三极管原理讲解方法的探讨

　　在当今科技飞速发展的时代，电子技术已经广泛渗透到人们生产生活的各个领域。晶体三极管作为电子技术中基本且常用的器件，其原理对于学习电子技术的人而言是重中之重。三极管原理的关键在于阐明以下三点：其一，集电结为何会发生反偏导通并产生 Ic，这看似与二极管原理强调的 PN 结单向导电性相矛盾；其二，放大状态下集电极电流 Ic 为何只受控于电流 Ib 而与电压无关，即 Ic 与 Ib 之间为何存在固定的放大倍数关系，且只要 Ib 为零，Ic 即为零；其三，饱和状态下，在 Vc 电位很弱的情况下，为何仍会有反向大电流 Ic 产生。
　　然而，许多教科书在讲解这部分内容时，处理方式并不恰当。尤其是面向初、中级学者的普及性教科书，大多采用回避的方法，只给出结论而不讲原因。即便性很强的教科书，其讲解方法也存在诸多值得商榷的问题。这些问题主要集中在讲解方法的切入角度不恰当，导致讲解内容前后矛盾，甚至让初学者一头雾水。
　　经过多年的总结思考与教学实践，笔者摸索出一种适合教学的新讲解方法，并在具体教学实践中取得了一定效果。虽然新方法可能存在欠缺，但仍希望与同行共同探讨，通过批评指正加以完善。
　　传统讲法及问题
　　传统讲法通常分三步，以 NPN 型为例（以下讨论皆以此为例）。步，发射区向基区注入电子；第二步，电子在基区的扩散与复合；第三步，集电区收集由基区扩散过来的电子。但这种讲解方法存在诸多问题。首先，在讲解集电极电流 Ic 的形成原因时，没有着重从载流子的性质说明集电结的反偏导通，而是不恰当地强调 Vc 的高电位作用和基区的薄，容易使人误解，与三极管的电流放大原理相矛盾。其次，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 很小甚至低于 Vb，仍有很大的反向饱和电流 Ic，这与强调 Vc 的高电位作用相矛盾。再者，过于强调基区的薄，容易让人误解基区的薄是集电结反向导通的原因，与利用三极管内部两个 PN 结的单向导电性判断管脚名称的经验相矛盾。另外，在讲解 Ic 受 Ib 控制以及 Ic 与 Ib 之间存在固定比例关系时，不能形象说明，只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低，无法从根本上说明电流放大倍数为何保持不变。，割裂了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，也不能体现晶体三极管与电子三极管在电流放大原理上的历史联系。
　　新讲解方法
　　切入点：讲三极管原理从二极管原理入手。二极管内部的 PN 结具有单向导电性，处于反偏状态时会有很小的漏电流，这是因为 P 区和 N 区除了多数载流子外，还存在极少数本征载流子。反偏时，少数载流子在电源作用下能反向穿过 PN 结形成漏电流，其大小主要取决于少数载流子的数量。人为增加少数载流子数量，就能增加漏电流，光敏二极管就是利用这个原理。
　　强调一个结论：PN 结正偏时是多数载流子载流导电，反偏时是少数载流子载流导电，所以正偏电流大，反偏电流小，PN 结显示出单向电性。反偏时少数载流子反向通过 PN 结比正偏时多数载流子正向通过还要容易，这是因为内电场对少数载流子反向通过有帮助作用，该结论可解释三极管的饱和状态。
　　自然过渡：既然可以用光照控制少数载流子数量来控制漏电流，那么也可以用电注入的方法增加 N 区或 P 区少数载流子的数量，实现对电流的控制。在 P 区下面加一块 N 型半导体，就形成了 NPN 型晶体三极管的雏形，通过使发射结正偏，可将发射区的电子注入基区，改变基区少数载流子 “电子” 的数量。
　　集电极电流 Ic 的形成：发射结正偏导通后，发射区的电子大量进入基区，这些电子在基区属于少数载流子，很容易反向穿过反偏的集电结到达集电区形成集电极电流 Ic。集电极电流的大小主要取决于发射区载流子对基区的发射与注入程度，与集电极电位高低关系不大。Ic 的本质是 “少子” 电流，是人为可控的集电结 “漏” 电流。
　　Ic 与 Ib 的关系：晶体三极管的电流放大关系与电子三极管类似。晶体三极管的基极相当于电子三极管的栅极，基区相当于栅网。放大状态下，贯穿管子的电子流通过基区时，基区会对电子流进行截流。截流比主要取决于基区空穴的数量，而基区空穴的总数量取决于掺杂度和基区的厚薄。只要晶体管结构确定，截流比就确定，三极管的电流放大倍数就是定值。
　　对于截止状态的解释：当 Ib 等于 0 时，说明外部电压 Ube 太小，没有达到发射结的门电压值，发射区没有载流子 “电子” 向基区发射注入，所以既不会有电流 Ib，也不会有电流 Ic。从纯数学的电流放大公式 Ic = βIb 也可推出，Ib 为 0 时，Ic 也为 0。