(diǎn)看P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)部分的名稱直接采用與三極管相應(yīng)的名稱(如“發(fā)身結(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)的電子注入或者說是發(fā)射到P區(qū)(基區(qū))也是很容易的，只要使發(fā)射結(jié)正偏即可。具體說就是在基極與發(fā)射極之間加上一個(gè)足夠的正向的門電壓(約為0.7伏)就可以了。在外加門電壓作用下，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)了對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子——“電子”的注入，使其在數(shù)量上發(fā)生改變。

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)，它們在基區(qū)(P區(qū))的身份仍然屬于少數(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，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)射注入程度幾乎與集電極電位的高低沒有什么關(guān)系。這正好能自然地說明，為什么三極管在放大狀態(tài)下，集電極電流Ic的大小與集電極電位Vc在數(shù)量上無關(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)，以此來滿足三極管放狀態(tài)下所需要的外部條件。

對(duì)于Ic還可以做如下結(jié)論：Ic的本質(zhì)是“少數(shù)載流子”電流，是通過電注入方法而實(shí)現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流。這就是Ic為什么會(huì)很容易反向穿過集電結(jié)的原因。

5、Ic與Ib的關(guān)系：

很明顯，對(duì)于三極管的內(nèi)部電路來說，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書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的大小無關(guān)，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的注入程度。

通過上面的討論，現(xiàn)在已經(jīng)明白，NPN型三極管在電流放大狀態(tài)下，內(nèi)部的電流主要就是由發(fā)射區(qū)經(jīng)基區(qū)再到集電區(qū)貫穿整個(gè)三極管的“電子”流。也就是說貫穿三極管的電流Ic主要是“電子”流。這種貫穿的電子流，其情形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，可以很容易很自然地得到解釋。

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)。穿過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)，柵極會(huì)對(duì)其進(jìn)行截流。截流時(shí)就存在著一個(gè)截流比問題。

很明顯，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，攔截下來的電子流就多。反之截流比小，攔截下來的電子流就少。

柵極攔截下來的電子流其實(shí)就是電流Ib，其余的穿過柵極到達(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，這個(gè)比值就確定，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。

晶體三極管的電流放大關(guān)系與電子三極管在這一點(diǎn)上極其類似。

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)，只不過晶體管的這個(gè)柵網(wǎng)是動(dòng)態(tài)的是不可見的。放大狀態(tài)下，貫穿整個(gè)管子的電子流在通過基區(qū)時(shí)，分布在基區(qū)的空穴其作用與電子管的柵網(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)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)才常常要把基區(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帶正電的“空穴”不斷地與帶負(fù)電的“電子”的中和來實(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)過程是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時(shí)“空穴”又會(huì)不斷地在外部電源作用下得到補(bǔ)充。

在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，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)β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。

另外，由于集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，而PN結(jié)反偏時(shí)本質(zhì)上截止的是多數(shù)載流子的電流，所以，基區(qū)的多數(shù)載流子“空穴”就不可能會(huì)反向穿過集電結(jié)到達(dá)集電區(qū)。這樣，就保證了穿越三極管到達(dá)集電極的電流只能是百分之百的“電子”流，不可能混有“空穴”流。基區(qū)的“空穴”只能起到動(dòng)態(tài)的截流作用，只能形成固定比例的截流電流Ib，而不可能混入電子流Ic中。綜上所述，三極管電流放大倍數(shù)β就只能是定值。

6、對(duì)于截止?fàn)顟B(tài)的解釋：

現(xiàn)在，我們已經(jīng)理解了放大狀態(tài)下，Ic與Ib之間有一個(gè)固定的比例關(guān)系。這個(gè)比例關(guān)系說明，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)，問題更為簡單。當(dāng)Ib等于0時(shí)，說明外部電壓Ube太小，沒有達(dá)到發(fā)射結(jié)的門電壓值，發(fā)射區(qū)沒有載流子“電子”向基區(qū)的發(fā)射與注入，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)β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自然聯(lián)系。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。實(shí)際上，圖F代表是PN結(jié)的反向截止特性，那么，圖G所示所代表的是晶體三極管內(nèi)部集電結(jié)對(duì)于不同的Ib值時(shí)的反向特性，是集電結(jié)的一組反向特性。這表明二極管與三極管在原理上確實(shí)存在著很自然的聯(lián)系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點(diǎn)，從PN結(jié)的反偏狀態(tài)入手講解三極管，就顯得非常自然合理。而且，這樣的講解會(huì)使問題變得淺顯易懂，前后內(nèi)容之間也顯得自然和諧、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是靠摻雜載流子來實(shí)現(xiàn)的。要注意在概念上進(jìn)行區(qū)別。

另外，還要注意說明，本質(zhì)上晶體內(nèi)部有關(guān)載流子的問題其實(shí)并非如此簡單，它涉及到晶體的能級(jí)問題以及晶體的能帶結(jié)構(gòu)問題，還有載流子移動(dòng)時(shí)的勢壘分析等。所以，并不是隨便找一些具有載流子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體就可以制成PN結(jié)，從而進(jìn)一步制成晶體管。晶體管實(shí)際的制造工藝也并非如此簡單。

本文這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下，試圖把問題盡量地簡化，盡量做到淺顯易懂、自然合理，以便于人們的理解與接受。這才是這種講解方法的主要意義所在。

附篇:

請(qǐng)問，這篇大作把三極管的放大和截止兩個(gè)狀態(tài)闡述其機(jī)理挺明白了。那么還有第三個(gè)狀態(tài)，飽和狀態(tài)是怎么一個(gè)情況?

