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1、晶体三极管“电路放大功能”原理PN结的本质：在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。1、切入点：要想很自然地说明问题，就要选择恰当地切入点。讲三极管的原理我们从二极 管的原理入手讲起。二极管的结构与原理都很简单，内部一个PN结具有单向导 电性，如示意图B。很明显图示二极管处于反偏状态，PN结截止。我们要特殊注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是“反向关不断”现象,PN结的单向导电性并非百分之百。说PN结总是存在着P区(SB)为什么会浮现这种现象呢？这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多 数载流子“空穴”之
2、外，还总是会有极少数的本征载流子“电子”浮现。N区 是一样，除了多数载流子电子之外，也会有极少数的载流子空穴存在。PN结反偏时，能够正向导电的多数载流子被拉向电源，使PN结变厚，多数 载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能。所以，此时漏电流的形成主要 靠的是少数载流子，是少数载流子在起导电作用。反偏时，少数载流子在电源的 作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流。漏电流之所以很小，是因为少 数载流子的数量太少。很明显，此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量。 如果要想人为地增加漏电流，只要想办法增加反偏时少数载流子的数量即可。所 以，如图B,如果能够在P区或者N区人为地增加少数载流子
3、的数量，很自然的 漏 电流就会人为地增加。其实，光敏二极管的原理就是如此。光敏二极管与普 通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性。因此，光敏二极管工作时应 加之反 向电压，如图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流， 普通为1x103 1x10-9A（称为暗电流），此时相当于光敏二极管截止；当有光照 射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击 发产生电 子一空穴对，这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P 区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压 作用下， 反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的
4、变化而相应 变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的 电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。Dg IE rlD光敏二极管工作在反偏状态，因为光照可以增加少数载流子的数量，于是光照 就会导致反向漏电流的改变，人们就是利用这样的道理制作出了光敏二极管。既 然此时漏电流的增加是人为的，那末漏电流的增加部份也就很容易能够实现人为 地控制。2、强调一个结论：讲到这里，一定要重点地说明PN结正、反偏时，多数载流子和少数载流子所 充当的角色及其性质。正偏时是多数载流子导电，反偏时是少数载流子载流导电。所以，正偏电流大，反偏电流小，PN结显示出单向电性。特殊是要重点说明，反偏时少数载
5、流子反向通过PN结是很容易的, 甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易。为什么呢？大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的 内电场，而内电场的作用方向总是妨碍多数载流子的正向通过，所以，多数载 流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用，需要约07伏的外加电压，这 是PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是PN 结加厚，少数载流子反向通过PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过PN 结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有 妨碍作用，甚至还会有匡助作用。这就导致了以上我们所说的结论：反偏时少数 载流子反向通过PN结是很
6、容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要 容易。这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”，也就是教材后续内容要讲 到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下，集电极电位很低甚至会接近或者 稍 低于基极电位，集电结处于零偏置，但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic 产生。3、自然过渡:（图B）继续讨论图B, PN结的反偏状态。利用光照控制少数载流子的产生数量就可 以实现人为地控制漏电流的大小。既然如此，人们自然也会想到能否把控制的方 法改变一下，不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的 数量，从而实现对PN结的漏电流的控制。也就是不用“光”的方法，而是用“电”的方法来实现对
7、电流的控制（注2） o接下来重点讨论P区，P区的少数 载流子是电子，要想用电注入的方法向P区注入电子，最好的方法就是如图C 所示，在P区下面再用特殊工艺加一块N型半导体（注3）。（解释发射极的由来）岖舒抠图C图c所示其实就是NPN型晶体三极管的雏形，其相应各部份的名称以及功能与 三极管彻底相同。为方便讨论，以下我们对图C中所示的各个部份的名称直接采 用与三极管相应的名称（如“发射结”，“集电极”等）。再看示意图C,图中 最下面的发射区N型半导体内电子作为多数载流子大量存在，而且，如图C中 所示，要将发射区的电子注入或者说是发射到P区（基区）是很容易的，只要使 发射结正偏即可。具体说就是在基极与
8、发射极之间加之一个足够的正向的门电压 （约为0.7伏）就可以了。在外加门电压作用下，发射区的电子就会很容易地被 发射注入到基区，这样就实现对基区少数载流子“电子”在数量上的改变。4、集电极电流Ic的形成:fix刻返如图C,发射结加之正偏电压导通后，在外加电压的作用下，发射区的多数 载流子一一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，这些载流子一一电子就会很容易 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非一定要靠集电极
9、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几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lb的关系：很明显，对于三极管的内部电路来说，图C与图D是彻底等效的。图
10、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。通过上面的静，现在已经明白，三极管在电流放大状态下，内部的主要电 流就是由载流字电子由发射区经基区再到集电区贯通三极管所形成。也就是贯 穿三极管的电流Ic主要是电子流。这种贯通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。集电极栅极发射极加热灯丝如图E所示，很容易理解，电子三极管lb与Ic之间的固定比例关系，主要取 决于电子管栅极（基极
11、）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（基极）再到集 电极的电子流。电子流在穿越栅极（基极）时，很显然栅极（基极）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1b,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，那末截流比例就确定，也就是Ic与lb的比值确定。 所以，只要管子的内部结构确定，的值就
12、确定，这个比值就固定不变。由此可知，电流放大倍数的B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B值越低，栅极越疏则截流比例越小，相应的B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，只无非晶体管的这个栅网是动态的是 不可见的。放大状态下，贯通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，那末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。
13、所以，为了获大较大的电流放大倍数，使B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建区的带正电的“空穴对贯通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（基极电源Eb,即：在基极补充一个很小 的1b,就会产生一个很大的1c）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
14、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lb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：比例关系说明，放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流1b,这个固 定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构。对于lb等于0的截止状态，问题更为简单。当1b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1b,也更不可能有电流Ic。此外，从纯数学 的电流放大公式更容易推出结论，Ic=（Bib, 1b为0,很显然Ic也为0o 三、新讲法需要注意
15、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。特殊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
16、变得浅显易懂生动形象，先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。止匕外， 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，以及载流子挪移的势垒分析等。所以，并非随便找一 种或者两种具有载流子的导体或者半导体就可以制成PN结，就可以制成晶体管, 晶体管实际的创造工艺也并非如此简单。注1：见电子技术基础第33至35面，华中工学院出版，康华光主编，第三 版，摹拟部份。注2：光照增加的是本征载流子，而后面讲的电注入增加的是掺杂载流子，本征 载流子是成对浮现，是电子空穴对，正负对应。这与掺杂载流子是有区别的。 注3：此处涉及到三极管的创造工艺，以及半导体材料有关载流子的能级问题。 能级结构不同的晶体材料，相互之间载流子的注入及挪移会很复杂，也不容易实 现。所以，晶体管的整体普通都用相同的半电体物质构成。要末是硅管，要末是 楮管，很少有一部份是硅而另一部份是错的情况。