BJTが「電流制御」と見なされるのはなぜですか？

BJTでは、Vinを使用してベース電流を制御できます（図から）。電圧を変更するとコレクタを流れる電流が制御されることが明らかなのに、BJTは電流制御されていると教科書に記載されているのはなぜですか？

上記の回路では、Vinはベースに流れる電流を制御しており、トランジスタ自体のベースとエミッタ間の電圧降下ではありません。

Vbeの両端の電圧降下は、Vin> 0.7の場合、常に約0.7Vです。過電圧はR1で低下します。

Vinを変更することで、実際にはベースに流れる電流を次の方程式に基づいて制御します。

前文

少し余談から始めましょう：ジェネレーターを電圧ジェネレーターではなく電流ジェネレーターにするものは何ですか？VIの特性を見てください。ほぼ一定の電圧（IV平面でほぼ水平）を持つものは電圧発生器と呼ばれ、ほぼ一定の電流（VI平面でほぼ水平）を持つものは電流発生器と呼ばれます。

（Electronics Tutorialsウェブサイトからの写真）

これは、「アクセント」が一定の量にあるためです（供給される電圧または電流-他の量は、負荷と発電機のコンプライアンスによって異なります）。（注1）

制御されたデバイスでは、アクセントは可変量にあります。Vbeをほぼ一定に保つ指数入力特性を考えると、制御変数として表示したい電流です。これは、エラーの伝播の直接的な結果です。急勾配の関数がある場合、ほぼ一定の量xの小さなエラーは、大きく変動する量qのはるかに大きなエラーに変わります（逆も同様です）。

「エラー分析入門」から撮った写真、テイラー、目的に合わせて歪めたもの

結論として、0.65 Vと0.67 V（1から1.03の比率）を分離するよりも、10 e 40 uA（1から4の比率）を区別する方が簡単です。（あまり柔軟でないことに注意してください：この編集の前に私が使用したより極端な値と同様に、これらは、制御変数として表示したいものの認識可能な変化-ベースに入る電流-のコントラストを示すことを目的とした値で構成されています-およびベースとエミッタ間の電圧の微弱な変化）。

最も簡単なこと

Chua、Desoer、Kuhの「線形回路と非線形回路」で示されているように、BJTの最も単純なモデルを採用することにより、これを電流制御と呼んでいる理由を確認できます。次の図では、すべてのダイオードが理想的です（しきい電圧はゼロであり、直列抵抗も同様です。これらは、逆バイアス時に完全に開回路になり、順バイアス時に完全に短絡します）。

E0はしきい値電圧を入力特性に追加しますが、トランジスタの動作はic = beta * ibで表されます。その電流制御電流発生器に注意してください。対応する入力と出力の特性は次のとおりです

とてもシンプルですよね？ただし、実際の特性と比較すると、似ていることがわかります。単純ですが、これは正当なモデルであり、ibを変更することで（このモデルではVbeは固定されているため変更できません）、Icの値を変更する回路のモデル化に使用できます。入力特性を入力負荷線と交差させることにより、ibを変更する方法を確認できます

E1（BJTの一部ではない）を変更すると、ib（BJTの一部）が変更されます。次に、そのibの値に対応するicの値を見つけ、対応する出力特性を選択し、出力負荷ラインとの交差によって電圧を見つけます。

誰かが叫びながらジャンプします " WHAT？あなたはベータを使用して、ミッションクリティカルな核用途のために世界中で生産されるアンプを設計していますか？また、ベータはどこから来たと思いますか？さらに、そのベータを知らないのですか？見ただけで、99億兆パーセントも変化しますか？」

ポイントは、所定のトランジスタについて合理的に定義されたベータの値があることです（事前に測定できるため、製造ロットが恥ずべき分散を示しているかどうかは問題ではありません）。他の電気的パラメータとの変動。これは簡略化されたモデルであり、温度、現在、または髪の色によるベータの変動をモデル化しないことに注意してください。これは、トランジスタのアクションの要点を捉えた簡略化されたモデルであり、The Art of Electronicsから時々解き放たれた「トランジスタマン」と同じです。

