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晶体三极管“电路放大功能”原理PN结的本质在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结
1、切入点要想很自然地说明问题,就要选择恰当地切入点讲三极管的原理我们从二极管的原理入手讲起二极管的结构与原理都很简单,内部一个PN结具有单向导电性,如示意图B很明显图示二极管处于反偏状态,PN结截止我们要特殊注“反向关不断”现象,PN结的单向导电性并非百分之百意这里的截止状态,实际上PN结截止时,总是会有很小的漏电流存在,也就是说为PN什结么总会是浮存现在这着种现象呢?这主要是因为P区除了因“掺杂”而产生的多数载流子“空穴”之外,还总是会有极少数的本征载流子“电子”浮现N区是一样,除了多数载流子电子之外,也会有极少数的载流子空穴存在PN结反偏时,能够正向导电的多数载流子被拉向电源,使PN结变厚,多数载流子不能再通过PN结承担起载流导电的功能所以,此时漏电流的形成主要靠的是少数载流子,是少数载流子在起导电作用反偏时,少数载流子在电源的作用下能够很容易地反向穿过PN结形成漏电流漏电流之所以很小,是因为少数载流子的数量太少很明显,此时漏电流的大小主要取决于少数载流子的数量如果要想人为地增加漏电流,只要想办法增加反区P偏时少数载流子的数量即可所以,如图B,如果能够在P区或者N区人为地增加少数载流子的数量,很自然的漏电流就会人为地增加其实,光敏二极管的原理就是如此光敏二极管与普通光敏S二B极管一样,它的PN结具有单向导电性因此,光敏二极管工作时应加之反向电压,如图所示当无光照时,电路中也有很小的反向饱和漏电流,普通为1x103—1x10-9A(称为暗电流),此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时,PN结附近受光子的轰击,半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对,这些载流子的数目,对于多数载流子影响不大,但对P区和N区的少数载流子来说,则会使少数载流子的浓度大大提高,在反向电压作用下,反向饱和漏电流大大增加,形成光电流,该光电流随入射光强度的变化而相应变化光电流通过负载RL时,在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号光敏二极管就是这样完成电功能转换的D IGER DL光敏二极管工作在反偏状态,因为光照可以增加少数载流子的数量,于是光照就会导致反向漏电流的改变,人们就是利用这样的道理制作出了光敏二极管既然此时漏电流的增加是人为的,那末漏电流的增加部份也就很容易能够实现人为地控制
2、强调一个结论讲到这里,一定要重点地说明PN结正、反偏时,多数载流子和少数载流子所充当的角色及其性质正偏时是多数载流子导电,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结显示出单向电性特殊是要重点说明,反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易为什么呢?大家知道PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场,而内电场的作用方向总是妨碍多数载流子的正向通过,所以,多数载流子正向通过PN结时就需要克服内电场的作用,需要约0・7伏的外加电压,这是PN结正向导通的门电压而反偏时,内电场在电源作用下会被加强也就是PN结加厚,少数载流子反向通过PN结时,内电场作用方向和少数载流子通过PN结的方向一致,也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有妨碍作用,甚至还会有匡助作用这就导致了以上我们所说的结论反偏时少数载流子反向通过PN结是很容易的,甚至比正偏时多数载流子正向通过PN结还要容易这个结论可以很好解释前面提到的“问题2”,也就是教材后续内容要讲到的三极管的饱和状态三极管在饱和状态下,集电极电位很低甚至会接近或者稍低于基极电位,集电结处于零偏置,但仍然会有较大的集电结的反向电流Ic产生
