推进提高三极管工作速度的特色理论
2014-03-16弋建伟赵亚萍王根义
弋建伟， 王 庆，赵亚萍，赵 邦， 王根义
（1.陕西职业技术学院 陕西 西安 710100；2.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）
提高三极管的开关速度，是提高电子产品的速度和品质的一个本质问题，可是由于好多电子技术的应用者没有深刻掌握PN结导电的原理，尤其没有掌握本论文推出的关于PN结导电的特色理论，停留在似懂非懂的水平，所以在设计放大电路时，不敢大刀阔斧地改进，本论文的研究结果就是解决这个问题。
1 理论推导
本来P型半导体和N型半导体的导电性较差，但在P型半导体与N型半导体的接触面，由于存在着P区自由空穴向N区扩散的自然力，和N区自由电子向P区扩散的自然力，所以在P型半导体与N型半导体的接触面，一开始P区的空穴向N区，N区自由电子向P区扩散，扩散的结果使P区靠近接触面的一部分区域没有空穴或空穴很少，而N区靠近接触面的一部分区域没有自由电子或自由电子很少，这一部分没有电子和空穴或者电子和空穴很少的区域叫做PN结。显然，PN结存在着一个电场，这个电场力是反对N区电子向P区扩散，也反对P区空穴向N区扩散，如果这个电场力和自然扩散力相等，PN结中尽管仍有自由电子和空穴的流动，但动态结果平衡，PN结薄后不变，我们把这时的PN结叫做标准PN结。如果由于外界力的作用，这个PN结薄了，小于标准PN结，那么自然扩散力就会大于电场力，由于P区有自由空穴资源，N区有自由电子资源，那么，那么这种扩散形成的电流是比较大的；反之，如果由于外界力的作用，这个PN结厚了（这个变厚，往往是由于外界电源从P区拉走一些空穴，从N区拉走一些自由电子而形成的），大于标准PN结，自然扩散力就会小于电场力，这个电场力的方向是从N区指向P区，显然，它阻止N区的自由电子向P区扩散，也阻止P区的空穴N区扩散，它具有把P区的自由电子拉向N区，把N区的自由空穴拉向P区，以形成电流的能力，但由于P区缺乏自由电子资源[2-4]，N区缺乏自由空穴资源，所以这种电场力在一般情况下不能形成的较大的电流，但如果这时，在P区人工注入自由电子，或者在N区人工注入自由空穴，那么这种电场力就会把P区的自由电子拉到N区，也会把N区的自由空穴拉到P区，这样就会形成的较大的电流。在这里，笔者提出的如何提高反向偏置的二极管的电流的理论是创新立异的，在国内外其他文献中本人都没有看到类似的叙述，本理论笔者通过下面的实验得到完全验证。
2 实验证明
在图1所示的电路中，二极管反向偏置，PN结大于标准PN结，我通过给N区人工注入自由空穴，给P区人工注入自由电子的方法增大了PN结的电流。
图1 增大PN结反向导电的电流Fig.1 Increase the reverse conducting current of PN junction
在图2所示的电路中，二极管反向偏置，PN结大于标准PN结，我通过人工拉走N区自由空穴，人工拉走P区自由电子的方法减小了PN结的电流。
图2 减小PN结反向导电的电流Fig.2 Reduce the reverse conducting current of PN junction
3 该理论的实用意义
用上述理论解释三极管的放大功能：对一个NPN型三极管，当BE两级之间PN结加上正向电压，CB两级之间PN结加上反向电压时，BE两级之间的PN结薄了，CB两级之间PN结后了，基区很窄，从发射区用自然扩散力扩散的自由电子还没有来得及从基极流出，有更多的自由电子就被CB两级之间的PN结的电场力捕获而从C极放出，这就是三极管的放大原理。当在执行放大任务的三极管突然失去应有的电压时，由于两个PN结的厚度不能立即变化，而且基区有多余的自由电子，所以集电极电流还要再流一会儿，这就是三极管的滞后的原因。根据本人对三极管的原理作出的上述创新的分析和解释，可以很清楚、很自然且很容易地推出这样一个结论，克服三极管的滞后现象，提高它的反应速度的根本措施应该是：对一个NPN型三极管，在它刚执行放大任务时，创造外界条件迅速给它的基区注入足够的自由电子，而在它停止放大任务时，创造外界条件迅速把它的基区自由电子从基区拉走[5-7]。这就是笔者用坚实、明确和可靠的理论根据推出的克服三极管在执行放大任务过程中的滞后现象的有效实用措施。
4 对应用实例的原理进行分析
笔者又根据上述理论设计出提高三极管工作反应速度的一个具体方案，就是通过调试在三极管的B极和C极之间连接一个合适的小容量的电容，如图3所示，经过实际测试，确实提高了三极管工作反应的速度。本人再进一步对这个具体案例的原理作出下列详细分析。
图3 减小三极管的滞后时间Fig.3 Reduce the lag time of triode
在这个放大电路开始工作时，需要给基区快速注入较多的电子，而这时电源也要拉许多电子，我们在三极管的B极和C极之间连接一个容量可调的电容，这个电容就可以满足电源对电子的需求，还可以为三极管的基区注入一定的电子，通过上述实验电路测试，可以提高放大电路的启动速度；在这个放大电停止工作时，为了使停止命令下达后，立即堵住集电极的电流，就需要把基区在放大电路工作中存储的电子快速从其他路径拉走，由于可变电容器与基极相连的一端刚好是正电位，需要电子，就快速把基区存储的电子拉走，尽管电容电压有让发射区向基区扩散电子的作用，但这些电子刚一从发射区扩散到基区，又被它几乎全部捕获，图3的实验数据说明了这一点[8]。
笔者再根据这个原理更明确、更实在地说明一些典型三极管电路提高速度的措施。
5 结束语
1）本论文对PN结的导电原理作了新的说明，具有特色、科学依据和实用价值，可以使学者真正搞清PN结的的原理，从而可以用相关理论有效地、有力地改善电子产品的性能。本文对该理论的正确性经过实验测试得到证明。
2）本论文的创新点是对PN结的反向电流的控制提出了新的特色的理论，对电子技术的应用者将有很大的帮助意义。
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社，2006.
[2]康华光.电子技术基础（模拟部分第五版）[M].北京:高等教育出版社，2005.
[3]郑家龙，王小海，章安元.集成电子技术基础教程[M].1版.北京:高等教育出版社，2002.
[4]康华光.电子技术基础（模拟部分第四版）[M].北京:高等教育出版社，1999.
[5]杨素行.模拟电子技术简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社，1999.
[6]张肃文.低频电子线路[M].2版.北京:高等教育出版社，2003.
[7]余孟尝.数字电子技术简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社，1997.
[8]冯军.谢嘉奎.电子 线路：线性部分[M].5版.北京:高等教育出版社，2010.