このモデルからトランジスタのカットオフ周波数を見つけることができますか？いいえ。このモデルでアーリーエフェクトを説明できますか？いいえ。このモデルでBEジャンクションの微分抵抗を説明できますか？いいえ。放射線による電荷ペア生成を説明できますか？いいえ。2番目のフィールドの量子化と時空の曲がりを説明できますか？いいえ。

これは、このモデルが完全に役に立たないことを意味しますか？いいえ。このモデルの非常に単純化された動作は、BJTが現在制御されていると多くの教科書が述べている理由を示しています。実際の入力特性は、値が固定されていると見なされるvbeではなく、ibのみを変更できる垂直線に似ています。（そして、これが私がこの回答の冒頭でその余談を作った理由です）。

Mosfetの最も単純なモデルを比較することもできます。Chuaの151ページには、これも含まれています。

ご覧のように、ゲート電流は固定されています（ゼロになるとペダンティックになります）。BJTに示されている条件の2倍の条件です。VI入力特性は水平です。ここにある唯一の制御は、vgsによるものです。これは、トンネル効果の存在を否定しているということですか？いいえ、これは単なるモデルです。とりわけ、トンネリングを考慮しないが、MOSFETでゲート-ソース間電圧に作用する理由を示すことができる単純化されたモデル。

これまで、ibとicの間の（単純化された）関係が、ベータを介してibによってicの制御としてどのように見えるかを見てきました。しかし、アルファを使用することもできますが、なぜですか？EisbergとResnick、p。474（475ページに共通の基本構成を示します）：

トランジスタ動作の基本的な考え方は、エミッタ回路の電流がコレクタ回路の電流を制御することです。エミッタを流れる電流の90％以上。電流が同じ大きさになります。しかし、ベース-コレクタ間の電圧は、エミッタ-ベース接続間の電圧よりもはるかに大きくなる可能性があります。前者は逆バイアスであるため、コレクタ回路の電力出力は、エミッタ回路の電力入力より非常に大きくなる可能性があります。 。したがって、トランジスタは電力増幅器として機能します。

これらの2人の紳士は、固体のバンド理論において量子力学が果たす役割を知らないのでしょうか。彼らは量子統計について聞いたことがありませんか？彼らは穴が何であるかさえ知っていますか？電圧を印加すると価電子帯と伝導帯に起因するエネルギーレベルプロファイルが変更される可能性があることを彼らは忘れていませんか？私はそうは思いません。彼らは、単純なモデルを選択して、いわゆるトランジスタアクションをどのように解釈できるかを説明しました。

芸術家ブルーノ・ムナリはかつて言った：「複雑にすることは単純で、単純化することは複雑です。特に、Chua、Desoer、Kuh、Eisberg、およびResnickは、簡素化することを選択しました。

最初にベースでプレイするのは誰ですか？

さて、（ほとんど）実際のトランジスタに戻りましょう。これは、Google画像検索の後に思いついた最初のvbe文字です。

それが本当ならDunnoですが、もっともらしいです。ここで注目すべきことは、ibが100パーセントの割合で大きく変化すると、vbeはほんの数パーセントの割合で、比較的少量だけ変化することです。これは、BEジャンクションの指数関係によるものです。このBJTを使用して、奇数日に10 mA、偶数日に15 mAを生成するとします。あなたはドイツの研究室であなたの手にある特定のトランジスタのベータを測定していて、それは興味のある範囲で250として出てきました。10％の精度の電流電圧発生器があるとしましょう。

現在の制御：ic = beta ibを使用して、設定する必要があるibの値を見つけることができます。icの公称値10および15 mAには、ibに対して公称値40 e 60 uAが必要です。現在の発電機の精度を考えると、入力と出力に次の電流範囲が表示されることが予想されます。

ib = 36-44 uA-> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA-> ic = 13.5-16.5 mA

電圧制御：ベータ版を信じないので、VBEを作成する電圧を指定する必要があります...はい、何ですか。上のグラフを読んでください（ただし、恐ろしいic = beta ibの関係を受け入れる必要があります）。Ebers-Mollモデルを使用して、icの目的の値に値を計算する必要があると思います。しかし、それが正確に0.65Vと0.67Vであると判断したとしましょう（上記のベータに正確な値を使用したのと同じです）これらの正確な値を設定しようとすると、中国製の10％正確な発電機が次の電圧範囲を供給します

0.585-0.715 V-> Ebers-Mollに戻り、ICを計算します...残念ながら不確実性は指数化されます...

