站在發(fā)明者的角度來看三極管的發(fā)明和用途

我還是那個觀點，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。因為模電的內(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)線中電子的流動方向，而三極管是控制導(dǎo)線中流動電子的多少。這也是“電子技術(shù)”的根本。理論搞明白了實驗就簡單了。

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實際上是輸出回路），如果我們在C和E之間加個器件，這個器件能使電流從C端流進(jìn)并能從E端流出來，同時這個電流又能被我們控制住，那么這個器件就成功了。

為了實現(xiàn)上述要求，接下來我們就在C-E之間放一個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 （不擊穿情況下） ，C-E這根導(dǎo)線始終都不會有電流。我們又知道，電子流動的方向與人們定義電流的方向相反（這是因為當(dāng)時人們以為電線里流過的是電流），所以，我們將中間半導(dǎo)體引出一個電極（B極），在B-E之間（實際上是加在發(fā)射結(jié)上，見PN結(jié)特性）加一個正向電壓，這時發(fā)射區(qū)就會向基區(qū)發(fā)射電子從而形成E極流出的電流，但是，要想實現(xiàn)這個電流是從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，這個收集電子的能力要比發(fā)射電子的能力強(qiáng)，它就像一個大口袋，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，隨著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，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，這個器件就成了，可以實現(xiàn)電流從C端到E端（因為當(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，同時這個電流又被一個BE電壓（或信號）控制，但是，三極管不是一個理想的器件，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，同時集電結(jié)的面積還要大的根本原因。

談一談Ic受Ib控制的問題：

通過前面的敘述，我們已經(jīng)知道發(fā)射極電流Ie受發(fā)射結(jié)電壓控制，由于我們采取了工藝上的措施，使得集電極電流Ic近似等于發(fā)射極電流Ie，這樣就可以說集電極電流Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制。我們又從三極管輸入特性曲線可知，當(dāng)Vbe和Ib的關(guān)系處于特性曲線的近似直線的位置時，基極電流Ib與發(fā)射結(jié)電壓就成線性關(guān)系，這樣，可以說集電極電流Ic與基極電流Ib就成比例關(guān)系。往往我們會站在不同角度來看問題，我們從電流放大的角度來看時，剛才說過集電極電流Ic比基極電流Ib大很多，同時它們又成比例關(guān)系，因此，在進(jìn)行計算的時候就說成是集電極電流Ic受基極電流Ib控制。這其實是人們站的角度不同而已（從電流放大的角度來看的），其實，集電極電流Ic還是由發(fā)射結(jié)電壓控制的，等到了高頻小信號模型的時候，就會說集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓控制了。

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（也就是Ube一定時），即使Uce增加，Ic就不變了，但是曲線有些上翹，其實這是半導(dǎo)體材料的問題。實際上，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模型），加Uce電壓的時候發(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)榱擞嬎惴奖惆堰@種控制折算成受Ib控制，就是因為說成這樣，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看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實是由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，如果拿兩個背靠背二極管的話，怎么也不行。

盡管三極管不是一個理想器件，但是，它的發(fā)明已經(jīng)是具有劃時代意義了。由于它的B極還有少量電流，因為這個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，那這個便宜就大了，所以，后來人們發(fā)明了場效應(yīng)管。其實，發(fā)明場效應(yīng)管的思想也是與三極管一樣的，就是為了用一個電壓來控制導(dǎo)線中的電流，只是這回輸入回路幾乎不耗能了，同時，器件兩端的電流相等了。

從使用者的角度（非設(shè)計者）來看看三極管的應(yīng)用：

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

可控開關(guān)：C和E之間相當(dāng)于一個可控開關(guān)（當(dāng)然。這個開關(guān)有一定的參數(shù)要求），當(dāng)B-E之間沒有加電壓時，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（注意，輸出回路沒有負(fù)載CE之間就不會飽和），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。

以最簡單的電路為例，我們家里都有手電筒，手電筒有三個要素（具有普遍意義）：電源、燈泡（負(fù)載）和開關(guān)，這里的開關(guān)需要直接手動進(jìn)行合上與斷開，用三極管代替這個開關(guān)我們就能實現(xiàn)用信號來控制，計算機(jī)在遠(yuǎn)端就能控制這個回路。控制高壓、大電流的還請大家看看IGBT等功率芯片及模塊，那是真震撼。

