饱和BJT晶体管。

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我们每天都在使用它们，有经验的人会充分了解BJT晶体管的功能特性。有大量文档和链接解释了运算数学。甚至还有成千上万的精美视频，它们解释了当前身体如何运作的理论。（后者中的大多数由出于某种原因讲“电话营销英语”的人提供。）

但是，即使在40多年后，我也不得不承认很多，但我还是要以票面价值来接受，因为关于集电极接点如何适合方程式的描述总是有些费事。

不管怎么说，我真的只是不了解其中一个方面。它似乎无视物理学定律，即基尔霍夫定律等。

我说的是您的标准饱和公共发射极电路。

众所周知，并且我们接受的是，饱和时，集电极电压将小于基极电压。显然，我们在电路中利用了它的优势，并选择了一些器件来为特定的负载电流提供尽可能低的Vce-Sat。

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

一切顺利，直到您了解典型NPN晶体管的典型模式...

集电极的电压到底会比该夹层中的基极低吗？

即使在其中添加一些反电动势类型的电压来解决，集电极电流也将错误地通过基极-集电极结。

transistors bjt physics

— 特雷弗
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当电子跨过Vbe加速时，它是否将电子视为建立动量，从而使它们完全通过（非常狭窄的）基极区域进入集电极，是否有帮助？（例如，您的自行车在下坡和上一个（较小的）山坡上随心所欲地滑行，错过了右转弯进入底部的狭窄轨道的可能性？

— Brian Drummond

看起来您可能需要降低几个抽象层次...

— Eugene Sh。

@BrianDrummond ya，这是我在谈论的经典手波浪形答案，绕过EE的基本定律。这不知何故，他们在流行不和欧姆效果..

— Trevor_G

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是的您具有基极发射极电流。您有基极集电极电流。并且您有集电极发射极电流。基极集电极电流很低，直到达到饱和为止。基极电流在饱和状态下增加（在Ic保持恒定的情况下）的原因是，有些电流改为通向集电极，从而捷径接近基极。

— mkeith

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在集电极和接地之间放置一个低阻值的电阻，并测量流过集电极的接地电流与预期路径（通过接地的发射极）之间的关系可能会很有趣。

— Spehro Pefhany

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在双极晶体管中，发射极的掺杂比基极高。当您对基极-发射极二极管施加正向偏压时，电流将流过，并且由于发射极中较高的掺杂，从空穴到基极的电子要比从空穴到基极的空穴多。

半导体中的电流可以通过两种主要机制流动：存在“漂移”电流，其中电场沿特定方向加速电子。那是我们都习惯的简单的电流流动方式。还有“扩散”电流，电子从较高电子浓度的区域移动到较低浓度的区域，就像水浸入海绵一样。但是，那些扩散电子不会永远移动，因为它们会在某个时刻撞到一个洞并重新结合。这意味着在半导体中扩散（自由）电子具有半衰期和所谓的扩散长度，这是它们在与空穴复合之前传播的平均距离。

扩散是二极管结形成其耗尽区的机制。

现在，如果基极-发射极二极管正向偏置，则基极-发射极二极管的耗尽区会变小，并且电子开始从该结扩散到基极。但是，由于晶体管的构造使得这些电子的扩散长度比基极宽，因此许多电子实际上能够在不重组的情况下直接扩散穿过基极，并在集电极处出来，从而有效地“隧穿”通过不与底座上的孔相互作用而穿过底座。（重组是一个随机过程，不会立即发生，这就是为什么扩散首先存在的原因。）

因此最终，一些电子通过随机运动最终进入集电极。现在它们在那里，当电子克服基极-集电极二极管的正向偏置电压时，它们只能回到基极，从而使它们“堆积”在集电极中，降低那里的电压，直到它们可以克服基极-集电极结并回流。（实际上，此过程是一个平衡。）

利用施加在基极，发射极和集电极上的电压，您仅在半导体中产生电场，该电场会导致电子向耗尽区漂移，从而改变晶体中电子的浓度，从而导致扩散电流流过半导体。基础。尽管单电子受晶体管端子电压产生的电场影响，但它们本身并不具有电压，只有能级。在晶体通常处于相同电压的一部分内，电子可以（并且将）具有不同的能量。实际上，没有两个电子具有相同的能级。

这也解释了为什么晶体管可以反向工作，但电流增益要小得多的原因：电子已经很难扩散到高掺杂发射极区中，而没有扩散到轻掺杂集电极中，因为那里的电子浓度已经很高。这使得该路径对电子的吸引力不如非反向晶体管，因此更多的电子直接从基极流出，增益较低。

— 乔纳森·S。
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Jonathon很好，而且很经典，但是它并没有说明您如何在中间设置一个电压高于其上面的电压的层。

— Trevor_G

@Trevor_G在半导体中，实际上没有“电压”。有电场，但是即使单个电子位于晶体的同一区域，它们也可以具有许多不同的能级。如果不是这种情况，就不会有带隙，因此就不会有半导体。电子甚至没有电压。

— Jonathan S.