0.603-0.737 V->いいえ、計算前に待機...

...供給している電圧範囲にすでに重ね合わせがあるようです。偶数日と奇数日を区別できない場合があります。

コレクタ電流を制御する手段として電流ベースに頼る方が良いと思います。

電流制御を使用すると、ベータの測定値に10％の誤差を許容しても、奇数および10でも数日。

電圧制御では、計算された（または図から読み取った）電圧値に10％の誤差を追加すると（その誤差が増幅されるため、私は寛大です）、すでに不確実性を失っています。これは、基本的なエラー伝搬理論です。

休憩

この投稿には時間がかかります。もう一度追加して、さらに何かを追加します。あなたが目撃したかもしれない宗教戦争の問題に触れさせてください。それは何についてですか？

トランジスタは固体デバイスであり、量子物理学の法則を使用して内部動作を説明する必要があります。固体中の電気キャリアのエネルギーレベルのバンド構造を考えると、これらのデバイスの内部動作を表すためにエネルギーレベルに頼ることは自然です。エネルギーとポテンシャルは互いに密接に関連しているため、ほとんどのモデルは、ポテンシャル（差）の関数で関連する量を表現する傾向があります。私が書いた理由

注：Ebers-Mollモデルで示されるVbeへの依存は、因果関係を意味するものではありません。そのように方程式を書くほうが簡単です。逆関数の使用を禁止する人はいません。

電圧と電流も密接に関連しているということです。これらは、エフォートフローソートの結合量であるため、基本的に一方が他方なしでは存在できません。それは微妙な問題ですが、電圧差を発生させることの意味も考慮する必要があると思います。それは、電荷を変位させることによって（バッテリーの電気化学反応によって、機械的発電機の電磁相互作用によって）作成されたのではありませんか？結局のところ、すべてのデバイスは基本的に充電制御されていると思います。ここから充電を移動して、特定の効果を得ます。

私は「電圧制御」の十字軍が「電流制御」の相手がフォレストミムスの本で電子工学を学び、量子物理学、固体または半導体デバイスの本を見たことがないと想定していると思います。コントロールを作動するために設定することを選択した変数として、コントロール変数の意味を無視しているようです。Eisberg＆Resnick（2人の「堅実な」物理学者が私に駄洒落を許せば）からの引用がそうではないことを彼らに示すことを願っています。

注（1）理想的なジェネレータ曲線は、理想的なものです。理想的な電圧発生器から、良好で平均的で粗い電圧発生器を通過し、次に粗く平均的で良好な電流発生器を通過する理想的な電流発生器への移行を想像してみてください。

$I_C=\beta I_B$

ハイブリッドpiモード l を使用する増幅器の場合など、小信号解析を行う場合は、電圧制御電流源と考えるとさらに便利です。

コレクター電流がトランジスター特性ではなく外部回路によって決定されるほどベース電流が大きいため、スイッチングアプリケーションを評価する場合はどちらも特に役立ちません（最初の条件は、状態が存在することを確認するのに役立ちます）。

$V_{BE}$

他の回答は、BJTが電圧制御されるか電流制御されるか、またはその両方であるかについての意見を表明しました。私の答えでは、代わりにこれに対処したいと思います：

電圧を変えるとコレクターを流れる電流が制御されることが明らかなときは？

次の代替回路を検討してください。

^{この回路をシミュレート – CircuitLabを使用して作成された図}

そうではありませんか 明らかでか

そして

したがって、ベース電流がコレクタを流れる電流を制御するということですか？

$I_B$$V_{BE}$$V_{BE}$$I_B$。

だからいいえ、それは明白ではありませんあなたの例では、BJTが電圧制御されてで。

$v_{BE}$$i_B$

同様に、コレクタ電流を制御できることを確認することができます制御する電圧源とベース-エミッタ電圧を。

かかわらず、利用者のカップルがいる強く BJTのコレクタ電流であることを自分の位置を表明します明らかに電圧制御されており、そうでないと示唆することは淡い色を超えて。

