科普時間：晶體三極體放大原理的講解

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

1.嚴重割裂晶體二極體與三極體在原理上的自然聯繫。沒有真正說明三極體集電結為何會發生反偏導通併產生Ic？這看起來與二極體原理強調的PN結單嚮導電性相矛盾。

2.放大狀態下集電極電流Ic為什麼只受控於電流Ib而與電壓無關；即：Ic與Ib之間為什麼存在著一個固定的放大倍數關係。

3.飽和狀態下，Vc電位很弱的情況下，為什麼集電結仍然會有反向大電流Ic通過。

很多教科書對於這部分內容，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，乾脆採用了迴避的方法，只給出結論卻不講原因。即使專業性很強的教科書，採用的講解方法大多也存在有很值得商榷的問題。這些問題集中表現在講解方法的切入角度不恰當，致使邏輯混亂，講解內容前後矛盾，甚至造成講還不如不講的效果，使很多初學者看後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，對於這部分內容摸索出了一個適合於自己教學的新講解方法，並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願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、傳統講法及問題：

傳統講法一般分三步，以NPN型為例（以下所有討論皆以NPN型硅管為例），如示意圖A。「1發射區向基區注入電子；2電子在基區的擴散與複合；3集電區收集由基區擴散過來的電子。」

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，而是不恰當地側重強調了Vc的高電位作用，同時又強調基區的薄。這種強調很容易使人產生誤解。以為只要Vc足夠大基區足夠薄，集電結就可以反嚮導通，PN結的單嚮導電性就會失效。其實這正好與三極體的電流放大原理相矛盾。三極體的電流放大原理恰恰要求在放大狀態下Ic與Vc在數量上必須無關，Ic只能受控於Ib。

問題2：不能很好地說明三極體的飽和狀態。當三極體工作在飽和區時，Vc的值很小甚至低於Vb，此時仍然出現了很大的反向飽和電流Ic，也就是說在Vc很小時，集電結仍然會出現反嚮導通的現象。這很明顯地與強調Vc的高電位作用相矛盾。

問題3：傳統講法第2步過於強調基區的薄，還容易給人造成這樣的誤解，以為只要基區足夠薄，集電結就可能會失去PN結的單嚮導電特性。這顯然與人們利用三極體內部兩個PN結的單嚮導電性，來判斷管腳名稱的經驗相矛盾。即使基區很薄，人們判斷管腳名稱時，也並沒有發現因為基區的薄而導致PN結單嚮導電性失效的情況。基區很薄，但兩個PN結的單嚮導電特性仍然完好無損，這才使得人們有了判斷三極體管腳名稱的辦法和根據。

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

問題5：割裂二極體與三極體在原理上的自然聯繫，無法實現內容上的自然過渡。甚至使人產生矛盾觀念，二極體原理強調PN結正嚮導電反向截止，而三極體原理則又要求PN結能夠反嚮導通。同時，也不能體現晶體三極體與電子三極體之間在電流放大原理上的歷史聯繫。

二、新講解方法：

1.切入點：

要想很自然地說明問題，就要選擇恰當的切入點。講三極體的原理我們從二極體的原理入手講起。二極體的結構與原理都很簡單，內部一個PN結具有單嚮導電性，如示意圖B。很明顯圖示二極體處於反偏狀態，PN結截止。我們要特別注意這裡的截止狀態，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象，PN結的單嚮導電性並不是百分之百。

為什麼會出現這種現象呢？

這主要是因為P區除了因「摻雜」而產生的多數載流子「空穴」之外，還總是會有極少數的本徵載流子「電子」出現。N區也是一樣，除了多數載流子電子之外，也會有極少數的載流子空穴存在。PN結反偏時，能夠正嚮導電的多數載流子被拉向電源，使PN結變厚，多數載流子不能再通過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載流子，是少數載流子在起導電作用。反偏時，少數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，是因為少數載流子的數量太少。

很明顯，此時漏電流的大小主要取決於少數載流子的數量。如果要想人為地增加漏電流，只要想辦法增加反偏時少數載流子的數量即可。所以，如圖B，如果能夠在P區或N區人為地增加少數載流子的數量，很自然的漏電流就會人為地增加。其實，光敏二極體的原理就是如此。光敏二極體工作在反偏狀態，因為光照可以增加少數載流子的數量，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製作出了光敏二極體。

既然此時漏電流的增加是人為的，那麼漏電流的增加部分也就很容易能夠實現人為地控制。

2.強調一個結論：

講到這裡，一定要重點地說明PN結正、反偏時，多數載流子和少數載流子所充當的角色及其性質。正偏時是多數載流子載流導電，反偏時是少數載流子載流導電。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，反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。即：PN結反偏時，截止的只是多數載流子。而對於少數截流子的通過，PN結不僅不截止，反而會使其更加容易。

