薄永軍
(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300402)
在三極管放大原理的解讀中,推敲不少教材的微觀解釋,很多存在著疑問(wèn)或歧義,即便后面學(xué)習(xí)時(shí)記住了有關(guān)計(jì)算,但對(duì)其微觀上到底是怎么放大的,難免莫名所以、心存疑惑。本文就相關(guān)教材進(jìn)行分析,并試圖給出一個(gè)新解,使學(xué)習(xí)者能順利通過(guò)理解關(guān)。
(一)教材的表述。以高等教育出版社的《電工電子技術(shù)》為例,在既定條件下的三極管(NPN型)放大作用,“用晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)解釋:發(fā)射結(jié)加正向電壓,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子)越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū),初始集中在發(fā)射結(jié)的邊緣,基區(qū)兩端載流子濃度上的差異,使電子向集電結(jié)作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于基區(qū)很薄而且摻雜濃度又很低,所以空穴數(shù)量很少。在擴(kuò)散過(guò)程中少量的電子與基區(qū)的空穴相遇被復(fù)合掉,電源EB拉走電子形成新的空穴(集電區(qū)的少子空穴也會(huì)漂移到基區(qū)),大部分電子到達(dá)集電結(jié)邊緣,在集電結(jié)反偏電壓作用下,穿過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū),電源EC不斷拉走電子而形成空穴,這些空穴就不斷與集電區(qū)電子復(fù)合?!保ㄝd流子的運(yùn)動(dòng)形成電流:IE、IB、IC。)
電流放大(控制)的解釋為:“當(dāng)改變基極偏置電阻使基極電流IB改變時(shí),實(shí)質(zhì)是在改變基極與發(fā)射極之間的電壓UBE,引起發(fā)射結(jié)寬度的變化;如IB增大即UBE增大,發(fā)射結(jié)變窄,使發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射更多電子——其中少數(shù)在基區(qū)復(fù)合(ΔIB)、多數(shù)到達(dá)集電區(qū)(ΔIC)?!?/p>
(二)問(wèn)題與歧義。查閱其他書(shū)籍,相關(guān)解釋基本類似(或只給出結(jié)論而不講原因),粗一看,微觀分析似乎能夠解釋“放大”原理,但仔細(xì)推敲并延伸到后繼結(jié)論,就存在幾個(gè)問(wèn)題和歧義:
1.集電結(jié)反偏“導(dǎo)通”并產(chǎn)生IC,為什么與二極管的單向?qū)щ娦韵嗝埽?/p>
2.“基區(qū)很薄而且摻雜濃度又很低”有什么作用?
3.放大狀態(tài)下集電極電流IC為什么“受控于”電流IB?為什么IC與IB之間存在著一個(gè)基本固定的放大倍數(shù)關(guān)系?IC的變化量與IB的變化量關(guān)系如何?
4.集電結(jié)反偏電壓VC“驅(qū)動(dòng)”電子進(jìn)入集電區(qū),是否VC越大能力越強(qiáng)、IC越大,與電壓VC有何關(guān)系?
5.如何解釋飽和狀態(tài)下,VC電位很低的情況下,仍然會(huì)有反向大電流IC的產(chǎn)生,這與“問(wèn)題4”矛盾。飽和狀態(tài)下UCE<UBE,為什么不因BC結(jié)正向?qū)ǘ纬上喾碔C電流?