私が固体物理学を勉強してからしばらく経っていたので、EEの教科書のライブラリを調べることにしました。私が棚から取り出した最初の教科書は、「ソリッドステート電子デバイス」、第3版です。

以下は、セクション7.2.2の抜粋です。

$i_C$$i_B$。

$i_C$$i_E$$i_B$$i_C$ます。

$i_B$

$\tau_t$$W_b$$L_p$$\tau_p$。

$\tau_p$$\tau_p$$\tau_t$$\frac{\tau_p}{\tau_t}$

$$\frac{i_C}{i_B} = \beta = \frac{\tau_p}{\tau_t}$$

$\gamma = 1$

$(i_B)$$i_B$

現在、電圧制御キャンプにしっかりといる人たちが、電流制御キャンプにいる人たちと同じように、これを彼らの立場の確認として解釈することはほぼ確実です。そのままにしておきます。吠え始めましょう...

$V_{in}$$I_{B}$$I_{B} = V_{in}/ R_1$$I_C = \beta \cdot I_B$

結局、間には線形関係があります$V_{in}$$I_C$$R_1$$R_1$$V_{in}$

おそらく、例がそれをよりよく説明するでしょう。私が車を運転していると想像してください。その速度は、ガスをどれだけ強く押し、どれだけ長くかかるかによって異なります。しかし、罰金を科したくないので、常に速度制限を尊重します。今あなたはやって来て言う：

なぜ彼らは車がアクセルペダルで制御されていると彼らが言うのですか？

つまり、この特定のケースではあなたの言うことは真実ですが、車が周囲の平らな金属製の物体について少しでも気にしないという事実は変わりません。

Vinを定数、R1を変数にした場合、BJTは抵抗制御デバイスと言えますか？

セットアップでは、電圧を制御しているように見え、コレクター電流に影響を与える可能性があることを確認します。これを使用してこの回路の電流が電圧制御されていることを証明するのは妥当ですが、これがすべてのBJTが電圧制御されていることを意味するとは言えません。

システム全体とシステム内のコンポーネントを区別する必要があります。それが最も興味深いコンポーネントである場合や、唯一見た目が興味深いコンポーネントである場合でもです。

MOSFETと比較するとき、BJT電流制御と呼ぶのは理にかなっていると思います。

MOSFETにはゲートがあり、ゲートの電圧が高いほど（基本的に電流が流れない）、ドレインからソースへのコンダクタンスが高くなります。したがって、これは電圧制御デバイスです。

または、

BJTにはベースがあります。コレクタからエミッタへのコンダクタンスが高いほど、ベース電流が高くなります。

違いを本当に強調する実際的な例として：

• フラッシュメモリー

このメモリトポロジは、導通のために一定のベース電流が必要であるため、BJTで実装することは不可能です。 MOSFETでは、絶縁ゲートに電荷を注入できます。それらが注入された場合、それらはそこに留まり、MOSFETを常に導通状態に保ちます。このコンダクタンス（または、電荷が注入されなかった場合はそのコンダクタンス）が感知され、格納されたビット状態を読み取るために使用されます。

これまでに10個の回答とたくさんのコメントを数えています。また、BJTが電圧または電流のどちらで制御されているかという問題は、宗教の問題であるように思われることも学びました。質問者（„ なぜ教科書はBJTが現在管理されていると述べているのでしょうか？）は、非常に多くの異なる回答のために混乱するでしょう。正しいものもあれば、完全に間違っているものもあります。したがって、質問者のために、状況を要約して明確にしたいと思います。

1）私が理解できないことは次の現象です：BJTのコレクタ電流Icがベース電流Ibによって制御/決定されるという単一の証拠はありません。それにもかかわらず、BJTが（彼らの見解では）電流制御されるということを何度も繰り返す人がまだいます（エンジニアさえも！）。しかし、彼らは証明なしでこの主張を繰り返すだけです。証明も検証もないため、驚きはありません。

