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世界资讯:晶体三极管工作迷失传奇免费元宝原理是什么?晶体三极管原理讲解存在的(3)

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阻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,这也是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阻碍作用,甚至还会有帮助作用。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”,也就是教科书后续内容中要讲到的三极管的饱和状态。三极管在饱和状态下,集电极电位接近或稍低于基极电位,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。

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自然联系。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。实际上,图F代表是PN结的反向截止特性,那么,图G所示所代表的是晶体三极管内部集电结对于不同的Ib值时的反向特性,是集电结的一组反向特性。这表明二极管与三极管在原理上确实存在着很自然的联系。所以,在讲解方法上选择这样的切入点,从PN结的反偏状态入手讲解三极管,就显得非常自然合理。而且,这样的讲解会使问题变得浅显易懂,前后内容之间也显得自然和谐、顺理成章。

对于Ic还可以做如下结论:Ic的本质是“少数载流子”电流,是通过电注入方法而实现的人为可控的集电结“漏”电流。这就是Ic为什么会很容易反向穿过集电结的原因。

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晶体三极管作为一个常用器件,是构成现代电子世界的重要基石。然而,传统的教科书对其工作原理的讲述却存在有很大问题,使初学者对三极管的工作原理无法正常理解,感到别扭与迷茫。

最后,再说一下你关于势垒的问题,两个PN结的势垒理论上应该完全对称(忽略其内部结构并不严格对称的影响),当两个PN结都加上正向偏置的门电压后,这一情况理论上完全如此——对称。但这里的问题是两上PN结的导通性质完全不同,这一点以上已详细说明,所以,才会出现你说的0.7V与0.4V不一样的所谓问题。0.7V是PN结的正偏导通电压,而0.4V的正向电压如上所述,只是集电结为了堵住反向少子电流通过PN结的一个电压值。显然,这两个电压性质完全不同。

很明显,对于三极管的内部电路来说,图C与图D是完全等效的。图D就是教科书上常用的三极管电流放大原理示意图。

请问,三极管的饱和情况分析,按照上面的那个输出特性曲线,怎么分析呢?沿某一确定IB电流吗?怎么通过上面这个输出特性分析饱和状态?是怎么进入饱和状态的?因为输出特性曲线是分别让IB和UCE改变后得到的一个曲线。如果是一个电路以及固定了,是不是得用带有负载线的曲线图进行分析是否进入饱和状态的?

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。特别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β为什么是定值也做了深入分析。

晶体三极管原理问题的关键在于:集电结为什么会反向导通?这与晶体二极管原理中强调的PN结单向导电特性(反向截止)严重矛盾。

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注入程度。

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。光敏二极管工作在反偏状态,因为光照可以增加少数载流子的数量,因而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(见下图)。

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),如示意图A。“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。”

再举个不太恰当的例子,如果把整个三极管比做一个水龙头,发射结的门电压则是控制这个水龙头是否出水的关键,而集电结电压只是水龙头究竟该怎样出水、如何出水的一个条件。发射结加上门电压,这个水龙头就打开了。此时,如果集电结加反偏电压,这个反偏电压其实正好符合水龙头的出水方向,所以它对出水有定性方面的帮助,只是出水的量则要按严格比例受控于Ib,可大可小,这就是放大状态;如果集电结加零压,则出水量就会失去比例控制,这也就是所谓的饱和状态(其实,这时的出水量并不见得一定会比放大状态时大,很有可能还很小,其大小主要取决于Uce);如果集电结加上合适的“正偏”电压(此时正偏电压对出水起反作用),比如:稍大于0.4V但又小于0.7V,这个水龙头就会停止出水,为什么?因为发射结打开的这个水流又被这个合适的正偏逆流电压给堵回去了。显然,如果这个正偏电压超过了0.7V,这个水龙头的水流就会倒着流了。不知我这样说,是否更容易让人明白。

另外可以用电工学上的线性叠加方法来计算饱和状态的电流情况吗?

1、切入点:

附篇:

笔者根据多年的总结思考与教学实践,对于这部分内容摸索出了一个适合于自己教学的新讲解方法,并通过具体的教学实践收到了一定效果。虽然新的讲解方法也肯定会有所欠缺,但本人还是怀着与同行共同探讨的愿望不揣冒昧把它写出来,以期能通过同行朋友的批评指正来加以完善。

2、强调一个结论:

2 不能说明放大状态下集电极电流Ic为什么只受控于电流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β关系。

二、新讲解方法:

晶体三极管的电流放大关系与电子三极管在这一点上极其类似。

三极管原理,传统讲解方法中存在的问题概括起来主要有以下三点:

如图E所示,很容易理解,电子三极管Ib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。穿过管子的电流主要是由发射极经栅极再到集电极的电子流。电子流在穿越栅极时,栅极会对其进行截流。截流时就存在着一个截流比问题。

2.三极管处于饱和状态时,集电结施加正偏电压后,基区及集电区各载流子的运动状态是怎样的?我怎么觉得两个PN结都处于正偏置状态,感觉怪怪的呢?少数载流子怎么流动的?已经加的正偏电压 了,怎么还说是“反向导通”呢?

3 饱和状态下三个电极的电位值问题与上面所说类似,要特别注意的是:此时的集电结并不是普通意义上的正偏导通,这与发射结的正偏导通有着本质的不同。此时,发射结正偏导通的电流是“多子”在门电压作用下的正向通过PN结的电流,是普通意义上的PN结正向电流;而集电结此时是“零”偏,集电结通过的电流是属于“少子”性质的反向电流。所以,两个PN结的电流对于PN结自身来说是性质完全不同的电流,因此,其电压值一个是0.7V而另一个是0.4V根本就无可比性,这是两个不同性质的外部条件参数,虽然都是电压,但性质不同。一个是正向导通的门电压,而另一个是满足饱和状态的“零”偏电压,只有在此条件下,集电极电流才会在定量上脱离的基极电流的“比例”控制进入所谓的饱和状态。

对于Ib等于0的截止状态,问题更为简单。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”向基区的发射与注入,所以,此时既不会有电流Ib,也更不可能有电流Ic。另外,从纯数学的电流放大公式更容易推出结论,Ic=βIb,Ib为0,很显然Ic也为0。

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