三極管的工作原理書上都講不清楚，為什么能被制造出來?

時間：2021-04-05 17:49:26

關(guān)鍵字：三極管工作原理

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[導(dǎo)讀]我還是那個觀點，一定要站在發(fā)明者的角度來看問題，只有這樣，一切問題才都能迎刃而解。

我還是那個觀點，一定要站在發(fā)明者的角度來看問題，只有這樣，一切問題才都能迎刃而解。因為模電的內(nèi)容就是發(fā)明---使用---發(fā)現(xiàn)問題---改進(jìn)---再發(fā)明—再使用的過程，是我們學(xué)習(xí)前人發(fā)明和使用的東西。

我們就以二極管和三極管為例，二極管是控制導(dǎo)線中電子的流動方向，而三極管是控制導(dǎo)線中流動電子的多少。這也是“電子技術(shù)”的根本。理論搞明白了實驗就簡單了。

下面主要是以三極管為例來說明導(dǎo)線中電流的控制。

我們都非常熟悉家用手電筒電路，手電筒電路中有“三要素”，即電源VCC、燈泡L（或者說負(fù)載Rc）、開關(guān)K，如下圖所示。

現(xiàn)在，我們不想用手動方式去實現(xiàn)開關(guān)K的合上以及斷開，我們想用一個信號去控制一個器件來實現(xiàn)電路的“通和斷”。要想控制一根導(dǎo)線中的電流，首先要把這根導(dǎo)線斷開，斷開的兩端我們分別叫做C端和E端（C和E實際上是輸出回路的兩端）。

如果我們在C和E之間加個器件，這個器件如果能使電流從C端流進(jìn)并能從E端流出來（因為C和E本來就是我斷開的一個回路的兩端），同時這個電流又能被我們加的信號所控制住，那么這個器件就成功了。（一定要注意，我們要實現(xiàn)什么目標(biāo)，我們要控制一個電回路的通和斷）為了實現(xiàn)上述要求，接下來我們就在C-E之間放一個NPN（或PNP）結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，可是，現(xiàn)在的問題是，在這種情況下無論怎樣在C和E之間加電源（不擊穿情況下），C-E這根導(dǎo)線始終都不會有電流（其實這種情況下，C-E之間是有穿透電流的（它是由少子引起的），因其非常小，這里忽略不計，這也是半導(dǎo)體材料存在的缺點。實際上，我們不希望它存在）。
我們又知道，電子流動的方向與人們定義電流的方向相反（這是因為當(dāng)時人們以為電線里流過的是電流），所以，我們將中間半導(dǎo)體引出一個電極（B極）。

