三極管的發(fā)明和用途

我還是那個(gè)觀點(diǎn)，一定要站在發(fā)明者的角度來看問題，只有這樣，一切問題才都能迎刃而解。因?yàn)槟ｋ姷膬?nèi)容就是發(fā)明---使用---發(fā)現(xiàn)問題---改進(jìn)---再發(fā)明—再使用的過程，是我們學(xué)習(xí)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(dǎo)線中電子的流動(dòng)方向，而三極管是控制導(dǎo)線中流動(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(yàn)就簡(jiǎn)單了。

下面主要是以三極管為例來說明導(dǎo)線中電流的控制，要想控制一根導(dǎo)線中的電流，首先要把這根導(dǎo)線斷開，斷開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?cè)贑和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，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(xiàn)上述要求，接下來我們就在C-E之間放一個(gè)NPN(或PNP)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，可是，現(xiàn)在的問題是，在這種情況下無論怎樣在C和E之間加電源，C-E這根導(dǎo)線始終都不會(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?yàn)楫?dāng)時(shí)人們以為電線里流過的是電流)，所以，我們將中間半導(dǎo)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(jié)上，見PN結(jié)特性)加一個(gè)正向電壓，這時(shí)發(fā)射區(qū)就會(huì)向基區(qū)發(fā)射電子從而形成E極流出的電流，但是，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)電流是從C端入、從E端出，則必須要把發(fā)射區(qū)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(jié)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(qiáng)，它就像一個(gè)大口袋，你發(fā)射區(qū)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了，當(dāng)B極電流一定時(shí)，隨著CE電壓的增加，C極電流就不再增加了，因?yàn)锽極電流一定時(shí)，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就一定了，你收集的能力再強(qiáng)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(xiàn)電流從C端到E端(因?yàn)楫?dāng)初我假設(shè)它們之間是被我斷開的導(dǎo)線兩端)，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(hào))控制，但是，三極管不是一個(gè)理想的器件，因?yàn)镃端電流不等于E端電流，有一部分電流流過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(qū)濃度要低而且還要薄，同時(shí)集電結(jié)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可以看到，當(dāng)Ib一定時(shí)(也就是Ube一定時(shí))，即使Uce增加，Ic就不變了，但是曲線有些上翹，其實(shí)這是半導(dǎo)體材料的問題。實(shí)際上，Ie是受從輸入端看進(jìn)去的發(fā)射結(jié)電壓控制的(可以參見三極管高頻小信號(hào)模型)，加Uce電壓的時(shí)候發(fā)射結(jié)已經(jīng)處于導(dǎo)通了，它的影響不在發(fā)射結(jié)而在集電結(jié)，加Uce電壓是為了讓Ic基本等于Ie，所以說Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制，人們?yōu)榱擞?jì)算方便把這種控制折算成受Ib控制，就是因?yàn)檎f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(hào)控制的角度來看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實(shí)是由Ie帶來的，所以，也可以說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，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?yàn)檫@個(gè)電流的存在意味著輸入回路有耗能，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，后來人們發(fā)明了場(chǎng)效應(yīng)管。其實(shí)，發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)管的思想也是與三極管一樣的，就是為了用一個(gè)電壓來控制導(dǎo)線中的電流，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(shè)計(jì)者)來看看三極管的應(yīng)用：

三極管的兩個(gè)基本應(yīng)用分別是“可控開關(guān)”和“信號(hào)的線性放大”。

可控開關(guān)：C和E之間相當(dāng)于一個(gè)可控開關(guān)(當(dāng)然。這個(gè)開關(guān)有一定的參數(shù)要求)，當(dāng)B-E之間沒有加電壓時(shí)，C-E之間截止(C-E之間斷開);而當(dāng)B-E之間電壓加的很大，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就多，C極和E極的電流就很大，如果輸出回路中有負(fù)載時(shí)(注意，輸出回路沒有負(fù)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(fù)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(dāng)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)輸出特性曲線就彎曲變平了，這說明收集電子的電壓VCE不用很大就行，其實(shí)不到1V就行，但是，實(shí)際上我們?cè)谳敵龌芈范际羌右粋€(gè)電壓很大的電源，你再加大VCE也沒有用，我們看到，IB一定時(shí)VCE增加后對(duì)IC的大小沒有影響(理想情況)，所以要想把發(fā)射的電子收集過去，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(fù)載，當(dāng)負(fù)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)三極管處于線性放大狀態(tài)。但是，負(fù)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(duì)于飽和的問題來說，除了上一段文字中說到的電流很大引起飽和外，我們還可以從電壓的角度來看，假設(shè)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，所以從電壓角度來看，集電極電流不一定很大，在選擇合適負(fù)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(fù)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(dāng)然是微不足道的，所以，很多地方就將它約等于零了，但是并不能說它沒有電子收集能力。

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

模電這門課從三極管小信號(hào)模型開始的絕大多數(shù)內(nèi)容都是講小信號(hào)放大問題，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題、模擬集成運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題、運(yùn)放的應(yīng)用、如何減少非線性失真和放大穩(wěn)定問題(負(fù)反饋)、正弦波產(chǎn)生(正反饋)等等。

