科普時間:傳感器超強匯總詳解

　　晶體三極管作為一個常用器件，是構成現(xiàn)代電子世界的重要基石。然而，傳統(tǒng)的教科書對其工作原理的講述卻存在有很大問題，使初學者對三極管的工作原理無法正常理解，感到別扭與迷茫。其主要問題有以下三點：

　　1.嚴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為何會發(fā)生反偏導通并產生Ic?這看起來與二極管原理強調的PN結單向導電性相矛盾。

　　2.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;即：Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數(shù)關系。

　　3.飽和狀態(tài)下，Vc電位很弱的情況下，為什么集電結仍然會有反向大電流Ic通過。

　　很多教科書對于這部分內容，在講解方法上都存在有很大問題。有一些針對初、中級學者的普及性教科書，干脆采用了回避的方法，只給出結論卻不講原因。即使專業(yè)性很強的教科書，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，致使邏輯混亂，講解內容前后矛盾，甚至造成講還不如不講的效果，使很多初學者看后會產生一頭霧水的感覺。

　　筆者根據多年的總結思考與教學實踐，對于這部分內容摸索出了一個適合于自己教學的新講解方法，并通過具體的教學實踐收到了一定效果。雖然新的講解方法也肯定會有所欠缺，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?！? 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子;2電子在基區(qū)的擴散與復合;3集電區(qū)收集由基區(qū)擴散過來的電子。”

　　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，不是著重地從載流子的性質方面說明集電結的反偏導通，從而產生了Ic，而是不恰當?shù)貍戎貜娬{了Vc的高電位作用，同時又強調基區(qū)的薄。這種強調很容易使人產生誤解。以為只要Vc足夠大基區(qū)足夠薄，集電結就可以反向導通，PN結的單向導電性就會失效。其實這正好與三極管的電流放大原理相矛盾。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，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)。當三極管工作在飽和區(qū)時，Vc的值很小甚至低于Vb，此時仍然出現(xiàn)了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時，集電結仍然會出現(xiàn)反向導通的現(xiàn)象。這很明顯地與強調Vc的高電位作用相矛盾。

　　問題3：傳統(tǒng)講法第2步過于強調基區(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，集電結就可能會失去PN結的單向導電特性。這顯然與人們利用三極管內部兩個PN結的單向導電性，來判斷管腳名稱的經驗相矛盾。即使基區(qū)很薄，人們判斷管腳名稱時，也并沒有發(fā)現(xiàn)因為基區(qū)的薄而導致PN結單向導電性失效的情況?；鶇^(qū)很薄，但兩個PN結的單向導電特性仍然完好無損，這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據。

　　問題4：在第2步講解為什么Ic會受Ib控制，并且Ic與Ib之間為什么會存在著一個固定的比例關系時，不能形象說明。只是從工藝上強調基區(qū)的薄與摻雜度低，不能從根本上說明電流放大倍數(shù)究竟是因為什么會保持不變。

　　問題5：割裂二極管與三極管在原理上的自然聯(lián)系，無法實現(xiàn)內容上的自然過渡。甚至使人產生矛盾觀念，二極管原理強調PN結正向導電反向截止，而三極管原理則又要求PN結能夠反向導通。同時，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：

　　要想很自然地說明問題，就要選擇恰當?shù)那腥朦c。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結構與原理都很簡單，內部一個PN結具有單向導電性，如示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態(tài)，PN結截止。我們要特別注意這里的截止狀態(tài)，實際上PN結截止時，總是會有很小的漏電流存在，也就是說PN結總是存在著反向關不斷的現(xiàn)象，PN結的單向導電性并不是百分之百。

　　為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?

　　這主要是因為P區(qū)除了因“摻雜”而產生的多數(shù)載流子“空穴”之外，還總是會有極少數(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，也會有極少數(shù)的載流子空穴存在。PN結反偏時，能夠正向導電的多數(shù)載流子被拉向電源，使PN結變厚，多數(shù)載流子不能再通過PN結承擔起載流導電的功能。所以，此時漏電流的形成主要靠的是少數(shù)載流子，是少數(shù)載流子在起導電作用。反偏時，少數(shù)載流子在電源的作用下能夠很容易地反向穿過PN結形成漏電流。漏電流只所以很小，是因為少數(shù)載流子的數(shù)量太少。

　　很明顯，此時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人為地增加。其實，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)，因為光照可以增加少數(shù)載流子的數(shù)量，因而光照就會導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實現(xiàn)人為地控制。

　　2.強調一個結論：

　　講到這里，一定要重點地說明PN結正、反偏時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子所充當?shù)慕巧捌湫再|。正偏時是多數(shù)載流子載流導電，反偏時是少數(shù)載流子載流導電。所以，正偏電流大，反偏電流小，PN結顯示出單向電性。

　　特別要重點說明，反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結還要容易。即：PN結反偏時，截止的只是多數(shù)載流子。而對于少數(shù)截流子的通過，PN結不僅不截止，反而會使其更加容易。

　　為什么呢?

