三極管的發(fā)明和用途

我還是那個(gè)觀(guān)點(diǎn)，一定要站在發(fā)明者的角度來(lái)看問(wèn)題，只有這樣，一切問(wèn)題才都能迎刃而解。因為模電的內容就是發(fā)明---使用---發(fā)現問(wèn)題---改進(jìn)---再發(fā)明—再使用的過(guò)程，是我們學(xué)習前人發(fā)明和使用的東西。

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

下面主要是以三極管為例來(lái)說(shuō)明導線(xiàn)中電流的控制，要想控制一根導線(xiàn)中的電流，首先要把這根導線(xiàn)斷開(kāi)，斷開(kāi)的兩端我們分別叫做C端和E端(C和E實(shí)際上是輸出回路)，如果我們在C和E之間加個(gè)器件，這個(gè)器件能使電流從C端流進(jìn)并能從E端流出來(lái)，同時(shí)這個(gè)電流又能被我們控制住，那么這個(gè)器件就成功了。

為了實(shí)現上述要求，接下來(lái)我們就在C-E之間放一個(gè)NPN(或PNP)結構的半導體，可是，現在的問(wèn)題是，在這種情況下無(wú)論怎樣在C和E之間加電源，C-E這根導線(xiàn)始終都不會(huì )有電流。我們又知道，電子流動(dòng)的方向與人們定義電流的方向相反(這是因為當時(shí)人們以為電線(xiàn)里流過(guò)的是電流)，所以，我們將中間半導體引出一個(gè)電極(B極)，在B-E之間(實(shí)際上是加在發(fā)射結上，見(jiàn)PN結特性)加一個(gè)正向電壓，這時(shí)發(fā)射區就會(huì )向基區發(fā)射電子從而形成E極流出的電流，但是，要想實(shí)現這個(gè)電流是從C端入、從E端出，則必須要把發(fā)射區發(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，使集電結處于反向擊穿狀態(tài)，使電子能順利收集到C極，這個(gè)收集電子的能力要比發(fā)射電子的能力強，它就像一個(gè)大口袋，你發(fā)射區發(fā)射多少我就收多少(這樣就能理解三極管輸出特性曲線(xiàn)了，當B極電流一定時(shí)，隨著(zhù)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(shí)，發(fā)射區發(fā)射的電子數量就一定了，你收集的能力再強也要不到多余的電子了)，這樣，這個(gè)器件就成了，可以實(shí)現電流從C端到E端(因為當初我假設它們之間是被我斷開(kāi)的導線(xiàn)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(shí)這個(gè)電流又被一個(gè)BE電壓(或信號)控制，但是，三極管不是一個(gè)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(guò)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濃度要低而且還要薄，同時(shí)集電結的面積還要大的根本原因。

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(xiàn)可以看到，當Ib一定時(shí)(也就是Ube一定時(shí))，即使Uce增加，Ic就不變了，但是曲線(xiàn)有些上翹，其實(shí)這是半導體材料的問(wèn)題。實(shí)際上，Ie是受從輸入端看進(jìn)去的發(fā)射結電壓控制的(可以參見(jiàn)三極管高頻小信號模型)，加Uce電壓的時(shí)候發(fā)射結已經(jīng)處于導通了，它的影響不在發(fā)射結而在集電結，加Uce電壓是為了讓Ic基本等于Ie，所以說(shuō)Ic受發(fā)射結電壓控制，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(shuō)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(lái)看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實(shí)是由Ie帶來(lái)的，所以，也可以說(shuō)Ic受Ie影響的，這也得受三極管制造工藝影響，如果拿兩個(gè)背靠背二極管的話(huà)，怎么也不行。

盡管三極管不是一個(gè)理想器件，但是，它的發(fā)明已經(jīng)是具有劃時(shí)代意義了。由于它的B極還有少量電流，因為這個(gè)電流的存在意味著(zhù)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(gè)便宜就大了，所以，后來(lái)人們發(fā)明了場(chǎng)效應管。其實(shí)，發(fā)明場(chǎng)效應管的思想也是與三極管一樣的，就是為了用一個(gè)電壓來(lái)控制導線(xiàn)中的電流，只是這回輸入回路幾乎不耗能了，同時(shí)，器件兩端的電流相等了。

