当前位置: 华文星空 > 知识

如何形象生动的让初中学生理解三极管的工作状态?

2014-05-24知识

要怎么描述三极管,这取决于你想理解到什么程度

我学习这类东西一直以来就是喜欢把本质弄清在学习,如若不然,那倒正成为了「刻板的」应试教育。那接下来我就说说我的理解

1. 什么叫三极管?

三极管 ,有三个通道的管子,分别叫做 B通道、C通道 E通道

2. 三极管用来干什么呢?

答:用来调节电流大小, B和C通道 都输入电流,所以,E通道得到的电流就是:

3. 三极管怎么工作呢?

如下图,像水龙头一样

阀门 ,用来控制从C通道流过来的电流大小。好比:我呢,从 B通道 放进去每秒1L的电流, C通道 原本有每秒20L的电流,但我控制下阀门,因为我想从 E通道 得到每秒13L的电流,于是我就弄弄阀门,使 C通道 流过来每秒12L电流(这就是阀门的作用)



4. 为什么要这样设计呢?为什么不直接设计一个电路就流出每秒12L的电流呢?

因为,现实生活中,我们 需要同一个东西完成多项任务 ,通过调节阀门,我想得到多少电流就得到多少电流。

咱不会因为洗衣服和刷牙而专门弄两个 水龙头,一个专门流小水流,另一个专门流出大水流。当然,也没有这种水龙头, 因为,很不实用。

5 .三极管的物理原理是什么,内部结构什么样?

以上是通俗理解,让我们来看看,到底三极管内部怎么运作出以上效果。

如图,三极管,三个「通道」,两个「端」, E通道、C通道、B通道。N端、P端。 (都超好理解的、看下去)

E通道 连接 N端 C通道 连接另一 个N端 B通道 连接 P端 。你问我什么是N端?P端?看图有解释哦~


图小了看不清?

N端 ,就是英文 Negative, 意思是负极,里面都是磷原子(P) 。

同理咯, P端,Positive , 意思是正极,里面是硼原子(B)。

什么什么,你又问我 到底什么叫B通道 C通道和E通道 呢?

英文分别是 Base端 Collector端 Emitter端

  • Base:基础,基本,故而B端叫做「基极」
  • Collector:收集器,故而C端叫做「集电极」
  • Emitter:发射器,故而E端叫做「发射极」
  • 收集器收集什么呢?当然是搜集电子啦

    那发射器呢?当然也是在发射电子了啦

    那电子怎么来呢?

    你看呀,再复习下哦:

    三极管里面, N极(Negative) 中含有P(磷原子), P极(Positive) 中含有B(硼原子),三极管本身是用硅来做的。

    然后呢,都知道初中、高中化学吧? 为了保证原子间稳定 ,【 磷】 需要丢掉一个电子和【硅】搞稳定, 丢掉的电子,就有形成电流的条件(电流就是电荷的流动)。 而【硼】需要得到一个电子,才能和【硅】搞稳定。

    所以当【硼原子】和【硅原子】在一起的时候,相当于是带正电的,为什么是相当于呢?因为正电荷带正电,但在这里它又不是正电荷,它只是少了电子,所以带正电,所以我们叫它【 空穴】,所以,很多【空穴】都存在在P区域(也就是最中间的区域。

    空穴,「就一个空位置,相当于带正电的空位置,因为需要额外得到一个电子才能为电中性的稳定的空位置。」


    那你在看,结合上图, P极(Positive) 需要得到电子, N极(Negative) 需要失去电子,于是在 P、N两级区域交界处 ,【硼】得到了【磷】失去的电子,原子间和谐共处,于是就 呈现出电中性 ,也就是图中两个灰色区域【叫做耗尽区】

    在【耗尽区】,原子们超级稳定,是电中性,所以不导电,也就是绝缘的意思。但远离这个区域的地方——比如最左边的 N极(Negative), 由于最左边和中间有一定距离(对原子来说相当于南极到北京这样子~)所以他们仍然不能得到满足,还是不和谐,不是电中性,仍然 P极(Positive) 带正电, N极(Negative) 带负电。

    上诉的都是三极管这个原件哦~并没有接入电路哦。现在!我们要通电啦!把这个原件拿到电路中!给!他!通!电!

    问:怎么通电呢?(也就是怎么在电路中用三极管呢?)

