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关于三极管的一些疑问和讨论

助工
2019-07-08 18:37:11    评分


从大学学习模拟电路开始,就一直没有能理解理顺NPN/PNP型晶体管的基级电流究竟对于管子的整体工作意味着什么,基极电流Ib是怎样控制集电极电流Ic的。归纳起来有两个问题:1:集电极电流是怎么样反向通过集电极PN结的,2:基极电流Ib是怎么样去影响并控制集电极电流的。工作数年后,翻看了N本模拟电路书,查找了N次网络,询问过N个经验丰富的电工和数个刚刚毕业的面试者,没有一次能够明白说明NPN/PNP型晶体管的基级电流究竟是怎么样去影响管子以达到控制集电极电流Ic的,网上和我一样有疑问的电工不在少数。大多数书籍都只是泛泛地说了射极电流中的电子会有一部分扩散到基极,并维持一个比例,也就是β,直接过渡到结论Ic = βIb。集电极PN结明明是反向偏置的,为什么电流能从集电极(N端)通过基极(P端)到达发射极的问题


    为了更好的说明三极管工作的整个工作过程,我先抛出来三个问题:

       1:我们都知道PN结有单向导电性,三极管的结构如下图,那三极管共射接法的时候为什么电流可以反向通过极电PN结。

2:基极电流Ib是怎么样去影响并控制集电极电流的,大多数书籍都只是泛泛地说了射极电流中的电子会有一部分扩散到基极,并维持一个比例,也就是β,直接过渡到结论Ic = βIb。然后用类似于下图的比喻性质去解释。对于应用层面来说确实没有问题,这样使用三极管的产品随处可见,包括我曾经的很多电路。但是工作多年后,渐渐会发现,凡事都有一个原因。那么三极管为什么会有这样的效果呢?从微观角度上怎么解释Ib控制Ic呢?这个过程是怎么样的。为什么有这个疑问的原因是拿场效应管MOSFET来说明的话,很多模拟电路书籍和资料都非常详细、清晰的了描述了栅极电压是怎样控制漏源之间的导电沟道的。但是到了三极管这里就一直被含糊其词过去了。

222.jpg




关键词: 三极管     NPN     PNP    

菜鸟
2019-07-08 18:38:29    评分
2楼

用水流来学习三极管。。或许不太准确哦


菜鸟
2019-07-08 18:38:48    评分
3楼

我对三极管是来自datasheet:
三极管ib和ic成β倍,ic增大,β减小。、
至于为了解释三极管为什么是这样,引入了新的概念,电场呀,多子,少子,空穴呀。
为了解释这些,又要定义多子,少子,空穴,
这样循环搞下去,不是个事。
所以,教科书的解释只是某篇论文的假说。
为什么是假说呢,因为三极管的模型和mos管的模型,还在更新。表示三极管和mos管有些东西还没搞清楚。


菜鸟
2019-07-08 18:39:58    评分
4楼

回楼上:

确实如此,对于应用层面是没有问题。我也是一样,虽然不明白,但是应用了很多年。但这么多年过去了这个疑问一直存在,而且在做很多失效件分析的时候,很多时候就无法下手了。我们确实不在屋里分析,但是直观理解也是非常重要的,这是我个人的理解。


菜鸟
2019-07-08 18:40:34    评分
5楼

我们大部分电子工程师,是面向工程应用的,只要知道如何使用三极管,如何计算,已经足够了。
我们又不是物理学家,又不是研究微电子的,何必对内部机制了解的很清楚呢?
合理定位自己很重要,人生苦短,要学的东西很多,不能样样精通。


菜鸟
2019-07-08 22:52:46    评分
6楼

模电的东西


菜鸟
2019-07-08 22:56:27    评分
7楼

你知道如何应用就行了 没必要弄懂原理


专家
2019-07-09 12:53:37    评分
8楼

       如果楼主是学习、研究半导体物理或半导体理论的,我支持楼主的钻研,这个话题确实拦住过许多人;如果楼主不是学习、研究半导体物理或半导体理论的,我则支持5、6、7楼的意见,因为工程应用方面需要学习、研究的内容太多了,等到把这个理论问题弄清楚了,可能会耽误楼主的许多机会和耗费许多的精力。

       现在的知识量,真的是如同连锁反应的爆炸样,每时每刻都在发生着巨大的变化,迫切需要我们不断努力地学习新知识,以较少的时间学习掌握较多的知识,才能较快的前行。

       再次说说我的观点:楼主的学习、钻研精神可嘉,给楼主点赞。


菜鸟
2019-07-15 15:11:51    评分
9楼

这个问题远远上升不到半导体物理方面的深奥理论,所有的知识任何一本涉及电子电路的书一定会讲到。想不通上面这么多层楼都说没必要搞懂原理,原理真不难。

首先从PN结反向特性说起,PN结是通过在半导体材料中掺杂一些杂质制造出来的,P区多数载流子是空穴,少数载流子是电子;N区多数载流子是电子,少数载流子是空穴。PN区成对存在,完全对等,使空穴和电子数目完全相同,达到电中性。

给半导体材料加上反向电压后,电场方向和PN结形成的内电场方向相同,使得PN结变厚,阻碍多数载流子的流动,但是少数载流子流动的方向恰好和电源电场方向相同,电源实际上是在促进少数载流子流动的。反向偏置时形成极其微弱的漂移电流,并且这个电流不随反向电压的增大而变化,称为“反向饱和电流”(reverse saturation current)。这是因为反向电流是由少数载流子跨PN结形成的,因此其“饱和”值取决于少数载流子的掺杂密度。

1280px-Diode_current_wiki.png

上面是PN结的伏安特性曲线,有没有想过漏电流Is为什么这么小,而且反向电压增加(击穿前),漏电流基本不变?因为少数载流子就这么多!只能形成这么小的电流。那么,怎样才能提高Is的大小?方法很简单,注入载流子即可。对于P区,注入的就是电子;对于N区,注入的就是空穴,空穴没有办法注入怎么办?电子流出就可以了。

未命名图片.png

三极管发射区浓度远高于集电区,集电区面积远大于发射区。当三极管工作在放大区时,集电结反偏,发射结正偏。对于集电极来说,电流来源于少数载流子,从PN结反向特性图可以看出,IC与Vc没有关系。由于是少数载流子导电,因此集电结反偏时一样可以导电。

Ib和Ic之间的比例关系如何理解?对于NPN管的CE接法,实际上是向基极(P)注入了电子(少数载流子),注入少子相当于增厚了耗尽层的厚度,而促进了少子的流动,其促进的比例,就是β了。这个比例应当仅仅与耗尽层本身的特性有关,因此β这个参数,仅仅由三极管的制造工艺决定。实际的β,应该等于(IC-ICBO)/(IB+ICBO)。

下图是三极管工作于放大区的I-V曲线图,看看像不像反偏的PN结I-V曲线绕圆心转了180°?

9fa11baa1389ce7e75c7938f6581f824_hd.jpg


菜鸟
2019-07-16 09:49:27    评分
10楼

这个学习了


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