三极管电流放大原理教学的改进

罗国庆

三极管电流放大原理是教学的难点，一些现行教材仅通过分析实验数据归纳得出结论，不涉及对三极管导电本质的揭示，使学生对三极管集电结反偏，集电极电流就应该为零，但是实际情况是，三极管还能使电流放大这一矛盾不能理解。为此笔者改进了对此课题的教学。

三极管电流放大原理指如图1所示电路（以NPN型管为例）中管子三个极电流的关系：IE=IC+IB ，以及电流放大作用：β=IC/IB、β=△IC△/IB。它是分析三极管电压放大作用和运用三极管的前提条件，是电子技术基础学习的重点和难点内容之一。

笔者发现，一些现行教材在阐述三极管电流放大原理时，仅通过分析实验数据归纳得出结论，不涉及对三极管导电本质的揭示，难免使学生知其然不知其所以然，甚至连管内电流的流通都未必弄清，产生 “发射结正偏，三极管输入电流能顺利通过，而输出电路集电极电流通过了反偏的集电结是否与PN结的单向导电性（即PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止）发生矛盾”等疑惑，这形成了一道入门的学习屏障，不仅使后续内容学习困难，而且还会挫伤他们的学习积极性，为此笔者改进了对此课题的教学。

笔者针对基础较一般的那部分学生着重指出：三极管之所以具有这种电流分配与放大作用，主要是由其内部结构特点（工艺条件）决定的，而对其电路中电流的形成则明确指出电路中导电的多数载流子的属性，例如图1电路中并非是来自电源正极的正电荷，而是来自管子发射区（与电源负极相连）起扩散作用的负电荷自由电子，仅做这两点说明或交代尽管简略，却为基本上打消学生疑虑做出了回应，使学生的认识过程发生了一个飞跃；而对另一部分基礎较好的学生则加强进一步辅导，主要从以下两个方面强化对三极管电流放大原理的阐述。

1 从内部结构入手，分析三极管的电流放大原理

第一，根据三极管的内部结构，理解各区载流子的特点。

学习三极管的电流放大原理时，由于我们已经学习了二极管，并对载流子、晶体管有了一定的认识，知道PN结是晶体管一个重要结构，所谓PN结就是在硅或者锗单晶基片上，加工出P型区和N型区，在两个电极之间，即P型区和N型区的结合部，是一个特殊的薄层，这个薄层就称为PN结。而PN结有一个重要的特性，就是单向导电性，PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止。

晶体三极管是由两个相距很近的PN结组成的。我们可以利用EWB仿真软件，验证三极管内部由两个PN结组成。通过观察小灯泡发光与否，可以得出三极管B极与C极，B极与E极之间具有单向导电性，这种演示比用万用表测量还要形象生动，可观性强，给学生很强的视觉效果。两个PN结将三极管分成三个区，就是发射区、基区和集电区。根据三极管内部三个区域半导体类型的不同，三极管可分为PNP型三极管和NPN型三极管。如果基区是N型半导体，发射区和集电区就是P型半导体，则此三极管为PNP型三极管。如果基区为P型半导体，发射区和集电区就是N型半导体，则此三极管为NPN型三极管。

在三极管制造的过程中，对三极管的三个区域，即发射区、基区、集电区都有一定的工艺要求，必须保证他们具有以下特点：

①发射区掺杂浓度较大，以利于发射区向基区发射载流子。

②基区很薄，掺杂少，这样载流子易于通过。

③集电极比发射区体积大且掺杂少，利于收集载流子。

所以说三极管并不是两个PN结的简单结合，它不能用两个二极管来代替，也不能将三极管的发射极和集电极颠倒使用。

第二，以二极管导电为基础，结合三极管结构特点，对三极管内部电流的形成和分配进行分析。在对二极管即PN结单向导电性做表象分析时，铺垫拓宽半导体导电基础，建立本征半导体、掺杂半导体、自由电子与空穴、多数载流子与少数载流子、扩散运动与漂移运动以及复合等基本概念，直至理解PN结单向导电性的物理过程。特别指出：PN结对于二极管而言类似于一个开关，其正偏时通过较大电流相当于开关的接通，但其反偏时通过微小电流相当于开关的关断只是忽略与近似，二极管作为一种特殊的电子开关，其反偏截止关不断，仍存在少数载流子漂移产生的反向电流的情况往往不为人们所重视，而这恰恰成为分析三极管电流放大原理时的一个重要支撑。

联系三极管的基本结构及其“三区”“两结”的掺杂浓度、结面积、尺寸差异等特点，在对管内电流的形成及分配强化分析（参见图2）时，首先指出本电路中形成载流子导电主流的多数载流子是带负电的自由电子，而不是来自电源的正电荷。有前面知识铺垫，接下来揭示三极管电流放大电路中电流的形成，主要是基于发射结正偏多数载流子的扩散以及集电结反偏少数载流子的漂移运动这样两个认识基本点，而认知的关键则是由发射区扩散进入基区（被复合掉的除外）并到达集电结边缘的那绝大部分载流子性质的转变，即由多数载流子转变为少数载流子。指出其电流分配与放大依其内部结构特点而定，由于基区掺杂浓度低，空穴数目少，由发射区扩散而来被复合掉的自由电子少，产生的基极电流就小，又由于基区尺寸薄，虽然集电结反偏，内电场在电源的作用下，集电结PN结变宽，多数载流子被截止，但是少数载流子反向通过，集电结PN结不仅不截止，反而更容易通过。发射区扩散进入基区并冲到集电极边缘的自由电子数目大，但性质已转变为少数载流子，由这些少数载流子漂移进入集电区形成的集电极电流就大。这里要强调的是，集电极电流的大小，主要取决于发射区载流子对基区的注入程度，与集电极电源电压大小没有太大关系，集电极电源电压大小只要维持集电结反偏就行。我们从三极管的输出特性曲线知道，发射极电压VCE变大，但集电极电流IC基本保持不变，这就验证了集电极电流大小取决于发射区载流子对基区的注入程度，与VCE没有太大关系。发射极电流如此分流，三电流关系如上面公式所示，即发射极电流恒等于集电极电流与基极电流之和，即IE=IC=IB，且集电极电流比基极电流大得多，二者之间存在一定的比例关系，至于管内还存在着较难以理解的集-基反向电流、穿透电流等则加以弱化舍弃，这就使学生基本上明确了三极管内电流的形成与分配，对“输出电路集电极电流通过了反偏的集电结是否与PN结的单向导电性发生矛盾”等质疑也就迎刃而解了。

