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    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析

    發布時間:2020-04-20

    【導讀】晶體三極管作為一個常用器件,是構成現代電子世界的重要基石。本文主要是關于晶體三極管的介紹,描述并分析了它的結構和作用,并詳細闡述了晶體三極管的工作原理。
     
    晶體三極管作為一個常用器件,是構成現代電子世界的重要基石。本文主要是關于晶體三極管的介紹,描述并分析了它的結構和作用,并詳細闡述了晶體三極管的工作原理。
     
    晶體三極管
    三極管,全稱應為半導體三極管,也稱雙極型晶體管、晶體三極管,是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號, 也用作無觸點開關。晶體三極管,是半導體基本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結,兩個PN結把整塊半導體分成三部分,中間部分是基區,兩側部分是發射區和集電區,排列方式有PNP和NPN兩種。
     
    晶體三極管的結構和作用分析
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    結構類型
    晶體三極管,是半導體基本元器件之一,具有電流放大作用,是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結,兩個PN結把正塊半導體分成三部分,中間部分是基區,兩側部分是發射區和集電區,排列方式有PNP和NPN兩種,
     
    從三個區引出相應的電極,分別為基極b發射極e和集電極c。
     
    發射區和基區之間的PN結叫發射結,集電區和基區之間的PN結叫集電結。基區很薄,而發射區較厚,雜質濃度大,PNP型三極管發射區"發射"的是空穴,其移動方向與電流方向一致,故發射極箭頭向里;NPN型三極管發射區"發射"的是自由電子,其移動方向與電流方向相反,故發射極箭頭向外。發射極箭頭向外。發射極箭頭指向也是PN結在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。
     
    三極管的封裝形式和管腳識別
    常用三極管的封裝形式有金屬封裝和塑料封裝兩大類,引腳的排列方式具有一定的規律,
     
    底視圖位置放置,使三個引腳構成等腰三角形的頂點上,從左向右依次為e b c;對于中小功率塑料三極管按圖使其平面朝向自己,三個引腳朝下放置,則從左到右依次為e b c。
     
    國內各種類型的晶體三極管有許多種,管腳的排列不盡相同,在使用中不確定管腳排列的三極管,必須進行測量確定各管腳正確的位置,或查找晶體管使用手冊,明確三極管的特性及相應的技術參數和資料。
     
    作用
    晶體三極管具有電流放大作用,其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數,用符號“β”表示。電流放大倍數對于某一只三極管來說是一個定值,但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。
     
    詳解晶體三極管工作原理
    三極管原理,傳統講解方法中存在的問題概括起來主要有以下三點:
     
    1 嚴重割裂晶體二極管與三極管在原理上的自然聯系。沒有真正說明三極管集電結為何會發生反偏導通并產生Ic?這看起來與二極管原理強調的PN結單向導電性相矛盾。
     
    2 不能說明放大狀態下集電極電流Ic為什么只受控于電流Ib而與電壓無關;即:Ic與Ib之間為什么存在著一個固定的放大倍數β關系。
     
    3 不能說明飽和狀態下,Vc電位很弱的情況下,為什么集電結仍然會反向導通并且有反向大電流Ic通過。
     
    很多教科書對于這部分內容,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,干脆采用了回避的方法,只給出結論卻不講原因。既使專業性很強的教科書,采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,講解內容前后矛盾,甚至造成講了還不如不講的效果,使很多初學者常常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,對于這部分內容摸索出了一個適合于自己教學的新講解方法,并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愿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復合;3 集電區收集由基區擴散過來的電子。”
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析

    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,而是極不恰當地著重地強調了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,集電結就可以反向導通,PN結的單向導電性就會失效。這是讓初學者很容易產生一系列模糊認識的根源。
     
    這正好與三極管的電流放大原理嚴重地矛盾。三極管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只能受控于Ib。
     
    問題2:不能很好地說明三極管的飽和狀態。當三極管工作在飽和區時,Vc的值很小甚至低于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向導通的現象。這很明顯地與傳統講法中強調Vc的高電位作用這種說法相矛盾。
     
    問題3:傳統講法第2步過于強調基區的薄,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結的典型特性——單向導電。這顯然與人們利用三極管內部兩個PN結的單向導電性,來判斷三極管管腳名稱(e、b、c)的經驗相矛盾。既使基區很薄,人們判斷管腳名稱時,也并沒有發現因為基區的薄而導致PN結單向導電性失效的情況。基區很薄,但兩個PN結的單向導電特性仍然完好無損,這才使得人們有了判斷三極管管腳名稱的辦法和根據。
     
    問題4:在第2步講解為什么Ic會受Ib控制,并且Ic與Ib之間為什么會存在著一個固定的比例關系時,不能形象說明。只是從工藝上強調基區的薄與摻雜度低,不能從道理上根本性的說明電流放大倍數β什么會保持不變的原因。
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    問題5:割裂二極管與三極管在原理上的自然聯系,無法實現內容上的自然過渡。甚至使人產生很矛盾的感覺,二極管原理強調PN結的正向導電反向截止,而三極管原理則又要求PN結能夠反向導通,這讓人很難接受。同時,也不能體現晶體三極管與電子三極管之間在電流放大原理上的歷史聯系。
     
    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。講三極管的原理我們從二極管的原理入手講起。二極管的結構與原理都很簡單,內部一個PN結具有單向導電性,如示意圖B。很明顯圖示二極管處于反偏狀態,PN結截止。我們要特別注意這里的截止狀態,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結的單向導電性并不是百分之百。
     
