对于三极管饱和状态的一些浅见——与网友的讨论贴

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网友问：2012-10-16 12:16:34

郑老师：这篇大作把三极管的放大和截止两个状态阐述其机理挺明白了。那么还有第三个状态，饱和状态是怎么一个情况？

请问

1.三极管饱和状态是通过外部偏置电阻等预先设置好，通电后直接进入这个饱和状态的吗？
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？
3.三极管饱和状态，集电极到发射极的电压为什么只有0.3V? 请把基极到发射极，集电极到发射极之间的电压用图示表示出来一下吧。难道发射结跟集电结的势垒不一样大？ 集电结如果是0.4，那么为什么发射结是0.7V？真是奇怪了。

博主回复：2012-10-16 17:41:47

    你的问题很好！这也是三极管原理不好理解的关键之所在，也是传统讲法的问题之所在。饱和状态时，集电极（NPN）的高电位已不存在（为零），如你所说甚至低于基极电位，但仍然有很大的饱和电流反向通过集电结。注意，这里所说的“反向”是指电流的方向与集电结的单向导电（P指向N）的方向相反，电流的性质也仍然是由发射极“发射”过来的“少数截流子”电流。值得强调的是：集电结对这个反向的少子电流本质上没有阻碍作用，集电结作为PN结反向截止的只是“多子”电流，而不是“少子”电流。下面按你问题的顺序来逐条说一下：

1 三极客的饱和状态确实取决于外部偏置电阻电路，但不一定需要事先设置好。如，当集电极电阻的参数处在合适范围时，三极客是否进入饱和状态主要取决于基极的控制。开关型三极管就是这样工作的，要么截止要么饱和，取决于基极的控制。

2 三极客处于饱和状态时，两个PN结不是“都”处于正偏状态，发射结是正偏状态，要特别注意的是集电结，集电结电压虽然可以为正但决不能达到门值，所以集电结并不是正偏状态。如果集电结的正电压达到门值，则反向的集电结（极）“少子”电流将消失，取而代之的就是由基极指向集电极的“正向多子”电流，这时的三极管就完全等效成了两个二极管，这个正向多子电流纯粹就是集电结的一个正向导通电流（即二极管电流），而不再具备集电极电流的任何意义。
     所以，饱和状态条件下，发射结是正偏，集电结是“零”偏并不是正偏，因此，集电极的电流仍然是以发射区过来的“少子”构成，属于少子反向导通电流。为什么说是反向，前已说明。

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。

    简单说，两个PN结都导通，一个是正向导通性，另一个是反向导通性质。正向导通的是多子电流，需要0.7V的门电压，另一个导通的是少子反向电流，这个少子的反向电流导通时不仅可以不需要电压，甚至还可以承受一点微弱的“逆流”电压，你说的那个0.4V就是属于这种性质的电压。
    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。

    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。

    根据我自己的一管之见，我啰啰嗦嗦地说了这么多，希望对你能有所帮助。最后，谢谢你的问题，看得出你也是个非常认真的人，能与你这样的网友讨论问题，是让我感到非常愉快的事。

网友问：2012-10-16 14:44:48

    我们以最常见的三极管输出特性图（Ib与Uce及与Ic的关系图）来说，就是当Ib足够大而Uce又足够小时就会进入饱和状态。或者再简单点，让Uce确定，比如为0.4V，从图中很容易就可看出只要Ib大到一定值，三极管就会进入饱和状态，所谓的饱和状态，也就是Ic在数量上不再与Ib保持严格比例的状态。

    我认为，在外电路条件满足时，饱和状态下的电流计算当然可以根据线性方法来计算，因为，饱和状态下的三极管在电路中可以等效为一个接通了的开关。

    这里不方便画图，我只能说这些，希望能对你有帮助。