從另一方面看飽和：從輸出特性曲線可以看到，IB一定時VCE電壓不用很大，那個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，其實不到1V就行，但是，實際上我們在輸出回路都是加一個電壓很大的電源，你再加大VCE也沒有用，我們看到，IB一定時VCE增加后對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，我們會在輸出回路加入一個負(fù)載，當(dāng)負(fù)載兩端電壓小于電源電壓時，電源電壓的其它部分就加在CE兩端，此時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，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，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3K歐姆電阻，則VCE=6V，而這個電阻換成30K歐姆時，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VCE就這么一點點電壓而言那當(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，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）。實際上，馬路上到處跑的汽車就是一個放大器，它是把駕駛員操作信號給放大了，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模型開始的絕大多數(shù)內(nèi)容都是講小信號放大問題，共射極、共集電極、共基極的4個電路是基本，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、模擬集成運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計問題、運放的應(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，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，你就會理解科學(xué)家當(dāng)時為什么要發(fā)明它，也會使你豁然開朗。但是，從設(shè)計者角度來看，需要考慮的問題就很多了，否則，你設(shè)計出來的器件性能就沒有人家設(shè)計的好，當(dāng)然也就沒有市場了。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，那么他一定會被全世界所敬仰。所以，學(xué)習(xí)模電的時候，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C和E之間相當(dāng)于可控開關(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）直流工作點問題，為什么要有直流工作點？什么原因引起工作點不穩(wěn)定？采取什么措施穩(wěn)定直流工作點？

為什么要有直流工作點？是因為PN結(jié)只有外加0.5V以上電壓時才有電流通過（硅材料），而我們要放大的微弱的交變信號幅度很小，將這個信號直接加到三極管的基極和射極之間，基極是沒有電流的，當(dāng)然，集電極也不可能有電流。所以，我們在基極加上直流后， 以NPN管子為例，共射、共基、共集電極三個電路的直流都是一個方向。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后，只能使這些輸出回路電流發(fā)生擾動，總體上不能改變這些電流的方向，但是，這個輸出回路電流中有被輸入交流信號影響的擾動信號，我們要的就是這個擾動的信號（輸出交流信號），這個擾動的信號比輸入信號大，這就是放大，也可以說，放大其實是輸出回路電流受輸入信號的控制。

如果直流工作點設(shè)置合理時，那個擾動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，我們要的就是這個效果。

（2）交流信號放大問題，共射極、共集電極、共基極電路的作用、優(yōu)點和缺點是什么？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(shè)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的零點漂移？為什么要設(shè)計成深負(fù)反饋？其優(yōu)點和問題是什么？深負(fù)反饋自激的原因是什么？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與輸入信號之間出現(xiàn)附加相移？等等。

（3）集成運算放大器，為了克服半導(dǎo)體器件的非線性問題（不同幅度信號的放大倍數(shù)不一樣），人們有意制成了高增益的集成運算放大器，外接兩個電阻就構(gòu)成了同相或反向比例放大電路，這時整個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，同時線性特性也改善了。在計算的時候注意運用“虛短”和“虛斷”就行了，模電學(xué)到這里那就太簡單了，所以，如果不考慮成本時誰還會用三極管分立元件組成的放大電路，還得調(diào)直流工作點。集成運算放大器的其它應(yīng)用還很多，如有源濾波器、信號產(chǎn)生電路等。

負(fù)反饋自激振蕩與正弦波產(chǎn)生電路的區(qū)別

負(fù)反饋自激振蕩是由于某個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(fù)反饋電路對這個頻率信號來講就變成了正反饋，同時，對這個頻率信號的環(huán)路增益又大于1，這種情況下，負(fù)反饋電路就自激了（對其它頻率信號，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，可以說對無數(shù)個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(shè)計一個選頻電路來選擇某一個頻率信號，當(dāng)然，對被選取的信號來講，這個選頻電路就不需要有額外相移了。