重新理解三極管的關鍵問題

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）的性質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發射與注入，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及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 與集電極電位Vc 的大小無關的原因。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大態下所需要外部電路條件。對于Ic 還可以做如下結論：Ic 的本質是“少子”電流，是通過電子注入而實現的人為可控的集電結“漏”電流，因此它就可以很容易地反向通過集電結。

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發射注入程度。

通過上面的討論，現在已經明白，三極管在電流放大狀態下，內部的主要電流就是由載流子電子由發射區經基區再到集電區貫穿三極管所形成。也就是貫穿三極管的電流Ic 主要是電子流。這種貫穿的電子流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，可以很自然得到解釋。

如圖E 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。在放大狀態下，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，很顯然柵極會對其進行截流，截流時就存在著一個截流比問題。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，的值就確定，這個比值就固定不變。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。其實晶體三極管的電流放大關系與電子三極管類似。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，基區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，基區的空穴數就會少，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，在制作三極管時往往要把基區做得很薄，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分布在基區的帶正電的“空穴”對貫穿的電子流中帶負電的“電子”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”又不斷地會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的值就是定值。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。

6、對于截止狀態的解釋：

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：

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聯系。

其實，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。這說明了二極管與三極管在原理上存在著很必然的聯系。所以，在講解方法上選擇這樣的切入點，從PN 結的偏狀態入手講三極管，就顯得非常合適。而且，這樣的講解會使問題變得淺顯易懂生動形象，前后內容之間自然和諧順理成章。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靠摻雜載流子來實現。要注意在概念上進行區別。另外，還要注意說明，從本質上晶體內部有關載流子的問題其實并不簡單，它涉及到晶體的能級分析能帶結構，以及載流子移動的勢壘分析等。所以，并不是隨便找一種或兩種具有載流子的導體或半導體就可以制成PN 結，就可以制成晶體管，晶體管實際的制造工藝也并不是如此簡單。這樣的講解方法主要是在不違