為什麼呢？

大家知道PN結內部存在有一個因多數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載流子的正向通過，所以，多數載流子正向通過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結正嚮導通的門電壓。而反偏時，內電場在電源作用下會被加強也就是PN結加厚，少數載流子反向通過PN結時，內電場作用方向和少數載流子通過PN結的方向一致，也就是說此時的內電場對於少數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：反偏時少數載流子反向通過PN結是很容易的，甚至比正偏時多數載流子正向通過PN結還要容易。這個結論可以很好解釋前面提到的「問題2」，也就是教材後續內容要講到的三極體的飽和狀態。三極體在飽和狀態下，集電極電位接近或稍低於基極電位，集電結處於零偏置，但仍然會有較大的集電結的反向電流Ic產生。

3自然過渡：

繼續討論圖B，PN結的反偏狀態。利用光照控制少數載流子的產生數量就可以實現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區或者是P區少數載流子的數量，從而實現對PN結的漏電流的控制。也就是不用「光」的方法，而是用「電」的方法來實現對電流的控制。

接下來重點討論圖B中的P區。重點看P區，P區的少數載流子是電子，要想用電注入的方法向P區注入電子，最好的方法就是如圖C所示，在P區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型晶體三極體的雛形，其相應各部分的名稱以及功能與三極體完全相同。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採用與三極體相應的名稱（如「發身結」，「集電極」等）。

再看示意圖C，圖中最下面的發射區N型半導體內電子作為多數載流子大量存在，而且，如圖C中所示，要將發射區的電子注入或者說是發射到P區（基區）是很容易的，只要使發射結正偏即可。具體說就是在基極與發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，發射區的電子就會很容易地被發射注入到基區，這樣就實現了對基區少數載流子——「電子」在數量上的改變。

4.集電極電流Ic的形成：

如圖C，發射結加上正偏電壓導通後，在外加電壓的作用下，發射區的多數載流子——電子就會很容易地被大量發射進入基區。這些載流子一旦進入基區，它們在基區（P區）的身份仍然屬於少數載流子的性質。如前所述，少數載流子很容易反向穿過處於反偏狀態的PN結。所以，這些載流子——電子就會很容易向上穿過處於反偏狀態的集電結到達集電區形成集電極電流Ic。由此可見，集電極電流的形成並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於發射區載流子對基區的注入，取決於這種發射與注入的程度。這種載流子的發射注入程度幾乎與集電極電位的高低沒有什麼關係。這正好能自然地說明，為什麼三極體在放大狀態下，集電極電流Ic的大小與集電極電位Vc在數量上無關的原因。

放大狀態下Ic並不受控於Vc，Vc的作用主要是維持集電結的反偏狀態，以此來滿足三極體放狀態下所需要外部電路條件。

對於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的人為可控的集電結「漏」電流。這就是Ic為什麼會很容易反向穿過集電結的原因。

5. Ic與Ib的關係：

很明顯，對於三極體的內部電路來說，圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書上常用的三極體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，主要取決於發射區載流子對基區的注入程度。

通過上面的討論，現在已經明白，NPN型三極體在電流放大狀態下，內部的電流主要就是由發射區經基區再到集電區貫穿整個三極體的「電子」流。也就是貫穿三極體的電流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體非常類似。如圖E，圖E就是電子三極體的原理示意圖。電子三極體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，電子三極體Ib與Ic之間的固定比例關係，主要取決於電子管柵極（基極）的構造。當外部電路條件滿足時，電子三極體工作在放大狀態。穿過管子的電流主要是由發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，其餘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，那麼截流比例就確定，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。

晶體三極體的電流放大關係與電子三極體在這一點上極其類似。

晶體三極體的基極就相當於電子三極體的柵極，基區就相當於柵網，只不過晶體管的這個柵網是動態的是不可見的。放大狀態下，貫穿整個管子的電子流在通過基區時，分布在基區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。如果基區做得薄，摻雜度低，基區的空穴數少，那麼空穴對電子的截流量就小，這就相當於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體的內部結構確定，這個截流比也就確定。所以，為了獲大較大的電流放大倍數，使β值足夠高，在製作三極體時才常常要把基區做得很薄，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。所以，截流的效果主要取決於基區空穴的數量。而且，這個過程是個動態過程，「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。

在這個動態過程中，空穴的等效總數量是不變的。基區空穴的總數量主要取決於摻「雜」度以及基區的厚薄，只要晶體管結構確定，基區空穴的總定額就確定，其相應的動態總量就確定。這樣，截流比就確定，晶體管的電流放大倍數的β值就是定值。這就是為什麼放大狀態下，三極體的電流Ic與Ib之間會有一個固定的比例關係的原因。

另外，由於集電結處於反偏狀態，而PN結反偏時本質上截止的是多數載流子的電流，所以，基區的多數載流子「空穴」就不可能會反向穿過集電結到達集電區。這樣，就保證了穿越三極體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。基區的「空穴」只能起到動態的截流作用，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，三極體電流放大倍數β就只能是定值。

6.對於截止狀態的解釋：

現在，我們已經理解了放大狀態下，Ic與Ib之間有一個固定的比例關係。這個比例關係說明，放大狀態下電流Ic按一個固定的比例受控於電流Ib，這個固定的控制比例主要取決於晶體管的內部結構。

對於Ib等於0的截止狀態，問題更為簡單。當Ib等於0時，說明外部電壓Ube太小，沒有達到發射結的門電壓值，發射區沒有載流子「電子」向基區的發射與注入，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。

讀後總結：

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

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