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如何形象生動的讓初中學生理解三極管的工作狀態?

2014-05-24知識

要怎麽描述三極管,這取決於你想理解到什麽程度

我學習這類東西一直以來就是喜歡把本質弄清在學習,如若不然,那倒正成為了「刻板的」應試教育。那接下來我就說說我的理解

1. 什麽叫三極管?

三極管 ,有三個通道的管子,分別叫做 B通道、C通道 E通道

2. 三極管用來幹什麽呢?

答:用來調節電流大小, B和C通道 都輸入電流,所以,E通道得到的電流就是:

3. 三極管怎麽工作呢?

如下圖,像水龍頭一樣

閥門 ,用來控制從C通道流過來的電流大小。好比:我呢,從 B通道 放進去每秒1L的電流, C通道 原本有每秒20L的電流,但我控制下閥門,因為我想從 E通道 得到每秒13L的電流,於是我就弄弄閥門,使 C通道 流過來每秒12L電流(這就是閥門的作用)



4. 為什麽要這樣設計呢?為什麽不直接設計一個電路就流出每秒12L的電流呢?

因為,現實生活中,我們 需要同一個東西完成多項任務 ,透過調節閥門,我想得到多少電流就得到多少電流。

咱不會因為洗衣服和刷牙而專門弄兩個 水龍頭,一個專門流小水流,另一個專門流出大水流。當然,也沒有這種水龍頭, 因為,很不實用。

5 .三極管的物理原理是什麽,內部結構什麽樣?

以上是通俗理解,讓我們來看看,到底三極管內部怎麽運作出以上效果。

如圖,三極管,三個「通道」,兩個「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 連線 N端 C通道 連線另一 個N端 B通道 連線 P端 。你問我什麽是N端?P端?看圖有解釋哦~


圖小了看不清?

N端 ,就是英文 Negative, 意思是負極,裏面都是磷原子(P) 。

同理咯, P端,Positive , 意思是正極,裏面是硼原子(B)。

什麽什麽,你又問我 到底什麽叫B通道 C通道和E通道 呢?

英文分別是 Base端 Collector端 Emitter端

  • Base:基礎,基本,故而B端叫做「基極」
  • Collector:收集器,故而C端叫做「集電極」
  • Emitter:發射器,故而E端叫做「發射極」
  • 收集器收集什麽呢?當然是搜集電子啦

    那發射器呢?當然也是在發射電子了啦

    那電子怎麽來呢?

    你看呀,再復習下哦:

    三極管裏面, N極(Negative) 中含有P(磷原子), P極(Positive) 中含有B(硼原子),三極管本身是用矽來做的。

    然後呢,都知道初中、高中化學吧? 為了保證原子間穩定 ,【 磷】 需要丟掉一個電子和【矽】搞穩定, 丟掉的電子,就有形成電流的條件(電流就是電荷的流動)。 而【硼】需要得到一個電子,才能和【矽】搞穩定。

    所以當【硼原子】和【矽原子】在一起的時候,相當於是帶正電的,為什麽是相當於呢?因為正電荷帶正電,但在這裏它又不是正電荷,它只是少了電子,所以帶正電,所以我們叫它【 電洞】,所以,很多【電洞】都存在在P區域(也就是最中間的區域。

    電洞,「就一個空位置,相當於帶正電的空位置,因為需要額外得到一個電子才能為電中性的穩定的空位置。」


    那你在看,結合上圖, P極(Positive) 需要得到電子, N極(Negative) 需要失去電子,於是在 P、N兩級區域交界處 ,【硼】得到了【磷】失去的電子,原子間和諧共處,於是就 呈現出電中性 ,也就是圖中兩個灰色區域【叫做耗盡區】

    在【耗盡區】,原子們超級穩定,是電中性,所以不導電,也就是絕緣的意思。但遠離這個區域的地方——比如最左邊的 N極(Negative), 由於最左邊和中間有一定距離(對原子來說相當於南極到北京這樣子~)所以他們仍然不能得到滿足,還是不和諧,不是電中性,仍然 P極(Positive) 帶正電, N極(Negative) 帶負電。

    上訴的都是三極管這個原件哦~並沒有接入電路哦。現在!我們要通電啦!把這個原件拿到電路中!給!他!通!電!

    問:怎麽通電呢?(也就是怎麽在電路中用三極管呢?)