　　大家知道PN結內部存在有一個因多數(shù)載流子相互擴散而產生的內電場，而內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結時就需要克服內電場的作用，需要約0.7伏的外加電壓，這是PN結正向導通的門電壓。而反偏時，內電場在電源作用下會被加強也就是PN結加厚，少數(shù)載流子反向通過PN結時，內電場作用方向和少數(shù)載流子通過PN結的方向一致，也就是說此時的內電場對于少數(shù)載流子的反向通過不僅不會有阻礙作用，甚至還會有幫助作用。這就導致了以上我們所說的結論：反偏時少數(shù)載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數(shù)載流子正向通過PN結還要容易。這個結論可以很好解釋前面提到的“問題2”，也就是教材后續(xù)內容要講到的三極管的飽和狀態(tài)。三極管在飽和狀態(tài)下，集電極電位接近或稍低于基極電位，集電結處于零偏置，但仍然會有較大的集電結的反向電流Ic產生。

　　3自然過渡：

　　繼續(xù)討論圖B，PN結的反偏狀態(tài)。利用光照控制少數(shù)載流子的產生數(shù)量就可以實現(xiàn)人為地控制漏電流的大小。既然如此，人們自然也會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，從而實現(xiàn)對PN結的漏電流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“電”的方法來實現(xiàn)對電流的控制。

　　接下來重點討論圖B中的P區(qū)。重點看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型半導體注3。圖C所示其實就是NPN型晶體三極管的雛形，其相應各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。為方便討論，以下我們對圖C中所示的各個部分的名稱直接采用與三極管相應的名稱(如“發(fā)身結”，“集電極”等)。

　　再看示意圖C，圖中最下面的發(fā)射區(qū)N型半導體內電子作為多數(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))是很容易的，只要使發(fā)射結正偏即可。具體說就是在基極與發(fā)射極之間加上一個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)的電子就會很容易地被發(fā)射注入到基區(qū)，這樣就實現(xiàn)了對基區(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)射結加上正偏電壓導通后，在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——電子就會很容易地被大量發(fā)射進入基區(qū)。這些載流子一旦進入基區(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。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。所以，這些載流子——電子就會很容易向上穿過處于反偏狀態(tài)的集電結到達集電區(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的反偏狀態(tài)，以此來滿足三極管放狀態(tài)下所需要外部電路條件。

　　對于Ic還可以做如下結論：Ic的本質是“少子”電流，是通過電注入方法而實現(xiàn)的人為可控的集電結“漏”電流。這就是Ic為什么會很容易反向穿過集電結的原因。

　　5. Ic與Ib的關系：

　　很明顯，對于三極管的內部電路來說，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，主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對基區(qū)的注入程度。  

　　通過上面的討論，現(xiàn)在已經明白，NPN型三極管在電流放大狀態(tài)下，內部的電流主要就是由發(fā)射區(qū)經基區(qū)再到集電區(qū)貫穿整個三極管的“電子”流。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，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為其結構的直觀形象，可以很自然地得到解釋。

　　如圖E所示，很容易理解，電子三極管Ib與Ic之間的固定比例關系，主要取決于電子管柵極(基極)的構造。當外部電路條件滿足時，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)射極經柵極再到集電極的電子流。電子流在穿越柵極時，柵極會對其進行截流。截流時就存在著一個截流比問題。

　　很明顯，截流比的大小，則主要與柵極的疏密度有關。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就是電流Ib，其余的穿過柵極到達集電極的電子流就是Ic。從圖中可以看出，只要柵極的結構尺寸確定，那么截流比例就確定，也就是Ic與Ib的比值確定。所以，只要管子的內部結構確定，這個比值就確定，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。柵極越密則截流比例越大，相應的β值越低，柵極越疏則截流比例越小，相應的β值越高。

　　晶體三極管的電流放大關系與電子三極管在這一點上極其類似。

　　晶體三極管的基極就相當于電子三極管的柵極，基區(qū)就相當于柵網，只不過晶體管的這個柵網是動態(tài)的是不可見的。放大狀態(tài)下，貫穿整個管子的電子流在通過基區(qū)時，分布在基區(qū)的空穴其作用與電子管的柵網作用相類似，會對電子流進行截流。如果基區(qū)做得薄，摻雜度低，基區(qū)的空穴數(shù)少，那么空穴對電子的截流量就小，這就相當于電子管的柵網比較疏一樣。反之截流量就會大。很明顯只要晶體管三極管的內部結構確定，這個截流比也就確定。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”不斷地與帶負電的“電子”的中和來實現(xiàn)。所以，截流的效果主要取決于基區(qū)空穴的數(shù)量。而且，這個過程是個動態(tài)過程，“空穴”不斷地與“電子”中和，同時“空穴”又會不斷地在外部電源作用下得到補充。

　　在這個動態(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，只要晶體管結構確定，基區(qū)空穴的總定額就確定，其相應的動態(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之間會有一個固定的比例關系的原因。

　　另外，由于集電結處于反偏狀態(tài)，而PN結反偏時本質上截止的是多數(shù)載流子的電流，所以，基區(qū)的多數(shù)載流子“空穴”就不可能會反向穿過集電結到達集電區(qū)。這樣，就保證了穿越三極管到達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?；鶇^(qū)的“空穴”只能起到動態(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.對于截止狀態(tài)的解釋：

　　現(xiàn)在，我們已經理解了放大狀態(tài)下，Ic與Ib之間有一個固定的比例關系。這個比例關系說明，放大狀態(tài)下電流Ic按一個固定的比例受控于電流Ib，這個固定的控制比例主要取決于晶體管的內部結構。

　　對于Ib等于0的截止狀態(tài)，問題更為簡單。當Ib等于0時，說明外部電壓Ube太小，沒有達到發(fā)射結的門電壓值，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，此時既不會有電流Ib，也更不可能有電流Ic。另外，從純數(shù)學的電流放大公式更容易推出結論，Ic=βIb，Ib為0，很顯然Ic也為0。

　　讀后總結：

　　1)Ic：發(fā)射區(qū)的多子(電子)在Vce的電場力作用下，發(fā)生漂移運動穿過薄層基區(qū)形成Ic。2)Ib：發(fā)射區(qū)電子擴散運動中與基區(qū)的空穴發(fā)生中和，并在Vbe(發(fā)射結正偏)的作用下，使這種運動持續(xù)進行，形成Ib。3)β：發(fā)射區(qū)電子漂移運動的量Ic與擴散運動的量Ib的比值，由晶體管內部結構決定。