6.如果把集電極和發(fā)射極對(duì)調(diào),按此說(shuō)法也解釋得通,那為什么還要分集電極和發(fā)射極呢?如何區(qū)分或判斷呢?這些問(wèn)題及所引起的歧義,常使學(xué)習(xí)者很難從表述中得到釋疑?!袄碚摗本褪且罢f(shuō)得通”!或許這樣講解的方法不當(dāng),使講解的內(nèi)容產(chǎn)生了歧義甚至矛盾,使學(xué)習(xí)者看后一頭霧水。為此,結(jié)合經(jīng)驗(yàn),探索一種對(duì)策,或者說(shuō)新解,來(lái)解釋原理,讓學(xué)習(xí)者方便理解和推理。
三極管工作原理的講解,一般在二級(jí)管講解之后,在原理上應(yīng)以二極管原理為基礎(chǔ),前面為后面做好鋪墊,合理過(guò)渡。
分析PN結(jié)及二極管的工作原理,不難得到結(jié)論:
1.在微觀上,一是PN結(jié)加正向電壓時(shí),外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)反向,PN結(jié)變窄,有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散、順利通過(guò)PN結(jié),形成較大正向電流——PN結(jié)呈低電阻狀態(tài);同時(shí)少數(shù)載流子的漂移也沒(méi)有停止。二是PN結(jié)加反向電壓時(shí),外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)同向,PN結(jié)變寬,多數(shù)載流子的擴(kuò)散受阻;但加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移,因少子較少,只能形成較小的反向電流——PN結(jié)呈高電阻狀態(tài);如果人為增加少數(shù)載流子,則反向電流增加(或稱增強(qiáng)式漂移),比如光敏二極管是在反偏狀態(tài)下通過(guò)光照增加少數(shù)載流子數(shù)量、形成(漏)電流而工作的。這里要特別強(qiáng)調(diào)載流子的角色和性質(zhì),明確擴(kuò)散和漂移總是同時(shí)存在,宏觀表現(xiàn)是兩種電流的動(dòng)態(tài)疊加值。正偏時(shí)多數(shù)載流子(為主導(dǎo))載流導(dǎo)電;反偏時(shí)少數(shù)載流子(為主導(dǎo))載流導(dǎo)電,強(qiáng)調(diào):反偏時(shí)少數(shù)載流子反向通過(guò)PN結(jié)很容易,甚至比正偏時(shí)多數(shù)載流子正向通過(guò)還要容易。
2.在宏觀上,一是“半導(dǎo)體”和PN結(jié)不是絕緣體,導(dǎo)電性能隨著摻雜濃度等因素而增加。二是PN結(jié)也可以理解為是一個(gè)“受控電阻”,其大小受所加電壓、摻雜濃度、結(jié)的面積等“控制”;如:增加正向電壓時(shí)電阻逐漸減小,當(dāng)超過(guò)“導(dǎo)通電壓”時(shí)電阻急劇減??;加反向電壓時(shí)電阻很大、并隨其增加微量減小,當(dāng)超過(guò)“反向擊穿電壓”時(shí)電阻急劇減小。
三極管的工作原理與二極管、PN結(jié)特性密不可分,合理引申,完全能解釋三極管各區(qū)工作原理、特性曲線,而不必避而不談或另求曲解。以前述NPN型三極管放大為例,在前述相同的條件下的放大作用,從宏觀上也可理解為“兩個(gè)受控電阻的并聯(lián)分流”(不再詳解);而從微觀上,結(jié)合三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其工作原理的新解如下(IE、IB、IC均指主導(dǎo)電流):
1.IB與IE電流的形成
發(fā)射結(jié)加一個(gè)足夠的正向的電壓,PN結(jié)變薄,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子)很容易越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū),實(shí)現(xiàn)了對(duì)基區(qū)少數(shù)載流子(自由電子)在數(shù)量上的增加,或者說(shuō):發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子)很容易地被大量發(fā)射進(jìn)入基區(qū),形成發(fā)射極電流IE。大量的自由電子到達(dá)基區(qū)后,分布在基區(qū)的空穴(多子)與自由電子“中和”,同時(shí)“空穴”又會(huì)不斷地在外部電源作用下得到補(bǔ)充,“空穴”不斷地與“電子”中和,這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,就形成基極電流IB,或者說(shuō)是對(duì)IE的“截流”。因基區(qū)很薄、摻雜濃度低,空穴和有機(jī)會(huì)復(fù)合掉的電子都較少,大多進(jìn)入基區(qū)的自由電子很快濃度擴(kuò)散至集電結(jié)邊緣。
2.IC電流的形成