在B-E之間（實際上是加在發(fā)射結(jié)上，見PN結(jié)特性）加一個正向電壓，這時發(fā)射區(qū)就會向基區(qū)發(fā)射電子從而形成E極流出的電流Ie，但是，要想實現(xiàn)這個電流是從C端入、從E端出，則必須要把發(fā)射區(qū)發(fā)射的這些電子都收集到C極去，這樣我們需要在C和E之間加正向電壓，使集電結(jié)處于反向擊穿狀態(tài)，使電子能順利收集到C極，這個收集電子的能力要比發(fā)射電子的能力強，它就像一個大口袋，你發(fā)射區(qū)發(fā)射多少我就收多少（這樣就能理解三極管輸出特性曲線了，當(dāng)B極電流一定時，隨著CE電壓的增加，C極電流就不再增加了，因為B極電流一定時，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就一定了，你收集的能力再強也要不到多余的電子了），這樣，這個器件就成了，可以實現(xiàn)電流從C端到E端（因為當(dāng)初我假設(shè)它們之間是被我斷開的導(dǎo)線兩端），最理想的是流進(jìn)C端的電流就等于E端流出的電流，同時這個電流又被一個BE電壓（或信號）控制，但是，三極管不是一個理想的器件，因為C端電流不等于E端電流，有一部分電流流過B極，我們盡量使C端電流等于E端電流，所以，這就是為什么在工藝上要使基區(qū)濃度要低而且還要薄，同時集電結(jié)的面積還要大的根本原因。 談一談Ic受Ib控制的問題： 通過前面的敘述，我們已經(jīng)知道發(fā)射極電流Ie受發(fā)射結(jié)電壓控制，由于我們采取了工藝上的措施，使得集電極電流Ic近似等于發(fā)射極電流Ie，這樣就可以說集電極電流Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制。我們又從三極管輸入特性曲線可知，當(dāng)Vbe和Ib的關(guān)系處于特性曲線的近似直線的位置時，基極電流Ib與發(fā)射結(jié)電壓就成線性關(guān)系，這樣，可以說集電極電流Ic與基極電流Ib就成比例關(guān)系。往往我們會站在不同角度來看問題，我們從電流放大的角度來看時，剛才說過集電極電流Ic比基極電流Ib大很多，同時它們又成比例關(guān)系，因此，在進(jìn)行計算的時候就說成是集電極電流Ic受基極電流Ib控制。這其實是人們站的角度不同而已（從電流放大的角度來看的），其實，集電極電流Ic還是由發(fā)射結(jié)電壓控制的，等到了高頻小信號模型的時候，就會說集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓控制了。 Uce電壓的作用是收集電子的，它的大小不能決定Ic的大小，從三極管輸出特性曲線可以看到，當(dāng)Ib一定時（也就是Ube一定時），即使Uce增加，Ic就不變了，但是，由于半導(dǎo)體中有少子存在，使得輸出特性曲線隨著Uce增加而有些上翹，其實這是半導(dǎo)體材料存在的問題。實際上，Ie是受從輸入端看進(jìn)去的發(fā)射結(jié)電壓控制的（可以參見三極管高頻小信號模型），加Uce電壓的時候發(fā)射結(jié)已經(jīng)處于導(dǎo)通了，它的影響不在發(fā)射結(jié)而在集電結(jié)，加Uce電壓是為了讓Ic基本等于Ie，所以說Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制，人們?yōu)榱擞嬎惴奖惆堰@種控制折算成受Ib控制，就是因為說成這樣，使得人們不太容易理解三極管工作的原理。從輸出回路受輸入回路信號控制的角度來看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實是由Ie帶來的，所以，也可以說Ic受Ie影響的，這也得受三極管制造工藝影響，如果拿兩個背靠背二極管的話，怎么也不行。 盡管三極管不是一個理想器件，但是，它的發(fā)明已經(jīng)是具有劃時代意義了。由于它的B極還有少量電流，因為這個電流的存在意味著輸入回路有耗能，如果我不耗能就能控制住你輸出回路的電流，那這個便宜就大了，所以，后來人們發(fā)明了場效應(yīng)管。其實，發(fā)明場效應(yīng)管的思想也是與三極管一樣的，就是為了用一個電壓來控制導(dǎo)線中的電流，只是這回輸入回路幾乎不耗能了，同時，器件兩端的電流相等了。