@JonathanS .：看看我的回答。要了解Trevor所谈论的细节，需要了解与基座相关的磁场/电压在整个区域内都不恒定，尤其是在饱和期间。

— 戴夫特威德

我之前已经读过所有这些文章，它仍然没有解释如何在集电极处降低电压，仅解释了电子如何通过耗尽区。虽然您曾经短暂地逃避过隧道。

— Trevor_G

@Trevor_G基极为正掺杂，集电极为负。由于基极比电子的扩散长度小，因此我们可以假设扩散后基极和集电极的每个区域 “着陆”中的电子数量相等。由于集电极已经被负掺杂，因此它的电子浓度将比基极高，从而使其电压更低。

— Jonathan S.

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集电极的电压到底会比该夹层中的基极低吗？

$0.7\,\mathrm{V}$ $0.4\,\mathrm{V}$

因此，您真正的问题可能是：给定这些施加的电压，物理定律如何使集电极电流流入集电极？

- V_{B E} - V_{C B} + V_{C E} = 0

$-V_\mathrm{BE}-V_\mathrm{CB}+V_\mathrm{CE}=0$

I_{C} + I_{B} + I_{E} = 0,

$I_\mathrm{C}+I_\mathrm{B}+I_\mathrm{E}=0,$

V_{B E} I_{B} + V_{C E} I_{C} > 0.

$V_\mathrm{BE}I_\mathrm{B}+V_\mathrm{CE}I_\mathrm{C}>0.$

这些是物理在静态情况下对端子电压和电流施加的唯一约束。如您所见，以上所有条件都适用于饱和BJT。

您的困惑可能来自隐式地假设一个线性设备，而BJT则不是。

— Massimo Ortolano
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感谢您复制答案，在您的答案对不起之前，我删除了重复项。

— Trevor_G

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似乎混淆的根源是假设电流只能是漂移电流。扩散电流不一定要服从电场，实际上，尽管有相反的电场，扩散电流仍然可以流动，这使晶体管能够...发挥作用。

— Sredni Vashtar '18

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@Trevor_G从您的评论中，我怀疑您认为电子的传输仅由电场（即电势的梯度）驱动。实际上，驱动电子传输的是电化学势，由于跨结处的载流子浓度变化，电化学势考虑了系统的不均匀性。正是这种不均匀性产生了扩散电流。

— Massimo Ortolano

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正如Massimo所说，@ Trevor_G是浓度梯度产生了扩散电流。尽管有重力，气体也几乎可以以相同的方式向上膨胀。半导体中的电子更像是气体（可以用泵移动它们，但是由于浓度梯度它们也可以移动），而在导体中，它们更像液体（不可压缩，需要泵来制造）它移动）。在我看来，您在问：如果没有泵朝那个方向推动，我该如何移动这种气体？

— Sredni Vashtar '18

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另外，如果您设法以某种方式消除了扩散电流分量（例如，通过在底座的中间放置一层导体），则会立即将气体“凝结”在液体中，通过从底座中扫出气体，可以杀死该气体。晶体管动作。您最终会背靠背接两个二极管，在这种情况下，您对电势的反对将是有效的。问题是，您无法获得与晶体管相同的电流和电位值。

— Sredni Vashtar '18

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请记住，基座在整个区域内的电压都不相同。与基极相关的电阻是不可减少的，从某种意义上说，基极的外部连接必须一定在结构的边缘。由于在该“薄片”中存在电流分布，因此也存在电压分布。

因此，在饱和时，流入基极端子的电流会流过基极端子附近的两个正向偏置的二极管结（BE和BC）。流到集电极的电流然后通过基极的另一部分流到发射极，该另一部分离基极端子更远。

本质上，固有基极电阻两端的电压降是允许我们在外部端子看到的电压分布的原因。

— 戴夫·特威德
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是的，我虽然也可能是类似的东西，但是后来我意识到，如果是这样的话，较远的点将不会向前偏斜且不会传导，因此这种想法会分崩离析。

