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关于三极管的疑问

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楼主
本帖最后由 liumangyang 于 2019-7-16 08:18 编辑

本人工科,电学相关专业,普通电子工程师一枚。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。

感谢各位的指引和解答,这几天网上搜罗了一番,问题总算有了一个清晰的解答,而不是那种类比性质的比喻了。我做成了一个简单的文档与大家一起探讨一下。
@whtwhtw @西门看雪 @叶春勇 @戈卫东 @刘志伟

还有一个比较大的疑问想寻求大家帮助,不一定要公式推导,哪怕思路和原理性的解释也行。因为我实在无法把这个公式和Iceo、Icbo的定义联系起来。问题如下:
很多模拟电路书上(包括童诗白版本)都直接将Iceo = (1 + β)Icbo,都是直接
给出的公式。但是我们仔细看看Iceo 定义和Icbo 的定义:
Iceo:是指在基极B 开路,集电极C 发射极E 两极在规定电压时之间的漏电流。也就
是器件手册上的Iceo
Icbo:是指的发射极开路时集电极、基极之间的反向电流值
从定义上我一直不明白怎么能得到上面的公式结论?这个疑问至今仍然没有找到合
适的解释。我也尝试找过很多资料,但目前仍未得解。而且我也认为这个关系是应
该关联影响放大倍数β 的真正原因。



   

持续数年的疑惑得以解开 三极管(BJT)基极电流Ib是控制集电极电流Ic问题释疑.pdf.pdf

湖北快32。08 MB, 下载次数: 18

评论

liumangyang 2019-7-12 14:32 回复TA
@whtwhtw :这个我网上看过,比模拟电路书籍上好很多。但是有很多一部分也是采用形象比喻的方式,我自己搜集整理了一个简单的文档,供大家参看讨论 
whtwhtw 2019-7-10 12:08 回复TA
见回复:http://bbs.sljd120.com/icview-2833732-1-1.html 
沙发
| 2019-7-8 11:46 | 只看该作者
如果一定要用水流来理解三极管的工作,建议改行不要学什么电子了吧。
板凳
 楼主 | 2019-7-8 13:59 | 只看该作者
戈卫东 发表于 2019-7-8 11:46
如果一定要用水流来理解三极管的工作,建议改行不要学什么电子了吧。

我的问题是很多都是以水流的的这种图来比喻解释,很少有解释清楚的。那能请教一下这个问题,基极电流Ib是怎么样去影响并控制集电极电流的?
地板
 楼主 | 2019-7-8 13:59 | 只看该作者
戈卫东 发表于 2019-7-8 11:46
如果一定要用水流来理解三极管的工作,建议改行不要学什么电子了吧。

我的问题是很多都是以水流的的这种图来比喻解释,很少有解释清楚的。那能请教一下这个问题,基极电流Ib是怎么样去影响并控制集电极电流的?
5
| 2019-7-8 14:56 | 只看该作者
快快快
6
| 2019-7-8 14:56 | 只看该作者
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。
7
| 2019-7-8 15:17 | 只看该作者
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。
8
 楼主 | 2019-7-8 15:24 | 只看该作者
叶春勇 发表于 2019-7-8 14:56
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, ...

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。
9
 楼主 | 2019-7-8 15:26 | 只看该作者
gx_huang 发表于 2019-7-8 15:17
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 ...

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。而且这个疑问我查阅众多文献也没有得解
10
| 2019-7-8 15:43 | 只看该作者
最后那个 水管的 很形象啊
11
| 2019-7-8 15:51 | 只看该作者
这个可以看看美国国防部的的可靠性设计mil-hdbk-338b2
其中三极管的可靠性设计有
1、结温
2、vcb,vce,vbe
3、电流
4、功耗
5、安全运行区间
我刚搞电子设计,经常碰到三极管失效,且三极管极易失效。电流都够呀。可是别的地方不够。
例如三极管驱动继电器,瞬间的电压很吓人。vce都是80V以上。一个24v的继电器,电动势高达400V。
如果你的电路板,三极管是和别人接口的,你不考虑短路,也很容易坏。如果这个三极管只是给别人一个低电平信号,你就可以串个100欧的电阻。这样三极管可靠性急速提升。
所以在三极管电路设计的时候,首先要区分是pcb板内的电路(不与人对接),还是pcb板外的(与别人对接)。
12
 楼主 | 2019-7-8 16:07 | 只看该作者
叶春勇 发表于 2019-7-8 15:51
这个可以看看美国国防部的的可靠性设计mil-hdbk-338b2
其中三极管的可靠性设计有
1、结温