1.三極管飽和狀態(tài)是通過外部偏置電阻等預(yù)先設(shè)置好，通電后直接進(jìn)入這個(gè)飽和狀態(tài)的嗎?

2.三極管處于飽和狀態(tài)時(shí)，集電結(jié)施加正偏電壓后，基區(qū)及集電區(qū)各載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣的?我怎么覺得兩個(gè)PN結(jié)都處于正偏置狀態(tài)，感覺怪怪的呢?少數(shù)載流子怎么流動(dòng)的?已經(jīng)加的正偏電壓 了，怎么還說是“反向?qū)?rdquo;呢?

3.三極管飽和狀態(tài)，集電極到發(fā)射極的電壓為什么只有0.3V? 請(qǐng)把基極到發(fā)射極，集電極到發(fā)射極之間的電壓用圖示表示出來一下吧。難道發(fā)射結(jié)跟集電結(jié)的勢壘不一樣大? 集電結(jié)如果是0.4，那么為什么發(fā)射結(jié)是0.7V?真是奇怪了。

你的問題很好!這也是三極管原理不好理解的關(guān)鍵之所在，也是傳統(tǒng)講法的問題之所在。飽和狀態(tài)時(shí)，集電極(NPN)的高電位已不存在(為零)，如你所說甚至低于基極電位，但仍然有很大的飽和電流反向通過集電結(jié)。注意，這里所說的“反向”是指電流的方向與集電結(jié)的單向?qū)щ?P指向N)的方向相反，電流的性質(zhì)也仍然是由發(fā)射極“發(fā)射”過來的“少數(shù)截流子”電流。值得強(qiáng)調(diào)的是：集電結(jié)對(duì)這個(gè)反向的少子電流本質(zhì)上沒有阻礙作用，集電結(jié)作為PN結(jié)反向截止的只是“多子”電流，而不是“少子”電流。下面按你問題的順序來逐條說一下：

1 三極客的飽和狀態(tài)確實(shí)取決于外部偏置電阻電路，但不一定需要事先設(shè)置好。如，當(dāng)集電極電阻的參數(shù)處在合適范圍時(shí)，三極客是否進(jìn)入飽和狀態(tài)主要取決于基極的控制。開關(guān)型三極管就是這樣工作的，要么截止要么飽和，取決于基極的控制。

2 三極客處于飽和狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)不是“都”處于正偏狀態(tài)，發(fā)射結(jié)是正偏狀態(tài)，要特別注意的是集電結(jié)，集電結(jié)電壓雖然可以為正但決不能達(dá)到門值，所以集電結(jié)并不是正偏狀態(tài)。如果集電結(jié)的正電壓達(dá)到門值，則反向的集電結(jié)(極)“少子”電流將消失，取而代之的就是由基極指向集電極的“正向多子”電流，這時(shí)的三極管就完全等效成了兩個(gè)二極管，這個(gè)正向多子電流純粹就是集電結(jié)的一個(gè)正向?qū)娏?即二極管電流)，而不再具備集電極電流的任何意義。

所以，飽和狀態(tài)條件下，發(fā)射結(jié)是正偏，集電結(jié)是“零”偏并不是正偏，因此，集電極的電流仍然是以發(fā)射區(qū)過來的“少子”構(gòu)成，屬于少子反向?qū)娏?。為什么說是反向，前已說明。

3 飽和狀態(tài)下三個(gè)電極的電位值問題與上面所說類似，要特別注意的是：此時(shí)的集電結(jié)并不是普通意義上的正偏導(dǎo)通，這與發(fā)射結(jié)的正偏導(dǎo)通有著本質(zhì)的不同。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通的電流是“多子”在門電壓作用下的正向通過PN結(jié)的電流，是普通意義上的PN結(jié)正向電流;而集電結(jié)此時(shí)是“零”偏，集電結(jié)通過的電流是屬于“少子”性質(zhì)的反向電流。所以，兩個(gè)PN結(jié)的電流對(duì)于PN結(jié)自身來說是性質(zhì)完全不同的電流，因此，其電壓值一個(gè)是0.7V而另一個(gè)是0.4V根本就無可比性，這是兩個(gè)不同性質(zhì)的外部條件參數(shù)，雖然都是電壓，但性質(zhì)不同。一個(gè)是正向?qū)ǖ拈T電壓，而另一個(gè)是滿足飽和狀態(tài)的“零”偏電壓，只有在此條件下，集電極電流才會(huì)在定量上脫離的基極電流的“比例”控制進(jìn)入所謂的飽和狀態(tài)。