    答:分別在【 B(Based)基極】和【C(Collector)集電極】 加上外部電源(所以是兩個電源)(如下圖)

    從【 B(Based)基極】 【C(Collector)集電極】 出來的【 電流】 正電荷的流動。

    因為電流就是電荷的移動。小電子們(-)移動了,也有電流;正電荷(+)移動了,也有電流。所以初中物理才規定, 電流 ,統一下,正電荷的移動方向為 電流的 正方向。啥叫正方向?就是在數學上計算時,不用寫-號,寫+號(正號)就可以了。

    上圖左邊,是正電荷的移動方 向,也就是電流的移動方向。【Collector 集電極】和【Based 基極】都將【正電荷們】輸送進三極管中。 【正電荷們】的長征之路就此開始。

    【小正電荷們】有兩關要透過:1.電洞的同性相斥 2.灰暗的絕緣地帶不導電

    由於【 正電荷們】只能從E埠出來 。但想要走到【 Emitter 發射極 】,旅途中,還有很多電洞。高中物理說過, 同性相斥 ,要是【集電極+基極】過來的正電荷排還不如電洞的「正電荷」數量多,那麽,在電洞的阻撓下,【集電極+基極】過來的正電荷就無法前進。(但電洞的量還是比較少的,比較容易透過此關。

    但面對兩個灰暗的【耗盡區】,由於這裏也不導電,所以,我們需要很多很多many,many正電荷攜手才能一起突破【耗盡區】的絕緣能力。

    絕緣意思是,阻隔一定程度的電流,比如我這個絕緣器能讓你摸著20安的電流都沒感覺,但突然你拿著他被閃電劈了,那對不起,這絕緣器沒這麽大能力幫你絕緣這上萬的電流,你還得是被劈。

    開啟電壓】

    所以,我們把剛好可以讓【正電荷們】透過電洞和耗盡區的電壓,叫做【 開啟電壓 】。當然,電洞也會透過耗盡區跑到【 Emitter 發射集 】。

    1.我們把到達【 Emitter 發射集 】的電洞所形成的電洞電流寫作 Iep

    雖然很多電洞都存在在 P級(Positive), 但由於 N極(Negative) 中本身也存在電洞,所以

    2.我們把最右邊 N極(Negative) 中跑到中間 P級(Positive) 的電洞形成的電流叫 Icbo

    什麽什麽,為什麽 N極(Negative) 中居然存在電洞?

    高中物理說過(肯定說過): 核外電子可以透過獲得外界能量而可以擺脫原子核對它的束縛 ,原子核失去了一個電子就多一個空位,此時整個「原子」對外帶正電,相當於【電洞】。

    原子所處的空間中也多一個擅自跑出去的電子。這種現象,在三極管內,叫做【 本征激發】 ,當然,本佂激發激發出的電子很少,也就是【 本征激發】 出的電洞很少,因此Icbo很少。【 本征激發】 的效果和溫度有很大關系,溫度越高,逃跑的電子就越多,那【電洞】也就越多)

    基礎知識補習,然後再繼續說

    電壓是什麽? 根據高中物理,電勢的差叫做電壓,電勢是,比如我左邊手裏有個小盒子,比起不帶電的大地,這小盒子有+3V的電荷量,那我就說,左手小盒子的電勢是+3V,但如果我右手手裏全是電子,比起不帶電的大地,右手手裏電子有-10V,由於我是導電的,所以左右兩邊的電勢的差是15V。

    電流是什麽? 電流,也就是單位時間內(比如1秒)正電荷透過一個百米沖刺終點的數量,電流方向是正電荷奔跑的方向。

    並且需要轉移話題地指出,電路開路說明電流為0表明電子奔跑的公路斷了,流不過去也就停在那裏,因此電子移動速度為0,由電流的定義知道電流為0;而電路短路電壓為0表明,從天上掉下來是因為有勢力,設定地面為零勢能點,那麽電壓就是從天上掉到地下的重力勢能的差值,短路相當於你天地合一,勢能差為0,故電壓為0(因為短路時你把電源的兩極直接連在一起,天地合一就GG)

    一般而言,用【矽】做的三極管,他的【 開啟電壓 】是0.7V。以上是從正電荷和電洞的角度看。

    從電子的角度看,靠近 E級【Emitter 發射極】 N端(Negative) 中的電子,由於它靠近電源負極,同性相斥,故而被排斥到P( Positive) ,從E這邊的 N端 被排斥的電子形成的電流我們叫做Ien,Ien達到 P極 後和一部份電洞中和,另一部份由於異性相吸從 B端 出來,於是浩浩蕩蕩的Ie大軍到達另一邊的N端時被消耗了一些,成為了Icn並從 C端 出來。把 從B端 出來的電流叫做Ibn,手寫的話,以上電流關系是這樣的:

    需要註意:各個埠的總電流是電子移動形成的電流+電洞移動形成的電流。

    重新看一開始的圖,帶著電流關系看便有:

    閥門的存在便有了人為控制的 B端電流和C端電流的關系為β倍 ,由於三極管是用來「放大」電流的(你可以理解為:其實就是人們拿一個3V電源和15V電源組裝在一起然後騙自己說你看我E端流出的電流比我我3V輸入的還要多哦,於是「放大」了)

    至此,關於三極管的工作原理告一段落,在電路分析中,我們常常采用兩種方式分析三極管的工作,遇見了再說。

    啊啊啊啊~畫了這麽多圖,看著也好舒服~嗯,愉快的周末開始啦!