3、自然过渡:(图B)继续讨论图B,PN结的反偏状态利用光照控制少数载流子的产生数量就可以实现人为地控制漏电流的大小既然如此,人们自然也会想到能否把控制的方法改变一下,不用光照而是用电注入的方法来增加N区或者是P区少数载流子的数量,从而实现对PN结的漏电流的控制也就是不用“光”的方法,而是用“电”的方法来实现对电流的控制(注2)o接下来重点讨论P区,P区的少数载流子是电子,要想用电注入的方法向P区注入电子,最好的方法就是如图C所示,在P区下面再(解释发射极的用特殊工艺加一块N型半导体(注3)由来)图c所示其实就是NPN型晶体三极管的雏形,其相应各部份的名称以及功能与三极管彻底相同为方便讨论,以下我们对图C中所示的各个部份的名称直接采用与三极管相应的名称(如“发射结”,“集电极”等)再看示意图C,图中最下面的发射区N型半导体岖舒抠内电子作为多数载流子大量存在,而且,如图C中所示,要将发射区的电子注入或者说是发射到P区(基区)是很容易的,只要使发射结正偏即可具体说就是在基极与发射极之图C间加之一个足够的正向的门电压(约为
0.7伏)就可以了在外加门电压作用下,发射区的电子就会很容易地被发射注入到基区,这样就实现对基区少数载流子“电子”在数量上的改变
4、集电极电流Ic的形成:如图C,发射结加之正偏电压导通后,在外加电压的作用下,发射区的多数载流子一一电子就会很容易地被大量发射进入基区这些载流子一旦进入基区,它们在基区(P区)的性质仍然属于少数载流子的性质如前所述,少数载流子很容易反向穿过处于反偏状态的PN结,所以,这些载流子一一电子就会很容易向上穿过处于反偏状态的集电结到达集fix电区形成集电极电流Ic刻返由此可见,集电极电流的形成并非一定要靠集电极的高电位集电极电流的大小更主要的要取决于发射区载流子对基区的发射与注入,取决于这种发射与注入的程度这种载流子的发射注入程度几乎与集电极电位的高低没有什么关系这正好能自然地说明,为什么三极管在放大状态下,集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关的原因放大状态下Ic并不受控于Vc,Vc的作用主要是维持集电结的反偏状态,以此来满足三极管放大态下所需要外部电路条件对于Ic还可以做如下结论Ic的本质是“少子”电流,是通过电子注入而实现的人为可控的集电结“漏”电流,因此它就可以很容易地反向通过集电结
5、Ic与lb的关系很明显,对于三极管的内部电路来说,图C与图D是彻底等效的图D就是教科书上常用的三极管电流放大原理示意图看图D,接着上面的讨论,集电极电流Ic与集电极电位Vc的大小无关,主要取决于发射区载流子对基区的发射注入程度通过上面的静,现在已经明白,三极管在电流放大状态下,内部的主要电流就是由载流字电子由发射区经基区再到集电区贯通三极管所形成也就是贯穿三极管的电流Ic主要是电子流这种贯通的电子流与历史上的电子三极管非常类似如图E,图E就是电子三极管的原理示意图电子三极管的电流放大原理因为其结构的直观形象,可以很自然得到解释集电极栅极发射极加热灯丝如图E所示,很容易理解,电子三极管lb与Ic之间的固定比例关系,主要取决于电子管栅极(基极)的构造当外部电路条件满足时,电子三极管工作在放大状态在放大状态下,穿过管子的电流主要是由发射极经栅极(基极)再到集电极的电子流电子流在穿越栅极(基极)时,很显然栅极(基极)会对其进行截流,截流时就存在着一个截流比问题截流比的大小,则主要与栅极的疏密度有关,如果栅极做的密,它的等效截流面积就大,截流比例自然就大,拦截下来的电子流就多反之截流比小,拦截下来的电子流就少栅极拦截下来的电子流其实就是电流1b,其余的穿过栅极到达集电极的电子流就是Ic从图中可以看出,只要栅极的结构尺寸确定,那末截流比例就确定,也就是Ic与lb的比值确定所以,只要管子的内部结构确定,的值就确定,这个