第三，通过巧设实例，对三极管的电流放大（控制）作用做形象化的解释。

上面主要分析了三极管内电流的形成与分配，为了加强学生对三极管电流放大原理的认识，在以实验分析三极管电流放大原理的同时，对三极管的电流放大（控制）作用可进一步做如下的解释：当改变基极偏置电阻使基极电流IB改变时，实质是在改变基极与发射极之间的电压UBE，这必然引起发射结宽度（PN结内电场）的变化。以NPN型三极管为例，根据三极管的制造工艺特点，由于发射区杂质浓度较高，所以大量自由电子因扩散运动从发射区到达基区。扩散到基区的自由电子与基区的空穴相结合，形成IB电流。由于基区很薄，浓度低，自由电子与空穴结合的就很少，所以IB电流小。大部分自由电子漂移到集电极形成集电极电流。所以，我们要获得较大的三极管电流放大倍数β，在制作三极管时就把基区做得很薄，并且掺杂浓度很低。

当UBE很小时，低于发射结的门槛电压，发射结截止，发射区就没有载流子向基区发射，三极管截止，IB、IC为零。当UBE电压大于门槛电压时，发射区就有载流子通过发射结形成基极电流IB，IB增大从基区多拉走两个电子即基区多形成两个空穴，反映到宏观上就是IB产生了两个单位的增量。但IB增大使发射结变窄的结果使发射区向基区多发射了50个电子，这50个电子只有2个与基区多增加的空穴复合，其余48个都到达了集电区，在宏观上就是IC产生了48个增量，这就是一个小的基极电流控制了一个大的集电极电流的原因。这时教师可用计算机制作动画，逼真地模仿出三极管放大状态下内部载流子的运动和结合过程以及电子和空穴的运动轨迹，生动形象地展现在学生面前，加深学生对三极管微观世界的认识，同时也能让学生理解三极管三个脚的电流关系，以及电流的放大关系。必须指出：所谓三极管的电流放大作用，并非三极管本身把小电流变成大电流，它仅起一种控制作用，控制电路里的电源按确定的比例向三极管提供IB、IC和IE这三个电流。由于IC=βIB，所以当调节RB改变基极电流IB时IC也随之变化，即很小的IB控制着比它大β倍的IC，但IC不是由三极管产生的，而是由电源VCC在IB的控制下提供的，所以说三极管起着能量转换作用。由于分析基于半导体导电的微观机制，使基础较好这部分学生对这一问题的认识得到了深化。

2 从外部条件入手，分析三极管的电流放大原理

要使三极管工作在电流放大状态，我们将三极管接成共发射极放大电路，同时使三极管的发射结加正向电压、集电结加反向电压，使三极管的发射结正偏，集电结反偏，刚刚我们已经从三极管的内部条件给出了解释。根据教材实验电路，给出实验设备和材料，由学生自己动手搭建电路，进行三极管电流放大电路的实验。搭建电路时，要强调万用表的正确使用，电流表的正负极、电源的正负极都不能接反，并且电流表要串接于电路中，并选择合适的量程。如图3所示。学生根据实验要求一边做实验，一边记录数据，通过实验数据进行分析、讨论、总结，得出实验结果，并找出其中的规律。通过老师的点拨、引导，共同探讨三极管的电流放大关系，β=△IC/△IB，得出三极管具有电流放大作用的特性。实验过程中，要进行分组，小组分工要明确各人责职，严格要求学生规范操作，遇到问题可以小组集体讨论，这样有助于提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高学生的动手能力，提高学生与他人沟通和合作的能力。

通过从上面两个方面的分析，让学生掌握了三极管的内部构造，三极管的电流放大的外部条件以及三极管的放大原理，特别是三极管内部载流子的运动情况，理清了集电结反偏时载流子也能通过，为我们今后学习各种放大电路、收音机、音响等打下了坚实的基础。另外，通过多媒体教学，大大地提高了教学的容量。创设情境能帮助学生对三极管微观世界的理解，能够把抽象变具体，克服了学生对未知抽象知识的恐惧，促进了学生的认知水平，提高了教学效率。通过实验操作，提高了学生的动手能力，课堂师生互动、生生互动，充分调动了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛，让学生对三极管的电流放大作用有了深刻的认识，同时也培养了学生们敢于动手操作，善于思考的习惯，培养学生成为一个合格的技能型人才。

学习电子线路，其中三极管电流放大的原理这一节既是重点，也是难点。同时三极管前面讲的二极管的知识，后面学习的是三极管的单级放大电路，那么三极管这一章就是一個承上启下的作用，而三极管的电流放大原理又是三极管这一章的重点，所以能够掌握和理解三极管的电流放大原理就显得尤为重要。对中职中专教育层次，我们宜采取上述以简略交代说明为主的改进式教学方式，而对高职高专教育层次宜采取以上述加强辅导强化分析为主的改进式教学方式，根据职业教育的实际情况，实现不同层次的教学要求。

（作者单位：江苏省海安中等专业学校）