    為什么會出現這種現象呢?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征載流子“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,能夠正向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于少數載流子的數量。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,光敏二極管的原理就是如此。光敏二極管工作在反偏狀態,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制作出了光敏二極管(見下圖)。
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    既然此時漏電流的增加是人為的,那么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:
    講到這里,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的電流。而對于少數截流子的通過,PN結不僅不截止,一定程度上反而還會更加容易。
     
    為什么呢?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,這也是PN結正向導通的門電壓。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于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”,也就是教科書后續內容中要講到的三極管的飽和狀態。三極管在飽和狀態下,集電極電位接近或稍低于基極電位,集電結處于零偏置,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。注2
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    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型晶體三極管的雛形,其相應各部分的名稱以及功能與三極管完全相同。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采用與三極管相應的名稱(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)也是很容易的,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”的注入,使其在數量上發生改變。
     
    4、集電極電流Ic的形成:
    如圖C,發射結加上正偏電壓導通后,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)的身份仍然屬于少數載流子的性質。如前所述,少數載流子很容易反向穿過處于反偏狀態的PN結。所以,這些載流子——電子就會很容易向上穿過處于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,集電極電流的形成并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于發射區載流子對基區的注入,取決于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么關系。這正好能自然地說明,為什么三極管在放大狀態下,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并不受控于Vc,Vc的作用主要是維持集電結的反偏狀態,以此來滿足三極管放狀態下所需要的外部條件。
     
    對于Ic還可以做如下結論:Ic的本質是“少數載流子”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為什么會很容易反向穿過集電結的原因。
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    5、Ic與Ib的關系:
    很明顯,對于三極管的內部電路來說,圖C與圖D是完全等效的。圖D就是教科書上常用的三極管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,主要取決于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型三極管在電流放大狀態下,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管的“電子”流。也就是說貫穿三極管的電流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管非常類似。如圖E,圖E就是電子三極管的原理示意圖。電子三極管的電流放大原理因為其結構的直觀、形象,可以很容易很自然地得到解釋。
     
    如上圖所示,很容易理解,電子三極管Ib與Ic之間的固定比例關系,主要取決于電子管柵極(基極)的構造。當外部電路條件滿足時,電子三極管工作在放大狀態。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,其余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,那么截流比例就確定,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。
     
    晶體三極管的電流放大關系與電子三極管在這一點上極其類似。
     
    晶體三極管的基極就相當于電子三極管的柵極,基區就相當于柵網,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,那么空穴對電子的截流量就小,這就相當于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管的內部結構確定,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,在制作三極管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于基區空穴的數量。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于摻“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β值就是定值。這就是為什么放大狀態下,三極管的電流Ic與Ib之間會有一個固定的比例關系的原因。
     
    另外,由于集電結處于反偏狀態,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,就保證了穿越三極管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,三極管電流放大倍數β就只能是定值。
     
    6、對于截止狀態的解釋:
    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系。這個比例關系說明,放大狀態下電流Ic按一個固定的比例受控于電流Ib,這個固定的控制比例主要取決于晶體管的內部結構。
     
    對于Ib等于0的截止狀態,問題更為簡單。當Ib等于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。
     
    三、新講法需要注意的問題:
     
    晶體三極管的結構和作用以及工作原理分析
     
    以上,我們用了一種新的切入角度,對三極管的原理在講解方法上進行了探討。特別是對晶體三極管放大狀態下,集電結為什么會反向導電形成集電極電流做了重點討論。同時,對三極管的電流放大倍數β為什么是定值也做了深入分析。
     
    這種講解方法的關鍵,在于強調二極管與三極管在原理上的自然聯系。從二極管PN的反向截止特性曲線上很容易看出,只要將這個特性曲線轉過180度,如圖F所示,它的情形與三極管的輸出特性非常相似,三極管輸出特性如圖G所示。實際上,圖F代表是PN結的反向截止特性,那么,圖G所示所代表的是晶體三極管內部集電結對于不同的Ib值時的反向特性,是集電結的一組反向特性。這表明二極管與三極管在原理上確實存在著很自然的聯系。所以,在講解方法上選擇這樣的切入點,從PN結的反偏狀態入手講解三極管,就顯得非常自然合理。而且,這樣的講解會使問題變得淺顯易懂,前后內容之間也顯得自然和諧、順理成章。
     
    這種講法的不足點在于,從PN結的漏電流入手講起,容易造成本征漏電流與放大電流在概念上的混肴。所以,在后面講解晶體管輸入輸出特性曲線時,應該注意強調說明“本征載流子”與“摻雜載流子”的性質區別。本征載流子對電流放大沒有貢獻。本征載流子的電流對晶體管的特性影響往往是負面的,是需要克服的。晶體管電流放大作用主要是靠摻雜載流子來實現的。要注意在概念上進行區別。
     
    另外,還要注意說明,本質上晶體內部有關載流子的問題其實并非如此簡單,它涉及到晶體的能級問題以及晶體的能帶結構問題,還有載流子移動時的勢壘分析等。所以,并不是隨便找一些具有載流子的導體或半導體就可以制成PN結,從而進一步制成晶體管。晶體管實際的制造工藝也并非如此簡單。
     
    本文這樣的講解方法主要是在不違反物理原則的前提下,試圖把問題盡量地簡化,盡量做到淺顯易懂、自然合理,以便于人們的理解與接受。這才是這種講解方法的主要意義所在。
     
    結語
    至此,本文關于晶體三極管的相關介紹就到這了,希望本文能讓你對晶體三極管有更加全面的認識,如有不足之處歡迎指正。
     
     
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