從使用者的角度(非設計者)來(lái)看看三極管的應用：

三極管的兩個(gè)基本應用分別是“可控開(kāi)關(guān)”和“信號的線(xiàn)性放大”。

可控開(kāi)關(guān)：C和E之間相當于一個(gè)可控開(kāi)關(guān)(當然。這個(gè)開(kāi)關(guān)有一定的參數要求)，當B-E之間沒(méi)有加電壓時(shí)，C-E之間截止(C-E之間斷開(kāi));而當B-E之間電壓加的很大，發(fā)射區發(fā)射的電子數量就多，C極和E極的電流就很大，如果輸出回路中有負載時(shí)(注意，輸出回路沒(méi)有負載CE之間就不會(huì )飽和)，由于輸出回路的電源電壓絕大部分都加到負載上了，CE之間的電壓就會(huì )很小，CE之間就處于飽和狀態(tài)，CE之間相當于短路。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。

從另一方面看飽和：從輸出特性曲線(xiàn)可以看到，IB一定時(shí)VCE電壓不用很大，那個(gè)輸出特性曲線(xiàn)就彎曲變平了，這說(shuō)明收集電子的電壓VCE不用很大就行，其實(shí)不到1V就行，但是，實(shí)際上我們在輸出回路都是加一個(gè)電壓很大的電源，你再加大VCE也沒(méi)有用，我們看到，IB一定時(shí)VCE增加后對IC的大小沒(méi)有影響(理想情況)，所以要想把發(fā)射的電子收集過(guò)去，VCE根本不用很大電壓。

但是，通常情況下，我們會(huì )在輸出回路加入一個(gè)負載，當負載兩端電壓小于電源電壓時(shí)，電源電壓的其它部分就加在CE兩端，此時(shí)三極管處于線(xiàn)性放大狀態(tài)。但是，負載兩端電壓的理論值大于電源電壓時(shí)，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。對于飽和的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，除了上一段文字中說(shuō)到的電流很大引起飽和外，我們還可以從電壓的角度來(lái)看，假設三極管b=50，電源電壓為12V，基極電流為40微安，則集電極電流就是2毫安，如果集電極接一個(gè)3千歐姆電阻，則VCE=6V，而這個(gè)電阻換成30千歐姆時(shí)，VCE趨于零了，這種情況下三極管也是飽和了，所以從電壓角度來(lái)看，集電極電流不一定很大，在選擇合適負載電阻的情況下，三極管也可以處于飽和狀態(tài)，所以，飽和與負載有關(guān)，如果電源電壓很大，那飽和時(shí)VCE就這么一點(diǎn)點(diǎn)電壓而言那當然是微不足道的，所以，很多地方就將它約等于零了，但是并不能說(shuō)它沒(méi)有電子收集能力。

信號的線(xiàn)性放大：這種情況下，C極電流與B極電流成線(xiàn)性比例關(guān)系IC=βIB(BE之間電壓要大于死區電壓，同時(shí)，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?wèn)題方便，將這種控制關(guān)系說(shuō)成是C極電流受B極電流控制)。實(shí)際上，馬路上到處跑的汽車(chē)就是一個(gè)放大器，它是把駕駛員操作信號給放大了，它也是線(xiàn)性放大，是能量的放大，而多余的能量來(lái)自于燃燒的汽油。

模電這門(mén)課從三極管小信號模型開(kāi)始的絕大多數內容都是講小信號放大問(wèn)題，共射極、共集電極、共基極的4個(gè)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(wèn)題、模擬集成運算放大器內部結構設計問(wèn)題、運放的應用、如何減少非線(xiàn)性失真和放大穩定問(wèn)題(負反饋)、正弦波產(chǎn)生(正反饋)等等。

