一篇详尽的晶体三极管工作原理介绍

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。

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。

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：

1 严重割裂晶体二极管与三极管在原理上的自然联系。没有真正说明三极管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 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。

3 不能说明饱和状态下，Vc电位很弱的情况下，为什么集电结仍然会反向导通并且有反向大电流Ic通过。

很多教科书对于这部分内容，在讲解方法上都存在有很大问题。有一些针对初、中级学者的普及性教科书，干脆采用了回避的方法，只给出结论却不讲原因。既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，致使逻辑混乱，讲解内容前后矛盾，甚至造成讲了还不如不讲的效果，使很多初学者常常产生一头雾水的感觉。

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。

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)，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。”

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，而是极不恰当地着重地强调了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。这是让初学者很容易产生一系列模糊认识的根源。

这正好与三极管的电流放大原理严重地矛盾。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。这很明显地与传统讲法中强调Vc的高电位作用这种说法相矛盾。

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，以为只要基区足够薄，集电结就可能会失去PN结的典型特性——单向导电。这显然与人们利用三极管内部两个PN结的单向导电性，来判断三极管管脚名称(e、b、c)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，不能形象说明。只是从工艺上强调基区的薄与掺杂度低，不能从道理上根本性的说明电流放大倍数β什么会保持不变的原因。

问题5：割裂二极管与三极管在原理上的自然联系，无法实现内容上的自然过渡。甚至使人产生很矛盾的感觉，二极管原理强调PN结的正向导电反向截止，而三极管原理则又要求PN结能够反向导通，这让人很难接受。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：

1、切入点：

要想很自然地说明问题，就要选择恰当的切入点。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。我们要特别注意这里的截止状态，实际上PN结截止时，总是会有很小的漏电流存在，也就是说PN结总是存在着反向关不断的现象，PN结的单向导电性并不是百分之百。

为什么会出现这种现象呢?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”出现。N区也是一样，除了多数载流子电子