從出國旅遊一次理解電晶體的 I-V 特性曲線



嗯!首先,讓我來說一個小故事。去年大概是某個旅遊旺季的時候,我跑了趟日本,從桃園國際機場出境。出境會有兩個主要關卡,第一道就是先過安檢門,第二道是過證照查驗門。因為現在機場通關除了有人工查驗閘道之外,也有自動通關的閘道。所以,安檢門的入口數量似乎是比查驗門還要少。大概像下面這張示意圖:

當天那個時段,要出境的人爆多,看起來旅行團的數量不少,全都在安檢門前峰迴路轉,排了好長的隊伍。然後,在我前面有一小撮不耐久候的阿公、阿罵們,嘴裡一直碎碎念。這中間還有一位老先生在隊伍中因為缺氧,緊急送醫。在隱約中,聽到某阿公跟阿罵們抱怨:「到底是安怎人這多,檢查足慢、排足久。」 
  

幾個邏輯問題

在拋出問題前,我們先看下圖,定義一下幾件事:
  • 安檢門的數量為 (改用開口大小表示)  [1] VBE ,下文看到 [1] 表示第一道門
  • 查驗門的數量為 (改用開口大小表示)  [2] VCE ,下文看到 [2] 表示第二道門
  • 通關的人流量為 IC
  • IC 的單位是 => 每單位時間通過幾個人 = (人/單位時間)
  • 不考慮安檢、證照查驗人員的辦事效率,只要閘門可用,人就可以直接通過

第一組問題

    1. 當安檢門 [1] VBE 關閉時 (即 VBE = 0),通關的人流 IC 將會是多少?
    2. 當安檢門 [1] VBE 打開時,但查驗門 [2] 關閉時 (即 VCE = 0),IC 將會是多少?
    很好,兩個門若其中一個關閉的話,當然不可能有順利通關的人流,所以兩個的答案都是 0:
    1. IC = 0 (人/單位時間)
    2. IC = 0 (人/單位時間)

    第二組問題:特徵曲線

    1. 當 [1] VBE = 開 1 個門,但 [2] VCE 開 0 個門,IC 為何?
    2. 當 [1] VBE = 開 1 個門,但 [2] VCE 開 1 個門,IC 為何?
    3. 當 [1] VBE = 開 1 個門,但 [2] VCE 開 2 個門,IC 為何?
    4. 當 [1] VBE = 開 1 個門,但 [2] VCE 開 3 個門,IC 為何?
    相信你一定也能輕易地回答如下:
    1. IC = 0 (人/單位時間) -- 以下開始我們就不寫單位了
    2. IC = 1
    3. IC = 1
    4. IC = 1
    道理蠻簡單的,因為 [1] 安檢門只開了一個,就算 [2] 查驗門再開一千個出來,也無法提升通關人流。

    第三組問題:另一條特徵曲線

    1. 當 [1] VBE = 開 2 個門,但 [2] VCE 開 0 個門,IC 為何?
    2. 當 [1] VBE = 開 2 個門,但 [2] VCE 開 1 個門,IC 為何?
    3. 當 [1] VBE = 開 2 個門,但 [2] VCE 開 2 個門,IC 為何?
    4. 當 [1] VBE = 開 2 個門,但 [2] VCE 開 3 個門,IC 為何?
    這也很好回答,答案如下:
    1. IC = 0 (VCE 這道門是關的)
    2. IC = 1 (因為 VCE 只開 1 個門,所以 VBE 開 2 個門,流量還是被限制住)
    3. IC = 2 (兩個門一樣大)
    4. IC = 2 (VCE 再開大也無法增加流量,因為 VBE 就只開 2 個門)

    以上的概念,應該不難理解。接下來我們來看看雙極性電晶體 (BJT)。

    兩道門模型

    雙極性電晶體 (BJT) 與金氧半場效電晶體 (MOSFET) 的 I-V Curve,雖然操作背後的物理原理不一樣,但其直流特性最終顯現出來的,可以看成一種兩道門的模型。以下是從我以前上課的講義整理出來的,讓我們固定 VBE 來觀察,由上到下來看看 VCE 從大變小的情況:


    BJT 的直流 I-V Curves

    對應每個不同的 VBEx,我們都可以畫出一條 IC vs VCE 的曲線,最後就可以把電晶體的 I-V Curves 特徵曲線一條條給畫出來了,大概會像下圖這樣。

    實際的 BJT 若要進主動區,一般 VBE 的底限大約會落在 0.4V ~ 0.8 V ,基-射極偏壓要高於它才算有打開。另外,隨著 VCE 變大,IC 也會微微往上翹 (電流升高),這個現象來自於厄立效應 (MOSFET 則有通道長度調變效應), 在此就不多談下去了。


    後記

    本文的目的在於用一種生活化的方式介紹電晶體的直流 I-V 特徵曲線。如果你在偏壓時,常常搞不清楚哪邊的電壓要大、哪邊的電壓要小,那麼就想想放暑假、要坐飛機出國遊玩吧!如果遇到安檢門那邊塞車,看到安檢人員開闢旁邊新的檢查門,那就是把 VBE 催下去的意思  XDD...
     
      I-V Curve 在放大器設計時有其用途,比如說幫助我們決定偏壓點,這就以後再聊囉!最後,有個很有趣的事請大家想想:

    你知道從 I-V Curve 上可以看出三種電阻嗎?你知道這三個電阻在哪裡嗎?
     

     

    4 則留言:

    1. 本文很棒
      可是科普總是歸科普
      把量子統計的結論以巨觀經驗講得令人信以為真
      以學習的觀點還是不太好的~

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      1. Hi David,君所言甚是。文章並無意要誤導讀者以為真實就是那樣,我相信讀者心裡也有底,一看便知這是搏君一笑的比喻方式。您的建議是正面的,我日後撰文也會多加注意,謝謝提醒!

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    2. 對於普羅大眾來說
      簡單的比喻說明
      淺顯易懂何嘗不可
      當初法拉第不是也一直做這樣的事嗎?



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      1. Hi 詹姆士, 謝謝您的理解... 寫文章還是得心存一把尺, 畢竟也會擔心把事情講得太簡化, 雖有趣卻可能造成反效果啊~ 那就違背一開始想寫文章的心意了.

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