深入三极管之第四篇——三极管饱和时的载流子分析

看了很多说法，感觉都没有对三极管饱和时内部载流子的流向分析说清楚…….

看来最基本的问题，深究起来才是最难的。

在网上苦苦寻觅，找到eet论坛中的一个问答(原帖已不可访问)回复，算是勉强可以回答我这个疑问吧，如下：

问题：晶体三极管饱和状态时，集电极电流Ic的实际方向是怎样的？ 发布时间：2010-3-26 上午8:49

双极型晶体三极管共射放大电路中，若三极管处于饱和状态时，集电极电流ic的实际方向是怎样的？以NPN型管子来说，共射放大电路时，若管子处于饱和状态时，集电极电流ic的实际方向是流入集电极c呢，还是流出c呢？书中共射输出特性曲线的ic始终为正值（饱和区也是），而ic的参考方向是取流入集电极c的，这就意味着管子饱和时，ic的实际方向也是流入c的。但是从另一方面来看，管子饱和时，集电结是正偏的，即：b极电位高于c极，相当于集电结的PN结加了一个正向电压，那么按照PN结的性质，ic的实际方向当然是流出c的，这与前面的结论（ic是流入c的）相矛盾。该如何解释这个矛盾呢？

第3楼 回复主题：晶体三极管饱和状态时，集电极电流Ic的实际方向是怎样的？ 发布时间：2010-3-31 下午10:43

作者：刘何时

很有意思的一个问题。必须微观分析晶体三极管才能准确解释。至少要用势垒、热扩散等概念。定量分析太难，要用量子力学。。。有时间再说。要知道目前所用电路分析定律是建立统计宏观基础上的！

第4楼 回复主题：晶体三极管饱和状态时，集电极电流ic的实际方向是怎样的？ 发布时间：2010-4-1 下午12:16

作者：刘何时

对NPN硅晶体三极管而言：

1. “Vce=Vbe≈0.7V”，是电路的一种特殊工作状态。理论上，一般把Vce=Vbe的状态称为临界饱和，Vce＜Vbe的状态则称为过饱和。当然，小功率BJT的饱和电压比大功率BJT的饱和电压要小，如小功率管可以小于0.4V，而大功率管则可以在1.0V以上。饱和压降值与三极管集电极电流大小相关，甚至于三极管所处的环境温度关系密切，但与晶体管功率容量无关。
2. 三极管饱和时呈现低阻抗，类似于开关接通。理论上当Ub＞0，两个PN结均为正偏。

Ib=Ibs时称临界饱和；Ib>>Ibs时称过饱和。

Ibs为临界饱和基极电流，Ics为临界饱和集电极电流。

Ibs=Ics/β。由于Ics≈Vcc/Rc；所以Ibs≈Vcc/βRc。

实际饱和条件: a. 两个PN结正偏。 b. Ib=Vcc/βRc临界饱和；Ib>>Vcc/βRc过饱和，

3. 随着晶体管的饱和, 其集电极电压已经不等于集电极的电源电压,而是近似的等于发射极电压(可能略高于发射极0.1伏,视管子的饱和压降不同而不同). (Vcc不是Vc)集电结正偏, 意思为: 集电极电压已经低于基电极电压. 而基极电压因为PN结的箝位, 存在不高于0.7V的势垒电压。根据基尔霍夫定理, 在结点不可能有电荷堆积, 流入晶体管的电流等于从晶体管流出的电流. 这时, 发射极电压最低, 基极电压最高, 集电极次之. 基极电流是流入的, 集电极电流也是流入的, 只有发射极电流是流出的. 即：不会有从基极到集电极的电流！
4. 从三极管结构来讲：在正向的Vbe电场作用下，发射极的电子注入基区，再扩散到集电结边缘。三极管未饱和时，集电结反偏的电压会把边缘的电子立刻吸引到集电极。可是当电流Ib逐渐增加，Ic也增加，扩散到集电结边缘的电子越来越多，电子浓度不断增加，集电结反偏势垒Vcb就会越来越小。当Ic大到使Vcb为0时，管子进入饱和，就不再有电场吸引这些结边缘的电子了，电子只能是扩散到集电极。当Ic再增加时，Vcb<0(Vb=0.7V，Vc=0.3V), 此时集电结就正偏了，会阻碍电子扩散了，但因为基区电子浓度太大了，电子继续扩散到集电极，能够满足Ic大小的要求。注意：Vcb<0集电结正偏并不是三极管外部电场导致的结果，而是由于基区的电子浓度远大于集电区由电子扩散所造成的! (我觉得, 此说法值得商榷, Vcb从放大态的正值变化到饱和态的负值, 应该主要原因是由外部电路条件决定的, Vce = Vcb + Vbe = Vcc - Ic*R, 随着Ic的不断增大, Vce必然不断减小, 而由于Vbe在放大态到饱和态的变化过程中基本恒定不变, 则Vcb不断减小, 直到进入饱和态变为负值, Ic不再继续增大了.)

注：扩散，全称分子扩散。在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象，是质量传递的一种基本方式。以浓度差为推动力的扩散，即物质组分从高浓度区向低浓度区的迁移，是自然界和工程上最普遍的扩散现象；以温度差为推动力的扩散称为热扩散；在电场、磁场等外力作用下发生的扩散，则称为强制扩散。

刘何时 编辑于 2010-4-1 下午 12:54