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《日科干货》从一种新的切入角度来看三极管工作原理

日期: 2018-06-19
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随着科学技的发展,电子技术的应用几乎渗透到了人们生产生活的方方面面。晶体三极管作为电子技术中一个最为基本的常用器件,其原理对于学习电子技术的人自然应该是一个重点。三极管原理的关键是要说明以下三点。

1、集电结为何会发生反偏导通并产生Ic,这看起来与二极管原理强调的PN结单向导电性相矛盾。

2、放大状态下集电极电流Ic,为什么会只受控于电流Ib而与电压无关;即:Ic与Ib之间为什么存在着一个固定的放大倍数关系。虽然基区较薄,但只要Ib为零,则Ic即为零。

3、饱和状态下,Vc电位很弱的情况下,仍然会有反向大电流Ic的产生。

很多教科书对于这部分内容,在讲解方法上处理得并不适当。特别是针对初、中级学者的普及性教科书,大多采用了回避的方法,只给出结论却不讲原因。即使专业性 很强的教科书,采用的讲解方法大多也存在有很值得商榷的问题。这些问题集中表现在讲解方法的切入角度不恰当,使讲解内容前后矛盾,甚至造成讲还不如不讲的 效果,使初学者看后容易产生一头雾水的感觉。

一、 传统讲法及问题:

传统讲法一般分三步,以NPN型为例(以下所有讨论皆以NPN型硅管为例)1.发射区向基区注入电子;2.电子在基区的扩散与复合;3.集电区收集由基区扩散过来的电子。

问题1:这种讲解方法在第3步中,讲解集电极电流Ic的形成原因时,不是着重地从载流子的性质方面说明集电结的反偏导通,从而产生了Ic,而是不恰当地侧重 强调了Vc的高电位作用,同时又强调基区的薄。这种强调很容易使人产生误解。以为只要Vc足够大基区足够薄,集电结就可以反向导通,PN结的单向导电性就 会失效。其实这正好与三极管的电流放大原理相矛盾。三极管的电流放大原理恰恰要求在放大状态下Ic与Vc在数量上必须无关,Ic只能受控于Ib。


问题2:不能很好地说明三极管的饱和状态。当三极管工作在饱和区时,Vc的值很小甚至还会低于Vb,此时仍然出现了很大的反向饱和电流Ic,也就是说在Vc很小时,集电结仍然会出现反向导通的现象。这很明显地与强调Vc的高电位作用相矛盾。


问题3:传统讲法第2步过于强调基区的薄,还容易给人造成这样的误解,以为是基区的足够薄在支承三极管集电结的反向导通,只要基区足够薄,集电结就可能会失去PN结的单向导电特性。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性,来判断管脚名称的经验相矛盾。既使基区很薄,人们判断管脚名称时,也并没有 发现因为基区的薄而导致PN结单向导电性失效的情况。基区很薄,但两个PN结的单向导电特性仍然完好无损,这才使得人们有了判断三极管管脚名称的办法和根 据。


问题4:在第2步讲解为什么Ic会受Ib控制,并且Ic与Ib之间为什么会存在着一个固定的比例关系时,不能形象加以说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低,不能从根本上说明电流放大倍数为什么会保持不变。


问题5:割裂二极管与三极管在原理上的自然联系,不能实现内容上的自然过渡。甚至使人产生矛盾观念,二极管原理强调PN结单向导电反向截止,而三极管原理则又要求PN结能够反向导通。同时,也不能体现晶体三极管与电子三极管之间在电流放大原理上的历史联系。


二、新讲解方法:


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