電子在基區(qū)屬于少數(shù)載流子性質(zhì),在集電結(jié)反偏狀態(tài)下,少數(shù)載流子很容易反向穿過(guò)PN結(jié)(尤其在較大的結(jié)面積下)到達(dá)集電區(qū),并不斷在外部電源作用下得到“中和”,形成了集電極電流IC。IC的本質(zhì)是“少子”電流,是通過(guò)電注入方法實(shí)現(xiàn)的人為可控的集電結(jié)“漏”電流。集電極電流的大小主要取決于發(fā)射區(qū)載流子對(duì)基區(qū)的發(fā)射與注入的程度,而幾乎與集電極電位的高低沒(méi)有什么關(guān)系——但集電極必須是接電源正極(UCE>0),以“補(bǔ)充”空穴。強(qiáng)調(diào):集電極電流的形成取決于集電結(jié)反偏、PN結(jié)較大的接觸面(均促進(jìn)漂移)和“增強(qiáng)式漂移”諸因素,不是一定要靠集電極的高電位;故IC的大小與集電極電位VC在數(shù)量上無(wú)關(guān),VC的作用主要是維持集電結(jié)的反偏狀態(tài)。
3.放大狀態(tài)
因電子流進(jìn)入基區(qū)后,少量空穴對(duì)電子流進(jìn)行“截流”,其余部分穿過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū),所以有IE=IB+I(xiàn)C??梢?jiàn),以IE為基礎(chǔ),IC“受控”于IB。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中,基區(qū)空穴的等效總數(shù)量是不變的,主要取決于“摻雜濃度”以及基區(qū)的厚??;當(dāng)三極管結(jié)構(gòu)確定后,基區(qū)空穴的動(dòng)態(tài)總量就確定,對(duì)電子流的“截流比”也就確定。如果設(shè)定IE=(1+β)IB,即IC=βIB,截流比例就是1/(1+β)。在放大條件下,發(fā)射結(jié)導(dǎo)通、集電結(jié)反偏,載流子基本不被“受控電阻”限流,截流比隨基區(qū)結(jié)構(gòu)而定,β值就基本隨三極管結(jié)構(gòu)而確定。這就是放大狀態(tài)下三極管的電流IC與IB之間存在比例關(guān)系的原因(β稱為三極管的電流放大倍數(shù))。因?yàn)榛鶇^(qū)做得薄、摻雜濃度很低,基區(qū)的空穴(多子)對(duì)電子的截流量很?。ǚ粗亓髁繒?huì)增大),所以,β值較高。在制作三極管時(shí)常常要把基區(qū)做得很薄,而且其摻雜濃度也很低,以獲得足夠大的電流“放大”倍數(shù)。放大狀態(tài)下,當(dāng)UBE增加使IE就有一個(gè)很大的增加量ΔIE、IB有一個(gè)增加量ΔIB時(shí),顯然,ΔIC會(huì)按固有的比例(約β)受控于ΔIB。另外,基于“反偏電壓下集電結(jié)‘受控電阻’隨著UCE的增加而微量減小”,也很容易解釋出:輸出特性曲線中,當(dāng)IB一定、UCE增加時(shí)IC有微量增加。
4.截止?fàn)顟B(tài)
當(dāng)IB等于0時(shí),亦即發(fā)射結(jié)電壓UBE太小,沒(méi)有達(dá)到門電壓值,發(fā)射區(qū)沒(méi)有載流子(自由電子)向基區(qū)的發(fā)射與注入,就不會(huì)有電流IB,電流IC也就主要是PN結(jié)的穿透電流。
5.飽和狀態(tài)
當(dāng)UCE減?。║CE>0)到小于UBE時(shí),造成集電結(jié)正偏,主導(dǎo)載流子(自由電子)作為基區(qū)少子,在穿過(guò)集電結(jié)時(shí),就只有“增強(qiáng)式漂移”,而不再有集電結(jié)反偏而促進(jìn)漂移的“優(yōu)待”,集電結(jié)“受控電阻”有所增加,使IC下降,與IB不再成固有的β倍的關(guān)系,且隨著UCE的繼續(xù)減小,IC還會(huì)更加減??;或者說(shuō)IC太大后β下降。(飽和區(qū)是指UCE小于UBE時(shí),IC對(duì)IB不成原比例關(guān)系的區(qū)域,即輸出特性曲線的彎曲部分,一些教材錯(cuò)指為曲線與縱軸間的區(qū)域)。在基本放大電路中,宏觀關(guān)系為UCE=EC-ICRC,顯然,當(dāng)IC“隨”IB增加到一定值時(shí),也就不可能再按原比例增加。
6.C、E極的區(qū)分
如果把發(fā)射極與集電極對(duì)調(diào),原理類似、一樣能夠起到放大作用,但由于集電區(qū)摻雜濃度低,相同的正向結(jié)電壓下發(fā)射電子流會(huì)減小,同時(shí)由于BE結(jié)接觸面小、不利于“促進(jìn)漂移”的進(jìn)行,“受控電阻”較大,這些導(dǎo)致電流放大倍數(shù)下降,三極管不能正常工作。這也是判斷三極管C、E極的重要依據(jù),所以C、E極不可互換使用。
[1]陳小虎.電工電子技術(shù)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2008.
[2]林平勇,高嵩.電工電子技術(shù)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2008.
[3]張軍 等.模擬電子線路(第一版)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.