從使用者的角度（非設(shè)計者）來看看三極管的應(yīng)用： 三極管的兩個基本應(yīng)用分別是“可控開關(guān)”和“信號的線性放大”。 可控開關(guān)：C和E之間相當(dāng)于一個可控開關(guān)（當(dāng)然。這個開關(guān)有一定的參數(shù)要求），當(dāng)B-E之間沒有加電壓時，C-E之間截止（C-E之間斷開）；而當(dāng)B-E之間電壓加的很大，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就多，C極和E極的電流就很大，如果輸出回路中有負(fù)載時（注意，輸出回路沒有負(fù)載CE之間就不會飽和），由于輸出回路的電源電壓絕大部分都加到負(fù)載上了，CE之間的電壓就會很小，CE之間就處于飽和狀態(tài)，CE之間相當(dāng)于短路。在飽和情況下，盡管C極電流比基極電流大，但是，C極電流與輸入回路的電流（基極電流）不成β的比例關(guān)系。以最簡單的電路為例，我們家里都有手電筒，手電筒有三個要素（具有普遍意義）：電源、燈泡（負(fù)載）和開關(guān)，這里的開關(guān)需要直接手動進(jìn)行合上與斷開，用三極管代替這個開關(guān)我們就能實現(xiàn)用信號來控制，計算機在遠(yuǎn)端就能控制這個回路。控制高壓、大電流的還請大家看看IGBT等功率芯片及模塊，那是真震撼。 從另一方面看飽和：從輸出特性曲線可以看到，IB一定時VCE電壓不用很大，那個輸出特性曲線就彎曲變平了，這說明收集電子的電壓VCE不用很大就行，其實不到1V就行，但是，實際上我們在輸出回路都是加一個電壓很大的電源，你再加大VCE也沒有用，我們看到，IB一定時VCE增加后對IC的大小沒有影響（理想情況），所以要想把發(fā)射的電子收集過去，VCE根本不用很大電壓。但是，通常情況下，我們會在輸出回路加入一個負(fù)載，當(dāng)負(fù)載兩端電壓小于電源電壓時，電源電壓的其它部分就加在CE兩端，此時三極管處于線性放大狀態(tài)。但是，負(fù)載兩端電壓的理論值大于電源電壓時，則三極管就處于飽和狀態(tài)，這種情況IC不用很大也行。所以不要以為VCE一定很大三極管集電極才能收集到電子，可以看到收集電子的電壓很小就行。從電壓角度來看，集電極電流不一定很大，在選擇合適負(fù)載電阻的情況下，三極管也可以處于飽和狀態(tài)，所以，飽和與負(fù)載有關(guān)，如果電源電壓很大，那飽和時VCE就這么一點點電壓而言那當(dāng)然是微不足道的，所以，很多地方就將它約等于零了，但是并不能說它沒有電子收集能力。 信號的線性放大：這種情況下，C極電流與B極電流成線性比例關(guān)系IC=βIB（BE之間電壓要大于死區(qū)電壓，同時，VCE不趨于零），而且，C極電流比B極電流大很多，前面已經(jīng)知道，C極電流的大小受BE電壓控制（人們?yōu)榱朔治鰡栴}方便，將這種控制關(guān)系說成是C極電流受B極電流控制）。實際上，馬路上到處跑的汽車就是一個放大器，它是把駕駛員操作信號給放大了，它也是線性放大，是能量的放大，而多余的能量來自于燃燒的汽油。模電這門課從三極管小信號模型開始的絕大多數(shù)內(nèi)容都是講小信號放大問題，共射極、共集電極、共基極的4個電路是基本，其它的是由他們組合而成的，它們的電路組成、電路交直流分析、電路性能分析是關(guān)鍵。其它的就是功率放大的問題、模擬集成運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計問題、運放的應(yīng)用、如何減少非線性失真和放大穩(wěn)定問題（負(fù)反饋）、正弦波產(chǎn)生（正反饋）等等。模電從細(xì)節(jié)和總體上把握。 模電的學(xué)習(xí)： 從使用者的角度來看，其實，模電這門課并不難，學(xué)生往往被書中提到的所謂少子、多子、飄移、擴散等次要問題所迷惑，沒有抓住主要問題，有些問題是半導(dǎo)體材料本身存在缺陷導(dǎo)致的，人們?yōu)榱丝朔@些缺陷而想出了各種解決辦法，所以，模電中有許多是人們想出的技巧和主意。從三極管三個電極連接的都是金屬的角度來看，金屬中只有自由電子的定向流動才有電流，金屬中哪有什么空穴之類的東西，如果把人們的視線停留在三極管的內(nèi)部，那一定使人們不容易理解，如果你跳出來看問題，你就會理解科學(xué)家當(dāng)時為什么要發(fā)明它，也會使你豁然開朗。但是，從設(shè)計者角度來看，需要考慮的問題就很多了，否則，你設(shè)計出來的器件性能就沒有人家設(shè)計的好，當(dāng)然也就沒有市場了。如果誰能找到一種材料，而這種材料的性能比半導(dǎo)體特性還好，那么他一定會被全世界所敬仰。