— Trevor_G

不，它不会崩溃。没有理由说某些地区不能向前偏见，而其他地区则不能。停止思考集总电路元件-晶体管内部的磁场不断变化，尤其是在饱和期间。没有前向偏置的部分以Jonathan S.描述的“经典”方式起作用。

— Dave Tweed

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BJT是当前的设备。当处于有源区时，许多发射极（发射极被重掺杂且比基极负电）电子进入基极（轻掺杂），一些电子落入较少的基极空穴，但大部分扩散到集电极，从而导致Ic 。当饱和时，集电极也比基极负电，因此它为基极贡献了一些电子。随着集电极向基极贡献更多的电子（Vbc更正），随之而来的是集电极-发射极电流将更低。随着Vbc变小（Vce（sat）更高），饱和电流可能会更高。因此，一旦达到饱和状态，集电极电压就会随着集电极电流而上升。

您可以在集电极和发射极反向的情况下运行晶体管。由于集电极与发射极相比掺杂较轻，因此增益很差，但是Vce（sat）将在单个mV范围内下降。在前FET时代，我们使用这种方法将采样保持的模拟输入接地。

— 约翰·伯克黑德
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它是不同的载体和不同的运动方式。谈论NPN。

随着基极电压的增加，空穴开始跨BE结势垒移动，您将获得更多的电子。电子通过扩散移动穿过基极，从高浓度移动到低浓度，它们不受电压驱动。

最终在BC结处有一束自由电子，形成一个带负电荷的区域，它们被集电极上的任何正电压所扫掠。

— 罗伊
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真正有趣的问题是，您要将它分为一系列吗：)。

— RoyC

感谢您的描述和提问。其中之一就是“它们被集电极上的任何正电压所淹没”……尽管不要考虑太多。作为反向偏置的二极管，堆积在基极侧的电子应关闭而不是打开该二极管模式。为了打开它，我们需要在此处堆积空穴。而不是电子，或者，或者电子不堆积在结的集电极侧。东西不累加。

— Trevor_G

不，它不是二极管，如果它是二极管，那么您会在其中堆积空穴而没有电子。这就是为什么串联两个二极管不会构成晶体管的原因。

— RoyC

:)是的，我了解这一点，但是根据经典理论，在基极和集电极之间仍然存在连接障碍。它与背对背二极管的不同之处在于只有一个非常薄的中心阳极或阴极。确实很有趣，它不如我们接受的简单模型那么清晰。

— Trevor_G

关键是，在存在电子质量的情况下，不可能在CB结处形成二极管耗尽区。在普通二极管中，您只会在结的P侧有孔，而这些孔会被电场从结拉开。电子被拉过结，为您提供集电极电流。

— RoyC

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非整流结电位。那是诀窍。

每个人都缺少一个简单，非常基本的事实。（大多数初学者教科书也错过了这一点。甚至有些工程学专家似乎也很无知。）事实：即使在断电，金属二极管无二极管效应的情况下，结点两端始终都有电压。铁铜，铬铝合金等

换句话说，如果我们想了解有关二极管和晶体管的所有知识，就不能忽略热电偶物理特性和非整流结。如果这样做，那么Vce将变得无法解释，这是工程学的一个神秘谜团。

[更多内容]

— beat
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理想情况下，Vbe与Vcb匹配，并且两者都在Imax和Ic / Ib = 10时以Vce（sat）= 0进行正向导通。

正如Dave T.指出的那样，Vbe基极扩展电阻（又称有效系列R或ESR）不是均匀的，但通过并行制作多个窄基极阱，性能得以提高。

当较小的较高掺杂BE结的ESR高于CB结的较大ESR时，我们得到的Vbe高于Vcb，因此Vce（sat）升高。现在，电流增益已降至最大值的10％左右。

外延过程通常是平面的，而不是垂直的。
离子注入用于发射极和基极结。
$R_{CE}$
射入基极的电子比射入发射极的空穴多
由于基极非常窄，因此大多数发射器电子都穿过基极并到达集电极

Zetex围绕这种外延技术发明了约100项工艺专利，现在Diodes Inc.拥有许多产品，尽管更昂贵的模具尺寸与Rce相似，Rce在10毫欧英寸的TO-3罐中，Rce在1 Ohm范围内。这大大降低了高电流下的散热。

ON Semi也有自己的低Vce（sat）零件。

该SOT-23的体积小于13美分，最大Rce = 45毫欧。最大Vce = 12V

— 托尼·斯图尔特Sunnyskyguy EE75
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问题是什么？该基地电压CE创建领域开展

— 托尼·斯图尔特Sunnyskyguy EE75

没有明智的反驳-1

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 '18