    答:分别在【 B(Based)基极】和【C(Collector)集电极】 加上外部电源(所以是两个电源)(如下图)

    从【 B(Based)基极】 【C(Collector)集电极】 出来的【 电流】 正电荷的流动。

    因为电流就是电荷的移动。小电子们(-)移动了,也有电流;正电荷(+)移动了,也有电流。所以初中物理才规定, 电流 ,统一下,正电荷的移动方向为 电流的 正方向。啥叫正方向?就是在数学上计算时,不用写-号,写+号(正号)就可以了。

    上图左边,是正电荷的移动方 向,也就是电流的移动方向。【Collector 集电极】和【Based 基极】都将【正电荷们】输送进三极管中。 【正电荷们】的长征之路就此开始。

    【小正电荷们】有两关要通过:1.空穴的同性相斥 2.灰暗的绝缘地带不导电

    由于【 正电荷们】只能从E端口出来 。但想要走到【 Emitter 发射极 】,旅途中,还有很多空穴。高中物理说过, 同性相斥 ,要是【集电极+基极】过来的正电荷排还不如空穴的「正电荷」数量多,那么,在空穴的阻挠下,【集电极+基极】过来的正电荷就无法前进。(但空穴的量还是比较少的,比较容易通过此关。

    但面对两个灰暗的【耗尽区】,由于这里也不导电,所以,我们需要很多很多many,many正电荷携手才能一起突破【耗尽区】的绝缘能力。

    绝缘意思是,阻隔一定程度的电流,比如我这个绝缘器能让你摸着20安的电流都没感觉,但突然你拿着他被闪电劈了,那对不起,这绝缘器没这么大能力帮你绝缘这上万的电流,你还得是被劈。

    开启电压】

    所以,我们把刚好可以让【正电荷们】通过空穴和耗尽区的电压,叫做【 开启电压 】。当然,空穴也会通过耗尽区跑到【 Emitter 发射集 】。

    1.我们把到达【 Emitter 发射集 】的空穴所形成的空穴电流写作 Iep

    虽然很多空穴都存在在 P级(Positive), 但由于 N极(Negative) 中本身也存在空穴,所以

    2.我们把最右边 N极(Negative) 中跑到中间 P级(Positive) 的空穴形成的电流叫 Icbo

    什么什么,为什么 N极(Negative) 中居然存在空穴?

    高中物理说过(肯定说过): 核外电子可以通过获得外界能量而可以摆脱原子核对它的束缚 ,原子核失去了一个电子就多一个空位,此时整个「原子」对外带正电,相当于【空穴】。

    原子所处的空间中也多一个擅自跑出去的电子。这种现象,在三极管内,叫做【 本征激发】 ,当然,本佂激发激发出的电子很少,也就是【 本征激发】 出的空穴很少,因此Icbo很少。【 本征激发】 的效果和温度有很大关系,温度越高,逃跑的电子就越多,那【空穴】也就越多)

    基础知识补习,然后再继续说

    电压是什么? 根据高中物理,电势的差叫做电压,电势是,比如我左边手里有个小盒子,比起不带电的大地,这小盒子有+3V的电荷量,那我就说,左手小盒子的电势是+3V,但如果我右手手里全是电子,比起不带电的大地,右手手里电子有-10V,由于我是导电的,所以左右两边的电势的差是15V。

    电流是什么? 电流,也就是单位时间内(比如1秒)正电荷通过一个百米冲刺终点的数量,电流方向是正电荷奔跑的方向。

    并且需要转移话题地指出,电路开路说明电流为0表明电子奔跑的公路断了,流不过去也就停在那里,因此电子移动速度为0,由电流的定义知道电流为0;而电路短路电压为0表明,从天上掉下来是因为有势力,设定地面为零势能点,那么电压就是从天上掉到地下的重力势能的差值,短路相当于你天地合一,势能差为0,故电压为0(因为短路时你把电源的两极直接连在一起,天地合一就GG)

    一般而言,用【硅】做的三极管,他的【 开启电压 】是0.7V。以上是从正电荷和空穴的角度看。

    从电子的角度看,靠近 E级【Emitter 发射极】 N端(Negative) 中的电子,由于它靠近电源负极,同性相斥,故而被排斥到P( Positive) ,从E这边的 N端 被排斥的电子形成的电流我们叫做Ien,Ien达到 P极 后和一部分空穴中和,另一部分由于异性相吸从 B端 出来,于是浩浩荡荡的Ie大军到达另一边的N端时被消耗了一些,成为了Icn并从 C端 出来。把 从B端 出来的电流叫做Ibn,手写的话,以上电流关系是这样的:

    需要注意:各个端口的总电流是电子移动形成的电流+空穴移动形成的电流。

    重新看一开始的图,带着电流关系看便有:

    阀门的存在便有了人为控制的 B端电流和C端电流的关系为β倍 ,由于三极管是用来「放大」电流的(你可以理解为:其实就是人们拿一个3V电源和15V电源组装在一起然后骗自己说你看我E端流出的电流比我我3V输入的还要多哦,于是「放大」了)

    至此,关于三极管的工作原理告一段落,在电路分析中,我们常常采用两种方式分析三极管的工作,遇见了再说。

    啊啊啊啊~画了这么多图,看着也好舒服~嗯,愉快的周末开始啦!