三极管工作原理的歧义与破解

薄永军

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

在三极管放大原理的解读中，推敲不少教材的微观解释，很多存在着疑问或歧义，即便后面学习时记住了有关计算，但对其微观上到底是怎么放大的，难免莫名所以、心存疑惑。本文就相关教材进行分析，并试图给出一个新解，使学习者能顺利通过理解关。

一、有关教材的讲解及歧义

（一）教材的表述。以高等教育出版社的《电工电子技术》为例，在既定条件下的三极管（NPN型）放大作用，“用晶体管内部载流子的运动规律来解释：发射结加正向电压，发射区的多数载流子（自由电子）越过发射结扩散到基区，初始集中在发射结的边缘，基区两端载流子浓度上的差异，使电子向集电结作扩散运动。由于基区很薄而且掺杂浓度又很低，所以空穴数量很少。在扩散过程中少量的电子与基区的空穴相遇被复合掉，电源EB拉走电子形成新的空穴（集电区的少子空穴也会漂移到基区），大部分电子到达集电结边缘，在集电结反偏电压作用下，穿过集电结进入集电区，电源EC不断拉走电子而形成空穴，这些空穴就不断与集电区电子复合。”（载流子的运动形成电流：IE、IB、IC。）

电流放大（控制）的解释为：“当改变基极偏置电阻使基极电流IB改变时，实质是在改变基极与发射极之间的电压UBE，引起发射结宽度的变化；如IB增大即UBE增大，发射结变窄，使发射区向基区发射更多电子——其中少数在基区复合（ΔIB）、多数到达集电区（ΔIC）。…”

（二）问题与歧义。查阅其他书籍，相关解释基本类似（或只给出结论而不讲原因），粗一看，微观分析似乎能够解释“放大”原理，但仔细推敲并延伸到后继结论，就存在几个问题和歧义：

1．集电结反偏“导通”并产生IC，为什么与二极管的单向导电性相矛盾？

2．“基区很薄而且掺杂浓度又很低”有什么作用？

3．放大状态下集电极电流IC为什么“受控于”电流IB？为什么IC与IB之间存在着一个基本固定的放大倍数关系？IC的变化量与IB的变化量关系如何？

4．集电结反偏电压VC“驱动”电子进入集电区，是否VC越大能力越强、IC越大，与电压VC有何关系？

5．如何解释饱和状态下，VC电位很低的情况下，仍然会有反向大电流IC的产生，这与“问题4”矛盾。饱和状态下UCE＜UBE，为什么不因BC结正向导通而形成相反IC电流？

6．如果把集电极和发射极对调，按此说法也解释得通，那为什么还要分集电极和发射极呢？如何区分或判断呢？这些问题及所引起的歧义，常使学习者很难从表述中得到释疑。“理论”就是要“说得通”！或许这样讲解的方法不当，使讲解的内容产生了歧义甚至矛盾，使学习者看后一头雾水。为此，结合经验，探索一种对策，或者说新解，来解释原理，让学习者方便理解和推理。

二、三极管工作原理新解及分析

三极管工作原理的讲解，一般在二级管讲解之后，在原理上应以二极管原理为基础，前面为后面做好铺垫，合理过渡。

（一）二极管工作原理与强调的内容

分析PN结及二极管的工作原理，不难得到结论：

1．在微观上，一是PN结加正向电压时，外加电场与内电场反向，PN结变窄，有利于多数载流子的扩散、顺利通过PN结，形成较大正向电流——PN结呈低电阻状态；同时少数载流子的漂移也没有停止。二是PN结加反向电压时，外加电场与内电场同向，PN结变宽，多数载流子的扩散受阻；但加强了少数载流子的漂移，因少子较少，只能形成较小的反向电流——PN结呈高电阻状态；如果人为增加少数载流子，则反向电流增加（或称增强式漂移），比如光敏二极管是在反偏状态下通过光照增加少数载流子数量、形成（漏）电流而工作的。这里要特别强调载流子的角色和性质，明确扩散和漂移总是同时存在，宏观表现是两种电流的动态叠加值。正偏时多数载流子（为主导）载流导电；反偏时少数载流子（为主导）载流导电，强调：反偏时少数载流子反向通过PN结很容易，甚至比正偏时多数载流子正向通过还要容易。

2．在宏观上，一是“半导体”和PN结不是绝缘体，导电性能随着掺杂浓度等因素而增加。二是PN结也可以理解为是一个“受控电阻”，其大小受所加电压、掺杂浓度、结的面积等“控制”；如：增加正向电压时电阻逐渐减小，当超过“导通电压”时电阻急剧减小；加反向电压时电阻很大、并随其增加微量减小，当超过“反向击穿电压”时电阻急剧减小。