比值就固定不变由此可知,电流放大倍数的B值主要与栅极的疏密度有关栅极越密则截流比例越大,相应的B值越低,栅极越疏则截流比例越小,相应的B值越高其实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就相当于电子三极管的栅极,基区就相当于栅网,只无非晶体管的这个栅网是动态的是不可见的放大状态下,贯通整个管子的电子流在通过基区时,基区与电子管的栅网作用相类似,会对电子流进行截流如果基区做得薄,掺杂度低,基区的空穴数就会少,那末空穴对电子的截流量就小,这就相当于电子管的栅网比较疏一样反之截流量就会大很明显只要晶体管三极管的内部结构确定,这个截流比也就确定所以,为了获大较大的电流放大倍数,使B值足够高,在制作三极管时往往要把基区做得很薄,而且其掺杂度也要控制得很低与电子管不同的是,晶体管的截流主要是靠分布建区的带正电的“空穴对贯通的电子流中带负电的“电子”中和来实现所以,截流的效果主要取决于基区空穴的数量而且,这个过程是个动态过程,“空穴”不断地与“电子”中和,同时“空穴”又不断地会在外部电源(基极电源Eb,即在基极补充一个很小的1b,就会产生一个很大的1c)作用下得到补充在这个动态过程中,空穴的等效总数量是不变的基区空穴的总数量主要取决于掺“杂”度以及基区的厚薄,只要晶体管结构确定,基区空穴的总定额就确定,其相应的动态总量就确定这样,截流比就确定,晶体管的电流放大倍数的值就是定值这就是为什么放大状态下,三极管的电流Ic与lb之间会有一个固定的比例关系的原因
6、对于截止状态的解释比例关系说明,放大状态下电流Ic按一个固定的比例受控于电流1b,这个固定的控制比例主要取决于晶体管的内部结构对于lb等于0的截止状态,问题更为简单当1b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”向基区的发射注入,所以,此时既不会有电流1b,也更不可能有电流Ic此外,从纯数学的电流放大公式更容易推出结论,Ic=(Bib,1b为0,很显然Ic也为0o
三、新讲法需要注意的问题以上,我们用了一种新的切入角度,对三极管的原理在讲解方法上进行了探讨特殊是对晶体三极管放大状态下,集电结为什么会反向导电形成集电极电流做了重点讨论,同时,对三极管的电流放大倍数为什么是定值也做了深入分析这种讲解方法的关键,在于强调二极管与三极管在原理上的联系其实,从二极管PN的反向截止特性曲线上很容易看出,只要将这个特性曲线转过180度,如图F所示,它的情形与三极管的输出特性非常相似,三极管输出特性如图G所示这说明了二极管与三极管在原理上存在着很必然的联系所以,在讲解方法上选择这样的切入点,从PN结的偏状态入手讲三极管,就显得非常合适而且,这样的讲解会使问题变得浅显易懂生动形象,先后内容之间自然和谐顺理成章这种讲法的不足点在于,从PN结的漏电流入手讲起,容易造成本征漏电流与放大电流在概念上的混肴所以,在后面讲解晶体管输入输出特性曲线时,应该注意强调说明本征载流子与掺杂载流子的性质区别本征载流子对电流放大没有贡献,本征载流子的电流对晶体管的特性影响往往是负面的,是需要克服的晶体管电流放大作用主要靠掺杂载流子来实现要注意在概念上进行区别止匕外,还要注意说明,从本质上晶体内部有关载流子的问题其实并不简单,它涉及到晶体的能级分析能带结构,以及载流子挪移的势垒分析等所以,并非随便找一种或者两种具有载流子的导体或者半导体就可以制成PN结,就可以制成晶体管,晶体管实际的创造工艺也并非如此简单注1见《电子技术基础》第33至35面,华中工学院出版,康华光主编,第三版,摹拟部份注2光照增加的是本征载流子,而后面讲的电注入增加的是掺杂载流子,本征载流子是成对浮现,是电子空穴对,正负对应这与掺杂载流子是有区别的注3此处涉及到三极管的创造工艺,以及半导体材料有关载流子的能级问题能级结构不同的晶体材料,相互之间载流子的注入及挪移会很复杂,也不容易实现所以,晶体管的整体普通都用相同的半电体物质构成要末是硅管,要末是楮管,很少有一部份是硅而另一部份是错的情况。