关于三极管的疑问

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 楼主 | 2019-7-8 11:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 liumangyang 于 2019-7-12 15:00 编辑

本人工科,电学相关专业,普通千赢国际官方(唯一)网址工程师一枚。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千赢国际官方(唯一)网址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。
       573485d22b6978bf3a.png
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千赢国际官方(唯一)网址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。
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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


   
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 2.08 MB, 下载次数: 8
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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.21ic.com/icview-2833732-1-1.html 
| 2019-7-8 11:46 | 显示全部楼层
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千赢国际官方(唯一)网址了吧。
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 楼主 | 2019-7-8 13:59 | 显示全部楼层
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千赢国际官方(唯一)网址了吧。

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?
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 楼主 | 2019-7-8 13:59 | 显示全部楼层
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千赢国际官方(唯一)网址了吧。

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?
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| 2019-7-8 14:56 | 显示全部楼层
快快快
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| 2019-7-8 14:56 | 显示全部楼层
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。
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| 2019-7-8 15:17 | 显示全部楼层
我们大部分千赢国际官方(唯一)网址工程师,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,又不是研究微千赢国际官方(唯一)网址的,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。
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 楼主 | 2019-7-8 15:24 | 显示全部楼层
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。
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 楼主 | 2019-7-8 15:26 | 显示全部楼层
gx_huang 发表于 2019-7-8 15:17
我们大部分千赢国际官方(唯一)网址工程师,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
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| 2019-7-8 15:43 | 显示全部楼层
最后那个 水管的 很形象啊
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| 2019-7-8 15:51 | 显示全部楼层
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
我刚搞千赢国际官方(唯一)网址设计,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)。
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 楼主 | 2019-7-8 16:07 | 显示全部楼层
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。
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 楼主 | 2019-7-8 16:10 | 显示全部楼层
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
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| 2019-7-8 16:16 | 显示全部楼层
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 千赢国际官方(唯一)网址的流向和实际上是相反的  看不到的东西 知道就可以
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| 2019-7-8 16:41 | 显示全部楼层
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是千赢国际官方(唯一)网址浓度很高的N型硅,集电区c是千赢国际官方(唯一)网址浓度较低的N型硅。Ic千赢国际官方(唯一)网址流(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的千赢国际官方(唯一)网址多少。在Ib大小的影响下基区的厚度会发生变化:Ib大基区变薄,通过闸门的千赢国际官方(唯一)网址变多;Ib小基区厚,通过闸门的千赢国际官方(唯一)网址变小。  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。
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| 2019-7-8 21:32 | 显示全部楼层
没找对资料吧。。。

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| 2019-7-9 08:24 | 显示全部楼层
一个正向偏置的PN结,N区的千赢国际官方(唯一)网址很容易到达P区。
一个反向偏置的PN结,P区的千赢国际官方(唯一)网址很容易到达N区。
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| 2019-7-9 10:15 | 显示全部楼层
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。国内的千赢国际官方(唯一)网址工程师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,百度百科上解释:在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正偏,发射区的多数载流子(千赢国际官方(唯一)网址)及基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是千赢国际官方(唯一)网址流,这股千赢国际官方(唯一)网址流称为发射极电流子。
       你可以参考童诗白、华成英的《模拟千赢国际官方(唯一)网址技术基础》第四版的51页——晶体管内部载流子运动,再根据这个制作工艺,参考PN结、正反向偏置电压、千赢国际官方(唯一)网址的扩散、漂移运动,你应该就能明白了。
       注意:这个分析里面,三极管的制作工艺是根本,你必须站在它的制作工艺上看待这个粒子运动,不然你是不知道为什么会这样运动的。
        如果你有不懂得,欢迎一起讨论。共勉。
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| 2019-7-9 10:18 | 显示全部楼层
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, ...

这个百度的解释里面,还有一个集电极工艺没说清楚,集电极面积会做得很大。你主要参考《模拟千赢国际官方(唯一)网址技术基础》里的解释,百度百科这里不完整。
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 楼主 | 2019-7-9 12:05 | 显示全部楼层
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。童诗白的模拟千赢国际官方(唯一)网址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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