（二）三极管工作原理新解

三极管的工作原理与二极管、PN结特性密不可分，合理引申，完全能解释三极管各区工作原理、特性曲线，而不必避而不谈或另求曲解。以前述NPN型三极管放大为例，在前述相同的条件下的放大作用，从宏观上也可理解为“两个受控电阻的并联分流”（不再详解）；而从微观上，结合三极管的结构特点，其工作原理的新解如下（IE、IB、IC均指主导电流）：

1．IB与IE电流的形成

发射结加一个足够的正向的电压，PN结变薄，发射区的多数载流子（自由电子）很容易越过发射结扩散到基区，实现了对基区少数载流子（自由电子）在数量上的增加，或者说：发射区的多数载流子（自由电子）很容易地被大量发射进入基区，形成发射极电流IE。大量的自由电子到达基区后，分布在基区的空穴（多子）与自由电子“中和”，同时“空穴”又会不断地在外部电源作用下得到补充，“空穴”不断地与“电子”中和，这个动态过程，就形成基极电流IB，或者说是对IE的“截流”。因基区很薄、掺杂浓度低，空穴和有机会复合掉的电子都较少，大多进入基区的自由电子很快浓度扩散至集电结边缘。

2．IC电流的形成

电子在基区属于少数载流子性质，在集电结反偏状态下，少数载流子很容易反向穿过PN结（尤其在较大的结面积下）到达集电区，并不断在外部电源作用下得到“中和”，形成了集电极电流IC。IC的本质是“少子”电流，是通过电注入方法实现的人为可控的集电结“漏”电流。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与注入的程度，而几乎与集电极电位的高低没有什么关系——但集电极必须是接电源正极（UCE＞0），以“补充”空穴。强调：集电极电流的形成取决于集电结反偏、PN结较大的接触面（均促进漂移）和“增强式漂移”诸因素，不是一定要靠集电极的高电位；故IC的大小与集电极电位VC在数量上无关，VC的作用主要是维持集电结的反偏状态。

3．放大状态

因电子流进入基区后，少量空穴对电子流进行“截流”，其余部分穿过集电结进入集电区，所以有IE＝IB＋IC。可见，以IE为基础，IC“受控”于IB。在这个动态过程中，基区空穴的等效总数量是不变的，主要取决于“掺杂浓度”以及基区的厚薄；当三极管结构确定后，基区空穴的动态总量就确定，对电子流的“截流比”也就确定。如果设定IE＝（1＋β）IB，即IC＝βIB，截流比例就是1／（1＋β）。在放大条件下，发射结导通、集电结反偏，载流子基本不被“受控电阻”限流，截流比随基区结构而定，β值就基本随三极管结构而确定。这就是放大状态下三极管的电流IC与IB之间存在比例关系的原因（β称为三极管的电流放大倍数）。因为基区做得薄、掺杂浓度很低，基区的空穴（多子）对电子的截流量很小（反之截流量会增大），所以，β值较高。在制作三极管时常常要把基区做得很薄，而且其掺杂浓度也很低，以获得足够大的电流“放大”倍数。放大状态下，当UBE增加使IE就有一个很大的增加量ΔIE、IB有一个增加量ΔIB时，显然，ΔIC会按固有的比例（约β）受控于ΔIB。另外，基于“反偏电压下集电结‘受控电阻’随着UCE的增加而微量减小”，也很容易解释出：输出特性曲线中，当IB一定、UCE增加时IC有微量增加。

4．截止状态

当IB等于0时，亦即发射结电压UBE太小，没有达到门电压值，发射区没有载流子（自由电子）向基区的发射与注入，就不会有电流IB，电流IC也就主要是PN结的穿透电流。

5．饱和状态

当UCE减小（UCE＞0）到小于UBE时，造成集电结正偏，主导载流子（自由电子）作为基区少子，在穿过集电结时，就只有“增强式漂移”，而不再有集电结反偏而促进漂移的“优待”，集电结“受控电阻”有所增加，使IC下降，与IB不再成固有的β倍的关系，且随着UCE的继续减小，IC还会更加减小；或者说IC太大后β下降。（饱和区是指UCE小于UBE时，IC对IB不成原比例关系的区域，即输出特性曲线的弯曲部分，一些教材错指为曲线与纵轴间的区域）。在基本放大电路中，宏观关系为UCE＝EC－ICRC，显然，当IC“随”IB增加到一定值时，也就不可能再按原比例增加。

6．C、E极的区分

如果把发射极与集电极对调，原理类似、一样能够起到放大作用，但由于集电区掺杂浓度低，相同的正向结电压下发射电子流会减小，同时由于BE结接触面小、不利于“促进漂移”的进行，“受控电阻”较大，这些导致电流放大倍数下降，三极管不能正常工作。这也是判断三极管C、E极的重要依据，所以C、E极不可互换使用。

［1］陈小虎．电工电子技术（第二版）［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［2］林平勇，高嵩．电工电子技术（第二版）［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［3］张军 等．模拟电子线路（第一版）［M］．北京：国防工业出版社，2006．