谢谢你的回复。是的,确实是。公司规模中等,最近有一些失效的案例原厂也给出分析报告。但是很多时候换一个角度,器件本身也是一个工业产品,当然原厂在出厂的情况下会最一定的测试。但是这个测试有覆盖到什么样一个程度呢?回到产品端,如果一个产品里面1/10000的失效件都是由于一个器件出问题而导致失效,则必然会需要详细考量设计十分充分。原厂的器件批次产品是否符合手册。所以一直有与原厂详细讨论很多器件失效的经历,这个帖子只是贴出来和大家探讨关于三极管的一些疑惑。
13
 楼主 | 2019-7-8 16:10 | 只看该作者
hobbye501 发表于 2019-7-8 15:43
最后那个 水管的 很形象啊

问题就在于这个只是形象示意图,那用工科的思维,至少需要在原理上能够直观的解释三极管控制的机理。这个就是这个帖子的疑问
14
| 2019-7-8 16:16 | 只看该作者
liumangyang 发表于 2019-7-8 16:10
问题就在于这个只是形象示意图,那用工科的思维,至少需要在原理上能够直观的解释三极管控制的机理。这个 ...

我的理解是 电子的流向和实际上是相反的  看不到的东西 知道就可以
15
| 2019-7-8 16:41 | 只看该作者
本帖最后由 xmar 于 2019-7-8 16:45 编辑

基极电流Ib是怎么样去影响并控制集电极电流的?NPN三极管结构:基区b是很薄的P型硅,发射区e是电子浓度很高的N型硅,集电区c是电子浓度较低的N型硅。Ic电子流(与电流方向相反,不是电流)从e 到 c。基区就像可控的闸门,控制e到c的电子多少。在Ib大小的影响下基区的厚度会发生变化:Ib大基区变薄,通过闸门的电子变多;Ib小基区厚,通过闸门的电子变小。  可以这样简单理解。准确理解半导体三极管原理复杂需要量子力学的许多概念。
16
| 2019-7-8 21:32 | 只看该作者
没找对资料吧。。。

17
| 2019-7-9 08:24 | 只看该作者
一个正向偏置的PN结,N区的电子很容易到达P区。
一个反向偏置的PN结,P区的电子很容易到达N区。
18
| 2019-7-9 10:15 | 只看该作者

本帖最后由 刘志伟 于 2019-7-9 10:16 编辑

      好久没来,第一篇看到这个,感到很欣慰。因为你会问这种原理性问题,起码你知道了基础科学的重要性,而不是一味的听别人说这个东西就是这样的,不深究原理。国内的电子工程师99%都是这样吧(起码我周边的工作5年以上的都是这样),所以水平才比不上国外吧。我当初也有这个问题,找了很久答案后,经过自己分析,算是弄清楚了吧。其实,你这几个问题都只有一个答案:之所以能放大,就是因为由于三极管本身的物理制作工艺决定了它才有放大的功能。
       三极管制作工艺,蚂蚁软件一级还需 56 积分

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| 2019-7-9 10:18 | 只看该作者
刘志伟 发表于 2019-7-9 10:15
好久没来,第一篇看到这个,感到很欣慰。因为你会问这种原理性问题,起码你知道了基础科学的重要性, ...

这个蚂蚁软件一级还需 155 积分

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 楼主 | 2019-7-9 12:05 | 只看该作者
刘志伟 发表于 2019-7-9 10:15
好久没来,第一篇看到这个,感到很欣慰。因为你会问这种原理性问题,起码你知道了基础科学的重要性, ...

是啊,我从大学上完模拟电路开始,一直到毕业工作后的N年,这个疑团一直都没有解开。童诗白的模拟电子书籍我现在身边就有,我也看过不下十遍了,里面对于载流子等内容的分析是清晰的,但是我觉得有一点也没有说明清楚就是基极的电流Ib是什么样的物理机制去影响可控制Ic的。包括里面对于三极管饱和条件的判断我其实也持一定的怀疑态度。
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