模電從細節和總體上把握。

模電的學(xué)習：

從使用者的角度來(lái)看，其實(shí)，模電這門(mén)課并不難，學(xué)生往往被書(shū)中提到的所謂少子、多子、飄移、擴散等次要問(wèn)題所迷惑，沒(méi)有抓住主要問(wèn)題，有些問(wèn)題是半導體材料本身存在缺陷導致的，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(gè)電極連接的都是金屬的角度來(lái)看，金屬中只有自由電子的定向流動(dòng)才有電流，金屬中哪有什么空穴之類(lèi)的東西，如果把人們的視線(xiàn)停留在三極管的內部，那一定使人們不容易理解，如果你跳出來(lái)看問(wèn)題，你就會(huì )理解科學(xué)家當時(shí)為什么要發(fā)明它，也會(huì )使你豁然開(kāi)朗。但是，從設計者角度來(lái)看，需要考慮的問(wèn)題就很多了，否則，你設計出來(lái)的器件性能就沒(méi)有人家設計的好，當然也就沒(méi)有市場(chǎng)了。如果誰(shuí)能找到一種材料，而這種材料的性能比半導體特性還好，那么他一定會(huì )被全世界所敬仰。所以，學(xué)習模電的時(shí)候，一定要用工程思維來(lái)考慮問(wèn)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(wèn)題?它有哪些不足?人們是如何改進(jìn)的?等等。

再談可控開(kāi)關(guān)：

三極管要工作在飽和或截止狀態(tài)，此時(shí)C和E之間相當于可控開(kāi)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(wèn)題就是，所控制的負載應接在C極還是E極?它的功率有多大?驅動(dòng)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(xiàn)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(diǎn)問(wèn)題，為什么要有直流工作點(diǎn)?什么原因引起工作點(diǎn)不穩定?采取什么措施穩定直流工作點(diǎn)?

以NPN管子為例，共射、共基、共集電極三個(gè)電路的直流都是一個(gè)方向。無(wú)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，輸入(發(fā)射結)加入微弱交流小信號后，只能使這些輸出回路電流發(fā)生擾動(dòng)，總體上不能改變這些電流的方向，但是，這個(gè)輸出回路電流中有被輸入交流信號影響的擾動(dòng)信號，我們要的就是這個(gè)擾動(dòng)的信號(輸出交流信號)，這個(gè)擾動(dòng)的信號比輸入信號大，這就是放大，也可以說(shuō)，放大其實(shí)是輸出回路電流受輸入信號的控制。

如果直流工作點(diǎn)設置合理時(shí)，那個(gè)擾動(dòng)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(gè)效果。

(2)交流信號放大問(wèn)題，共射極、共集電極、共基極電路的作用、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么?如何克服電路的非線(xiàn)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(lái)的零點(diǎn)漂移?為什么要設計成深負反饋?其優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題是什么?深負反饋自激的原因是什么?什么是電路的結構性相移?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附加相移?等等。

(3)集成運算放大器，為了克服半導體器件的非線(xiàn)性問(wèn)題(不同幅度信號的放大倍數不一樣)，人們有意制成了高增益的集成運算放大器，外接兩個(gè)電阻就構成了同相或反向比例放大電路，這時(shí)整個(gè)電路的電壓放大倍數就近似與半導體特性無(wú)關(guān)了(深負反饋條件下)，放大倍數只與外接的兩個(gè)電阻有關(guān)，而電阻材料的溫度特性比半導體材料好，同時(shí)線(xiàn)性特性也改善了。在計算的時(shí)候注意運用“虛短”和“虛斷”就行了，模電學(xué)到這里那就太簡(jiǎn)單了，所以，如果不考慮成本時(shí)誰(shuí)還會(huì )用三極管分立元件組成的放大電路，還得調直流工作點(diǎn)。集成運算放大器的其它應用還很多，如有源濾波器、信號產(chǎn)生電路等。

負反饋自激振蕩與正弦波產(chǎn)生電路的區別

負反饋自激振蕩是由于某個(gè)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，負反饋電路對這個(gè)頻率信號來(lái)講就變成了正反饋，同時(shí)，對這個(gè)頻率信號的環(huán)路增益又大于1，這種情況下，負反饋電路就自激了(對其它頻率信號，此電路還是負反饋)。而正弦波振蕩電路是人們有意引入的正反饋，可以說(shuō)對無(wú)數個(gè)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)路中設計一個(gè)選頻電路來(lái)選擇某一個(gè)頻率信號，當然，對被選取的信號來(lái)講，這個(gè)選頻電路就不需要有額外相移了。

以上大致總結了一些問(wèn)題，僅供參考