簡單說，兩個(gè)PN結(jié)都導(dǎo)通，一個(gè)是正向?qū)ㄐ?，另一個(gè)是反向?qū)ㄐ再|(zhì)。正向?qū)ǖ氖嵌嘧与娏?，需?.7V的門電壓，另一個(gè)導(dǎo)通的是少子反向電流，這個(gè)少子的反向電流導(dǎo)通時(shí)不僅可以不需要電壓，甚至還可以承受一點(diǎn)微弱的“逆流”電壓，你說的那個(gè)0.4V就是屬于這種性質(zhì)的電壓。

再舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦?，如果把整個(gè)三極管比做一個(gè)水龍頭，發(fā)射結(jié)的門電壓則是控制這個(gè)水龍頭是否出水的關(guān)鍵，而集電結(jié)電壓只是水龍頭究竟該怎樣出水、如何出水的一個(gè)條件。發(fā)射結(jié)加上門電壓，這個(gè)水龍頭就打開了。此時(shí)，如果集電結(jié)加反偏電壓，這個(gè)反偏電壓其實(shí)正好符合水龍頭的出水方向，所以它對(duì)出水有定性方面的幫助，只是出水的量則要按嚴(yán)格比例受控于Ib，可大可小，這就是放大狀態(tài);如果集電結(jié)加零壓，則出水量就會(huì)失去比例控制，這也就是所謂的飽和狀態(tài)(其實(shí)，這時(shí)的出水量并不見得一定會(huì)比放大狀態(tài)時(shí)大，很有可能還很小，其大小主要取決于Uce);如果集電結(jié)加上合適的“正偏”電壓(此時(shí)正偏電壓對(duì)出水起反作用)，比如：稍大于0.4V但又小于0.7V，這個(gè)水龍頭就會(huì)停止出水，為什么?因?yàn)榘l(fā)射結(jié)打開的這個(gè)水流又被這個(gè)合適的正偏逆流電壓給堵回去了。顯然，如果這個(gè)正偏電壓超過了0.7V，這個(gè)水龍頭的水流就會(huì)倒著流了。不知我這樣說，是否更容易讓人明白。

最后，再說一下你關(guān)于勢壘的問題，兩個(gè)PN結(jié)的勢壘理論上應(yīng)該完全對(duì)稱(忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不嚴(yán)格對(duì)稱的影響)，當(dāng)兩個(gè)PN結(jié)都加上正向偏置的門電壓后，這一情況理論上完全如此——對(duì)稱。但這里的問題是兩上PN結(jié)的導(dǎo)通性質(zhì)完全不同，這一點(diǎn)以上已詳細(xì)說明，所以，才會(huì)出現(xiàn)你說的0.7V與0.4V不一樣的所謂問題。0.7V是PN結(jié)的正偏導(dǎo)通電壓，而0.4V的正向電壓如上所述，只是集電結(jié)為了堵住反向少子電流通過PN結(jié)的一個(gè)電壓值。顯然，這兩個(gè)電壓性質(zhì)完全不同。

根據(jù)我自己的一管之見，我嗦嗦地說了這么多，希望對(duì)你能有所幫助。最后，謝謝你的問題，看得出你也是個(gè)非常認(rèn)真的人，能與你這樣的網(wǎng)友討論問題，是讓我感到非常愉快的事。

請(qǐng)問，三極管的飽和情況分析，按照上面的那個(gè)輸出特性曲線，怎么分析呢?沿某一確定IB電流嗎?怎么通過上面這個(gè)輸出特性分析飽和狀態(tài)?是怎么進(jìn)入飽和狀態(tài)的?因?yàn)檩敵鎏匦郧€是分別讓IB和UCE改變后得到的一個(gè)曲線。如果是一個(gè)電路以及固定了，是不是得用帶有負(fù)載線的曲線圖進(jìn)行分析是否進(jìn)入飽和狀態(tài)的?

另外可以用電工學(xué)上的線性疊加方法來計(jì)算飽和狀態(tài)的電流情況嗎?

我們以最常見的三極管輸出特性圖(Ib與Uce及與Ic的關(guān)系圖)來說，就是當(dāng)Ib足夠大而Uce又足夠小時(shí)就會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)?；蛘咴俸唵吸c(diǎn)，讓Uce確定，比如為0.4V，從圖中很容易就可看出只要Ib大到一定值，三極管就會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，所謂的飽和狀態(tài)，也就是Ic在數(shù)量上不再與Ib保持嚴(yán)格比例的狀態(tài)。

我認(rèn)為，在外電路條件滿足時(shí)，飽和狀態(tài)下的電流計(jì)算當(dāng)然可以根據(jù)線性方法來計(jì)算，因?yàn)椋柡蜖顟B(tài)下的三極管在電路中可以等效為一個(gè)接通了的開關(guān)。

這里不方便畫圖，我只能說這些，希望能對(duì)你有幫助。