[资讯] 重新理解三极管的关键问题

4、集电极电流Ic的形成：

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）的性质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发射与注入，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及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 与集电极电位Vc 的大小无关的原因。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大态下所需要外部电路条件。对于Ic 还可以做如下结论：Ic 的本质是“少子”电流，是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流，因此它就可以很容易地反向通过集电结。

5、Ic与Ib的关系：

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发射注入程度。

通过上面的讨论，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电流就是由载流子电子由发射区经基区再到集电区贯穿三极管所形成。也就是贯穿三极管的电流Ic 主要是电子流。这种贯穿的电子流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，可以很自然得到解释。

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。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：

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：

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。