模電從細(xì)節(jié)和總體上把握。

模電的學(xué)習(xí)：

從使用者的角度來看，其實(shí)，模電這門課并不難，學(xué)生往往被書中提到的所謂少子、多子、飄移、擴(kuò)散等次要問題所迷惑，沒有抓住主要問題，有些問題是半導(dǎo)體材料本身存在缺陷導(dǎo)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的東西，如果把人們的視線停留在三極管的內(nèi)部，那一定使人們不容易理解，如果你跳出來看問題，你就會(huì)理解科學(xué)家當(dāng)時(shí)為什么要發(fā)明它，也會(huì)使你豁然開朗。但是，從設(shè)計(jì)者角度來看，需要考慮的問題就很多了，否則，你設(shè)計(jì)出來的器件性能就沒有人家設(shè)計(jì)的好，當(dāng)然也就沒有市場(chǎng)了。如果誰能找到一種材料，而這種材料的性能比半導(dǎo)體特性還好，那么他一定會(huì)被全世界所敬仰。所以，學(xué)習(xí)模電的時(shí)候，一定要用工程思維來考慮問題，比如，為什么要發(fā)明它?它有什么用途?它可以解決什么問題?它有哪些不足?人們是如何改進(jìn)的?等等。

再談可控開關(guān)：

三極管要工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)C和E之間相當(dāng)于可控開關(guān)，B極加輸入信號(hào)，為了防止三極管損壞，B極要接限流電阻，余下的問題就是，所控制的負(fù)載應(yīng)接在C極還是E極?它的功率有多大?驅(qū)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(hào)的線性放大：

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)問題，為什么要有直流工作點(diǎn)?什么原因引起工作點(diǎn)不穩(wěn)定?采取什么措施穩(wěn)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(jié))加入微弱交流小信號(hào)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(hào)影響的擾動(dòng)信號(hào)，我們要的就是這個(gè)擾動(dòng)的信號(hào)(輸出交流信號(hào))，這個(gè)擾動(dòng)的信號(hào)比輸入信號(hào)大，這就是放大，也可以說，放大其實(shí)是輸出回路電流受輸入信號(hào)的控制。

如果直流工作點(diǎn)設(shè)置合理時(shí)，那個(gè)擾動(dòng)信號(hào)就與輸入交流小信號(hào)成比例關(guān)系，而且又比輸入信號(hào)大，我們要的就是這個(gè)效果。

(2)交流信號(hào)放大問題，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性?為什么共射--共基電路能擴(kuò)展頻帶?為什么共集電極放大電路要放在多級(jí)放大電路的最后一級(jí)?多級(jí)放大電路的輸入級(jí)有什么要求?人們?cè)诩呻娐分性O(shè)計(jì)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的零點(diǎn)漂移?為什么要設(shè)計(jì)成深負(fù)反饋?其優(yōu)點(diǎn)和問題是什么?深負(fù)反饋?zhàn)约さ脑蚴鞘裁?什么是電路的結(jié)構(gòu)性相移?什么是電路的附加相移?什么情況下電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間出現(xiàn)附加相移?等等。

(3)集成運(yùn)算放大器，為了克服半導(dǎo)體器件的非線性問題(不同幅度信號(hào)的放大倍數(shù)不一樣)，人們有意制成了高增益的集成運(yùn)算放大器，外接兩個(gè)電阻就構(gòu)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(shù)就近似與半導(dǎo)體特性無關(guān)了(深負(fù)反饋條件下)，放大倍數(shù)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(dǎo)體材料好，同時(shí)線性特性也改善了。在計(jì)算的時(shí)候注意運(yùn)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)誰還會(huì)用三極管分立元件組成的放大電路，還得調(diào)直流工作點(diǎn)。集成運(yùn)算放大器的其它應(yīng)用還很多，如有源濾波器、信號(hào)產(chǎn)生電路等。

負(fù)反饋?zhàn)约ふ袷幣c正弦波產(chǎn)生電路的區(qū)別

負(fù)反饋?zhàn)约ふ袷幨怯捎谀硞€(gè)未知頻率信號(hào)在反饋環(huán)路中產(chǎn)生了額外的180度的附加相移，負(fù)反饋電路對(duì)這個(gè)頻率信號(hào)來講就變成了正反饋，同時(shí)，對(duì)這個(gè)頻率信號(hào)的環(huán)路增益又大于1，這種情況下，負(fù)反饋電路就自激了(對(duì)其它頻率信號(hào)，此電路還是負(fù)反饋)。而正弦波振蕩電路是人們有意引入的正反饋，可以說對(duì)無數(shù)個(gè)頻率信號(hào)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(hào)太多了，所以，人們需要在反饋環(huán)路中設(shè)計(jì)一個(gè)選頻電路來選擇某一個(gè)頻率信號(hào)，當(dāng)然，對(duì)被選取的信號(hào)來講，這個(gè)選頻電路就不需要有額外相移了。

以上大致總結(jié)了一些問題，僅供參考