形象阐释电子器件外部特性的教学方法探讨

周成虎， 何家梅， 耿 都， 刘玉平

（1.河南工程学院电气信息工程学院， 河南 郑州 451191；2.电子科技大学微电子与固体电子学院， 四川 成都 610054）

一、引言

目前国内电力电子教材在讲授三极管、MOS管等分立电子器件时，多注重理论分析的严谨性，却难以保证教学效果，许多学生毕业时无法完全准确的回答NPN、PNP三极管、MOS管个工作状态下的电流电压方向与对应关系。相对于电气而言，水的特性为人们所熟知，电流如水流，电压如水压，将电流、电压的讲解形象的用水流、水压来阐释，能加深学生对这些内容的理解程度。电力电子技术教学最基本的意义是使学生尽快掌握看不见摸不着的电子知识，培养他们的动手能力。如果在课堂上或教材、专著中能将电流、电压的讲解形象的用水流、水压来阐释，学生的理解程度会显著提高。

与中国教材不同的是，日本电力电子教材中往往并不拘泥于解释电子器件的工作原理和本质，用水流水压的知识形象描述电路的基本原理[1]。

二、三极管和二极管外部特性分析

NPN三极管外部特性的示意图如图1所示。将电流比作水流，基极电流IBE比作控制的水龙头，该水龙头依靠水流IBE推动。

当水龙头的b端没有水流流入，挡板无法被开启，则c端的水流不能流向e端，该状态称为截止状态。集射极电压UCE比作水压，此时挡板承受的压力为外界压力UCE。

当水龙头的b端有较少的水流流入，挡板被部分开启，则c端的水流能受控制的流向e端，该状态称为放大状态。集射极压力（电压UCE）随着挡板的开大而减小。

当水龙头的b端水流流入较多，挡板被完全开启，如果继续增加b端的水流不能影响c端流向e端的水流，这种状态称为饱和状态。集射极压力（电压UCE）接近于零。可见饱和状态只与水流（电流IBE）有关，与集射极电流ICE的大小无关。这种比喻完美的诠释了三极管饱和导通时电流ICE可以为零的道理。

NPN三极管中e端的箭头方向为电流流向，该箭头表示电流从c端流向e端、从b端流向e端，两个电流公共流向e端。由此可以总结为一句话：“流控看箭头”。看到箭头方向即可标出ICE和IBE的流向。

由于NPN三极管是两个二极管反并联，如果b端电压高于c端一定值，电流可以从b端流向c端。可是不管e端电压是否高于c端，电流均不可能从e端流向c端，这可以比喻为NPN三极管受单向阀门控制，从图1可见，e端流入的电流与控制电流反方向，使得控制电流无法推动挡板。

PNP三极管外部特性的示意图如图2所示。

将电流比作水流，基极电流IEB比作控制的水龙头，该水龙头也是依靠水流IEB推动的。

当水龙头的b端没有水流流出，挡板无法被开启，则e端的水流不能流向c端，该状态称为截止状态。当水龙头的b端有较少的水流流出，挡板被部分开启，则e端的水流能受控制的流向c端，该状态称为放大状态。集射极电压UEC随着挡板的开大而减小。当水龙头的b端有较多的水流流出，挡板被完全开启，继续增加b端流出的水流不能影响e端流向c端的水流，该状态称为饱和状态。集射极电压UEC接近于零。可以直观地看出饱和状态只与水流IEB有关，与集射极电流IEC的大小无关。饱和状态时不管集射极电流IEC是否为零，集射极电压UEC总是接近于零。

其工作原理与NPN三极管相类似，三极管中e端的箭头方向为电流流向，该箭头表示电流从e端流向c端、从e端流向b端，两个电流均从e端流进。前面总结的：“流控看箭头”对于PNP三极管依然是正确的。看到箭头方向即可标出IEC和IEB的流向。

二极管外部特性示意图如图3所示，将二极管比作单向阀门，二极管的电流只能从阳极单向流动到阴极，反向流动则受挡板制约不能实现。

三、MOSFET的外部特性分析

N沟道增强型MOSFET的外部特性示意图如图4所示。

图4（a）为图形符号，从图形符号可以看出：栅极g和漏极d及源极s之间无电气接触，该间隔表示绝缘栅，故在其两端可以外加电压，但不会流过电流。在图形符号分析时，可以理解成箭头表示电子方向，电流与电子方向相反，可见电流可能的方向是由漏极d向源极s及栅极g向源极s，由于有绝缘栅作用，栅极g向源极s没有电流流过，但是可以产生电压，电压的方向是栅极g为正、源极s为负。

