Почему ток все еще течет через коллектор, хотя в транзисторной цепи нет Vcc

Я наткнулся на учебник, где я думал, что вышеупомянутая схема NPN BJT является неправильной из-за сделанных выводов.

Но когда я смоделировал эту схему, я обнаружил, что выводы верны.

Я был полностью озадачен и, похоже, у меня есть фундаментальное неправильное представление о поведении транзисторов.

Вышеуказанная схема не запитана. Там нет Vcc. Существует входное напряжение Vin, которое увеличивается от нуля до 1 В.

Ниже приведен график зависимости выходного напряжения Vout от Vin:

И здесь ниже график - ток через нагрузку I (Rload) и ток коллектора Ic относительно Vin.

Вопрос:

Моя путаница заключается в том, почему любой ток формируется и протекает через коллектор и Rload, когда нет разности потенциалов между клеммами транзистора и эмиттера.

Согласно графику кажется, что KCL удовлетворен, потому что I (Rload) + Ic = 0.

Но что я не понимаю, как ток формируется и течет таким образом.

Если кто-то спросит меня, я скажу: «Ток будет течь от базы к эмиттеру, следовательно, к земле. Ток через нагрузку не будет, и Vout будет нулевым».

Я полностью озадачен этой схемой. Очевидно, что-то не так, на мой взгляд. Почему текущий цикл таким образом?

Это связано со структурой транзистора BJT. Давайте посмотрим на NPN:

^{Источник изображения}

У вас есть область коллектора из полупроводника N-типа, база P-типа и эмиттер N-типа. Я не буду вдаваться в подробности, поскольку это выходит за рамки вопроса, но давайте удовлетворим его вопросом - не похожи ли коллектор и эмиттер?

Что вы сделали, это подключите эмиттер к земле, а коллектор - к земле через резистор. Затем вы подали напряжение на базу.

Обычно то, что вы ожидаете от напряжения на базе, это для тока, протекающего от базы к эмиттеру - это в основном диод с основанием, являющимся анодом, а эмиттер, являющийся катодом. Если напряжение на катоде выше, чем база, этот поток тока через переход база-эмиттер вызовет ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Однако в вашем случае коллектор не имеет более высокого потенциала, чем основа, он имеет более низкий потенциал. Вот тут-то и возникает мой вопрос - так же, как и соединение база-эмиттер, соединение база-коллектор также является PN-переходом, который также является диодом. Опять же, основание - это анод, но на этот раз коллектор - это катод. Это означает, что при подаче более высокого напряжения на базу, чем на катод, ток будет течь от базы через катод.

Теперь у вас есть ток, протекающий от базы к катоду, через резистор к земле, таким образом, таинственный поток тока идентифицируется.

Чтобы уточнить далее, вот ваша схема, если мы рассматриваем PN переходы как диоды (*):

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Вы можете видеть, как ток теперь может течь как через диод Base-Emitter, так и через диод Base-Collector.

С точки зрения того, почему ваша текущая диаграмма показывает ток коллектора как отрицательный, это почти наверняка связано с тем, как вы исследовали провод в вашей симуляции.

Имитационный зонд будет настроен таким образом, чтобы поток тока в коллектор считался «положительным». Кроме того, будет настроен второй датчик, чтобы ток, протекающий через резистор сверху вниз, считался «положительным».

Однако в этом случае ток течет из коллектора («отрицательный» с точки зрения датчиков) и в резистор («положительный» с точки зрения второго датчика). В результате в знаке есть несоответствие.

По сути это похоже на наличие двух амперметров подряд, но один подключен назад. Они будут показывать равные, но противоположные показания.

Информация о бонусе

Теперь ток базового коллектора будет намного ниже, чем ток базового эмиттера, отчасти потому, что у вас есть последовательный резистор от коллектора к земле, который будет падать некоторое напряжение и таким образом ограничивать ток (так же, как последовательный резистор со светодиодом) , но также отчасти потому, что структура NPN является более сложной.

Эмиттер легирован сильнее, чем коллектор, что означает, что на переходе BE на самом деле падение напряжения будет намного ниже, чем на переходе BC. В результате, даже без резистора ток BC будет значительно меньше, чем ток BE.

На самом деле вы можете использовать транзистор BJT в обратном направлении (поменять местами C и B), но производительность будет сильно ухудшена.

^{(*) Диодный вид не полностью представляет NPN-транзистор. Если вы соедините два диода вместе, вы не получите NPN-транзистор из-за металлических проводов диода между ними. Однако он точно отображает эффект, который вы видите.}

Это задумано как дополнение к исчерпывающему ответу Тома, и на него можно ответить, сделав «шаг назад». Это ответ о моделях.

Транзистор - сложный объект. Для многих целей его можно упростить, заменив его моделью, которая фиксирует некоторые, но не все, его поведение.

Например, при измерении транзистора с помощью функции «проверки диодов» цифрового мультиметра модель «двух диодов» объясняет измерения. Но это не говорит вам, откуда выгода. Модель слишком проста для этого.

При смещении транзистора «нормально», например, для получения общего эмиттерного усилителя, модель «источник тока с управлением по току» отражает гораздо больше поведения, позволяет вычислять токи смещения и коэффициенты усиления. Но это слишком просто и абстрактно, чтобы объяснить, что происходит в вопросе ОП.

Когда люди используют модели, обычно фиксируется простейшее поведение для их цели, и не более. Таким образом, мы обычно можем найти угловые случаи, которые иллюстрируют недостатки любой модели. Затем нам нужно найти более полную модель, разобраться и проанализировать весь сложный объект или решить, что нам не нужна дополнительная точность, и найти способ работать с приближением модели (все три выполняются в разных обстоятельствах).

Меня всегда удивляла модель людей, которую мой начальник использовал, когда определял, сколько людей назначить для какого-либо конкретного инженерного проекта, он заменял людей «банками мясного завтрака», которые улавливали бы неделимость, часть биологии и (может быть, мой пост-хок, может быть, его подтекст) неспособность знать, что вы собираетесь получить, пока вы не открыли банку и, вероятно, не были разочарованы. Давайте посмотрим, у нас есть бюджет в 2 миллиона за 4 года, поэтому мы можем позволить себе положить на него 5 банок мясного завтрака! Хотя модель несколько упрощает детали, я не помню, чтобы он был менее успешным в планировании ресурсов, чем любой другой менеджер проекта.

Просто добавив пару пунктов к отличному ответу Тома Карпентера

Вышеуказанная схема не запитана.

V _в является источником питания.

... почему любой ток формируется и течет через коллектор и Rload, когда нет разности потенциалов между коллектором и эмиттером транзистора?

V _out - разность потенциалов между коллектором транзистора и его эмиттером. Ваши графики ясно показывают, что это не ноль.

Кроме того, ваши графики показывают ток через R _{нагрузки} . Никогда не может быть тока через резистор без разности потенциалов между его клеммами. Это закон Ома.