唯一の「正当化」は常に単純な関係Ic = beta x Ibです。しかし、そのような方程式は原因と結果について何も教えてくれません。それ以上に、彼らはこの方程式が最初にどのように導出されたかを忘れ/無視します：Ic = alpha x IeおよびIe = Ic + Ib。したがって、IbはIeの（小さな）部分にすぎません。（バリー・ギルバート：ベース電流は単なる「欠陥」です）。

2）対照的に、BJTが電圧制御されていることを明確に示し、証明する多くの観察可能な効果と回路特性があります。単純なpnダイオードがどのように機能するかを知っている人は、拡散電圧とは何か、外部VOLTAGEがpn接合のこの基本的な特性のバリア効果をどのように減らすことができるかを理解する必要があると思います。

空乏ゾーンに電流が流れるようにするには、対応する端子間に適切な電圧を印加する必要があります。この電圧（対応する電界）は、電荷キャリア移動に力をもたらす唯一の量であり、これを電流と呼びます！ベースエミッタのpn接合が完全に異なる動作をする必要がある（そして電圧に反応しない）理由はありますか？

リクエストに応じて、電圧制御だけで説明できる少なくとも10の効果と回路特性をリストできます。なぜこれらの観察がそれほど頻繁に無視されるのですか？

3）質問者は、追加のコメントに値する回路を提示しました。オペアンプ（間違いなく電圧駆動型）は、電流入力電圧出力増幅器（トランス抵抗増幅器）として配線できることがわかっています。つまり、「裸」のアンプユニットと追加部品を備えた完全な回路の特性を常に区別する必要があります。

この場合の意味は次のとおりです。スタンドアロンパーツとしてのBJTは電圧駆動型です。ただし、回路全体（抵抗R1を使用）を見ると、R1がBEパスの入力抵抗。この場合、電圧Vinによって駆動される分圧器があります。

暗黙的に、2つの質問があります
。1。なぜ「電流制御」と見なすことができるの
か、2。BJTを「電流制御」と見なすのがなぜ便利なのか。

最初の質問。数学的には、デバイスは2つの電圧と2つの電流を含むパラメーターの空間に2つの方程式を課します（1つは温度を追加し、いくつかの時間関連のものを追加して一時的な影響を説明しますが、方程式の数は変更しません）。システムは、さまざまな形式で同等に表現できます。オン/オフモードがゲート電流で異ならないFETとは異なり、BJTで制御を変更すると、電圧プレーンと電流プレーンの両方で特定のシフトが発生します。各平面は2つの自由度を占めます。したがって、2つの電圧を独立変数または2つの電流と見なすことができます。または、$V_{\mathrm{BC}}$ そして $I_{\mathrm E}$、他のパラメータはそれらに依存しています。変わりはない。

2番目の質問。常識によれば、小さな変化が動作モードに大きな（しかし予測可能な）変化をもたらすようなパラメーターを制御として扱うことは合理的です。さらに、トランジスタの制御は、大部分または完全に順方向アクティブ領域で行われ、その利得に役立ちます。最も明白な候補パラメータは $V_{\mathrm{BE}}$ そして $I_{\mathrm B}$、その小さな変化（順バイアスのB–E）はコレクターの特性の大きな変化をもたらします。しかしの影響$V_{\mathrm{BE}}$ 非常に非線形ですが、 $V_{\mathrm{BC}} \approx V_{\mathrm{EC}}$）BJTの電流は、 $I_{\mathrm B}$ほぼ直線的に。それで全部です。

The collector current is, by definition / physics, a function of the base current (and implicitly the load current demand). The governing formula of a BJT is $I_C = \beta \cdot I_B$. Where $\beta$ is the gain, $I_B$ is the current through the B-E junction, and $I_C$ is the (maximum) current through the C-E junction.

The base voltage (i.e. the voltage measured at the base terminal with respect to GND) is actually more or less a constant (at least in saturation), as characteristic of a diode forward voltage drop.