所以，學(xué)習(xí)模電的時候，一定要用工程思維來考慮問題，比如，為什么要發(fā)明它？它有什么用途？它可以解決什么問題？它有哪些不足？人們是如何改進(jìn)的？等等。 再談可控開關(guān)： 三極管要工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，此時C和E之間相當(dāng)于可控開關(guān)，B極加輸入信號，為了防止三極管損壞，B極要接限流電阻，余下的問題就是，所控制的負(fù)載應(yīng)接在C極還是E極？它的功率有多大？驅(qū)動電壓多大？電流多大？你選的三極管能否勝任？不勝任怎么辦？改用什么器件？低壓和高壓如何隔離？等等。 再談信號的線性放大： 這種情況下，C極電流是B極電流的β倍，以三極管放大電路為例：（1）直流工作點問題，為什么要有直流工作點？什么原因引起工作點不穩(wěn)定？采取什么措施穩(wěn)定直流工作點？為什么要有直流工作點？是因為PN結(jié)只有外加0.5V以上電壓時才有電流通過（硅材料），而我們要放大的微弱的交變信號幅度很小，將這個微弱的變化信號直接加到三極管的基極和射極之間，基極是沒有電流的，當(dāng)然，集電極也不可能有電流。所以，我們在基極首先要加上直流工作電流后，三極管三個電極就都有直流電流了，以NPN管子為例，共射、共基、共集電極三個電路的直流都是一個方向，無論三極管電路的哪種接法，它們的直流電流方向都是一樣的，在這基礎(chǔ)上，再在輸入端（發(fā)射結(jié)）加入微弱交流小信號后，這個微弱信號就會使基極電流產(chǎn)生擾動，由于集電極電流與基極電流成比例關(guān)系，則集電極電流（輸出回路電流）也會發(fā)生擾動，這樣，這個輸出回路電流中就有被輸入交流信號影響的擾動信號，我們要的就是輸出回路這個被基極擾動電流控制的集電極擾動的信號（輸出交流信號），這個輸出回路（集電極-發(fā)射極）擾動的信號比輸入（基極）擾動信號大，這就是放大，也可以說，放大其實是輸出回路電流受輸入信號的控制。但是，不管怎樣擾動，總體上是不能改變?nèi)齻€電極電流的方向的。如果直流工作點設(shè)置合理時，那個擾動信號就與輸入交流小信號成比例關(guān)系，而且又比輸入信號大，我們要的就是這個效果。（2）交流信號放大問題，共射極、共集電極、共基極電路的作用、優(yōu)點和缺點是什么？如何克服電路的非線性？為什么共射--共基電路能擴展頻帶？為什么共集電極放大電路要放在多級放大電路的最后一級？多級放大電路的輸入級有什么要求？人們在集成電路中設(shè)計電流源的目的是什么？它的作用是什么？如何克服直接耦合帶來的零點漂移？為什么要設(shè)計成深負(fù)反饋？其優(yōu)點和問題是什么？深負(fù)反饋自激的原因是什么？什么是電路的結(jié)構(gòu)性相移？什么是電路的附加相移？什么情況下電路輸出信號與輸入信號之間出現(xiàn)附加相移？等等。 （3）集成運算放大器，為了克服半導(dǎo)體器件的非線性問題（不同幅度信號的放大倍數(shù)不一樣），人們有意制成了高增益的集成運算放大器，外接兩個電阻就構(gòu)成了同相或反向比例放大電路，這時整個電路的電壓放大倍數(shù)就近似與半導(dǎo)體特性無關(guān)了（深負(fù)反饋條件下），放大倍數(shù)只與外接的兩個電阻有關(guān)，而電阻材料的溫度特性比半導(dǎo)體材料好，同時線性特性也改善了。在計算的時候注意運用“虛短”和“虛斷”就行了，模電學(xué)到這里那就太簡單了，所以，如果不考慮成本時誰還會用三極管分立元件組成的放大電路，還得調(diào)直流工作點。集成運算放大器的其它應(yīng)用還很多，如有源濾波器、信號產(chǎn)生電路等。 負(fù)反饋自激振蕩與正弦波產(chǎn)生電路的區(qū)別 負(fù)反饋自激振蕩是由于某個未知頻率信號在反饋環(huán)路中產(chǎn)生了額外的180度的附加相移，負(fù)反饋電路對這個頻率信號來講就變成了正反饋，同時，對這個頻率信號的環(huán)路增益又大于1，這種情況下，負(fù)反饋電路就自激了（對其它頻率信號，此電路還是負(fù)反饋）。而正弦波振蕩電路是人們有意引入的正反饋，可以說對無數(shù)個頻率信號都是正反饋，既然這樣，環(huán)路中就不用有附加相移了，但是，這樣的信號太多了，所以，人們需要在反饋環(huán)路中設(shè)計一個選頻電路來選擇某一個頻率信號，當(dāng)然，對被選取的信號來講，這個選頻電路就不需要有額外相移了。以上大致總結(jié)了一些問題，僅供參考。為了從全局了解這門課，以及更容易學(xué)好這門課，建議參見我主頁上我寫的文章“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程新的目錄”，希望對大家有幫助。來源|作者：知乎|李澤光