图4（b）表示当水龙头的g端没有水的压力（相当于电压），挡板无法被开启，则d端的水流不能流向s端，该状态称为截止状态。

图4（c）和（d）表示当水龙头的有水的压力（相当于电压），挡板被开启的程度与g端的压力有关，则d端的水流能受控制的流向s端，该状态称为可变电阻区。该区的压力差UDS较小，且UDS与ID对应成比例。g端的压力增大，可变电阻区通流ID的能力越强，当g端的压力增大到使管路完全导通，则再增加g端的压力不会影响通流的能力，同时通流ID的能力也受到管路截面的影响不能无限增加。

图4（e）和（f）表示当挡板被开启的程度不能满足d端的水流流向s端的客观需要，该状态称为饱和区或恒流区。电压UDS会剧烈增加，电压UDS增加可以减少外电路的压降，从而减小电流。当d端的水流流向s端的客观需要增加到足以打破该平衡关系，则管路中最薄弱的环节会出现损坏，也就是常见的击穿现象。

图4可以解释一下现象：当电压UGS达到一定程度，而ID受外电路限制接近于零时，d端到s端仍然导通，电压UDS约等于零。

P沟道增强型MOSFET的图形符号如图5所示。从图形符号可以看出：栅极g和漏极d及源极s之间并无接触，该间隔表示绝缘栅，电气上是绝缘的，故可以有电压，但不会有电流流过。箭头表示电子方向，电流与电子方向相反，故直观地看出：电流的方向是由源极s向漏极d，电压的方向是栅极g为负、源极s为正。其他外部特性同N沟道增强型MOSFET。

MOSFET中s端的箭头方向为电子流向，总结为一句话：压控看电子。看到箭头方向即可标出IDS和UGS（或ISD和USG）的方向。

将三极管与MOSFET组合起来既得到IGBT，其工作原理可以理解成一个封装后的组合体：MOSFET的栅极g、三极管的c端和e端，构成封装后的元件。

四、电感的外部特性分析

电感的工作外部特性示意图如图6所示。电感犹如水轮机，当水流流过水轮机的速度增加，推动水轮机转动加速，相当于水轮机储能。此时相当于电流方向从左向右逐渐增加到峰值，而电压左正右负逐渐降到0。此阶段将电感视为负载。

当水流流速减小，水轮机因惯性推动水流阻止水流减小。其容量大相当于水轮机的惯性大，电流（水流）的瞬间稳定性强。此时相当于电流方向从左向右逐渐减小到0，而电压右正左负逐渐增加。此阶段将电感视为电源。

以上分析即可解释电感的电压超前电流90°的外部特性。也可以诠释其电压（水压）可以突变，但是电流（水流）方向不能突变的道理。

五、电容的外部特性分析

电解电容的外部特性示意图如图7所示。电解电容犹如蓄水池，其容量大相当于水池宽敞，电压（水位）的瞬间稳定性强。其电压（水位）不能突变，电流（水流）方向可以突变。

水池的截面大小意味着通流能力的大小，水池蓄水的高度意味着压力的大小。

六、晶闸管的外部特性分析

对于晶闸管外部特性的讲解，笔者直接引用文献[1]中的讲解方法。该文献将晶闸管比作受控的阀门。晶闸管的外部特征示意图如图8所示。

图8（a）表示晶闸管没有外加触发信号（弹簧不动作），此时外加正向（方向向上）电压，晶闸管不导通，没有电流流过；图8（b）表示晶闸管外加触发信号（弹簧动作），此时外加正向（方向向上）电压，晶闸管导通，电流正向流过晶闸管；图8（c）表示晶闸管没有触发信号（弹簧不动作），此时外加正向（方向向上）电压，晶闸管已经导通，电流仍将持续；图8（d）表示晶闸管外加反向（方向向下）电压，晶闸管不导通，没有反向电流。

七、结论

以上分析总结为：流控看箭头、压控看电子、电感如水轮、电容如水池。

把这些浅显的比喻作为辅助的材料加入到电力电子教学中去，以便于学生理解。上述内容经过作者在几届教学实践中尝试，调查发现学生对分立元件的理解与掌握的程度有明显提高，全部学生均可完全正确的分析三极管和MOSFET的基本外部特性。该部分的教学效果有质的提高[2]～[6]。

[1]正田英介.耿连发，译.电力电子学[M].北京:科学技术出版社,2014.

[2]叶树江,张洪田,李 丹.应用型人才培养模式视阈下课程体系的建构[J].黑龙江高教研究,2012,（10）.

[3]雷万忠,季宝杰.电气信息类工程实践教学体系的构建[J].实验室研究与探索,2011,（6）.

[4]瓮嘉民,周成虎.电子创新开放实验室建设的探索研究[J].实验室研究与探索,2012,（2）.

[5]罗华,雷冬飞.关于模拟电路课程教学改革的探讨[J].黑龙江高教研究,2006,（9）.

[6]何家梅,周成虎,查蔓莉.浅谈电子类专业学生的技能培养[J].实验室研究与探索,2014,（5）.