トランジスタ回路にVccがないのに、なぜコレクターに電流が流れるのか

私は、上記のBJT NPN回路が結論のために間違っていると思ったチュートリアルに出くわしました。

しかし、この回路をシミュレートすると、結論が正しいことがわかりました。

私は完全に戸惑い、トランジスタの動作についていくつかの根本的な誤解があるようです。

上記の回路には電力が供給されていません。Vccはありません。ゼロから1Vに増加する入力電圧Vinがあります。

以下は、Vinに対する出力電圧Voutのプロットです。

そして、以下のプロットは、負荷I（Rload）を流れる電流と、Vinに対するコレクタ電流Icです。

質問：

私の混乱は、トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子の間に電位差がないときに、どのようにして電流が形成され、コレクタとRloadを流れるかです。

プロットによると、I（Rload）+ Ic = 0であるため、KCLは満たされているようです。

しかし、私が理解していないのは、現在の流れがこのように形成され、どのように流れるかです。

誰かが私に尋ねるなら、私は言うだろう：「電流はベースからエミッタへ、それから地面へ流れるだろう。負荷を通る電流はなく、そこでVoutはゼロになるだろう。」

この回路には完全に困惑しています。明らかに、私の見解では何かが間違っています。なぜ現在のループがそのようにループするのですか？

それは、BJTトランジスタの構造に関係しています。NPNを見てみましょう。

^{画像ソース}

N型半導体で作られたコレクター領域、P型のベース、N型のエミッターがあります。質問の範囲を超えているので詳細には触れませんが、質問で十分に説明します。コレクターとエミッターは同じように見えませんか？

エミッターを接地し、コレクターを抵抗を介して接地します。その後、ベースに電圧を印加しました。

通常、ベースの電圧で予想されるのは、ベースからエミッタに電流が流れることです。これは基本的に、ベースがアノードでエミッタがカソードであるダイオードです。カソードの電圧がベースよりも高い場合、ベース-エミッタ接合部を流れるこの電流により、コレクタからエミッタに電流が流れます。

ただし、あなたの場合、コレクタはベースよりも高い電位ではなく、低い電位にあります。これが私の質問の出番です。ベース-エミッタ接合と同様に、ベース-コレクタ接合もダイオードであるPN接合です。再びベースはアノードですが、今回はコレクターがカソードです。つまり、カソードよりもベースに高い電圧を印加すると、ベースからカソードに電流が流れます。

これで、ベースからカソード、抵抗器を介してグランドに電流が流れるようになり、不思議な電流が識別されます。

さらに明確にするために、PN接合をダイオード（*）と見なす場合の回路を次に示します。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

ベースエミッタダイオードとベースコレクタダイオードの両方に電流が流れる様子を確認できます。

現在のチャートでコレクタ電流が負であると表示される理由については、これはほぼ確実にシミュレーションでワイヤをプローブした方法にまで及びます。

シミュレーションプローブは、コレクターへの電流の流れが「正」と見なされるように設定されます。さらに、2番目のプローブがセットアップされ、抵抗器を上から下に流れる電流が「正」と見なされます。

ただし、この場合、電流はコレクターから（プローブの観点からは「負」）、抵抗器（2番目のプローブの観点からは「正」）に流れています。その結果、記号に矛盾があります。

基本的には、2つの電流計を直列に接続したようなものですが、1つは逆向きに配線されています。彼らは等しいが反対の読みを示します。

ボーナス情報

ベースコレクタ電流はベースエミッタ電流よりもはるかに低くなります。これは、コレクタからグランドへの直列抵抗があるため一部の電圧が低下し、電流が制限されるためです（LEDと直列に抵抗を配置するようなものです） 、それはまた、NPN構造がより複雑であるという理由もあります。

エミッタはコレクタよりも高濃度にドープされているため、実際にはBE接合の順方向電圧降下はBC接合よりもはるかに低くなります。その結果、抵抗器がなくてもBC電流はBE電流よりもかなり少なくなります。

実際、BJTトランジスタを逆に使用できます（CとBを入れ替えます）が、パフォーマンスは大幅に低下します。

^{（*）ダイオードビューは、NPNトランジスタを完全に表すものではありません。このように2つのダイオードを貼り付けると、とりわけダイオードの金属リードが間にあるため、NPNトランジスタになりません。ただし、表示されている効果は正確に表されます。}

これは、トムの包括的な回答の補足として意図されており、「後退」することで回答されます。それはモデルについての答えです。

トランジスタは複雑なオブジェクトです。多くの目的のために、すべてではなく一部の動作をキャプチャするモデルに置き換えることにより、単純化できます。

たとえば、DMMの「ダイオードテスト」機能を使用してトランジスタを測定する場合、「2つのダイオード」モデルが測定を説明します。しかし、利益がどこから来るのかはわかりません。モデルはそのためには単純すぎます。

トランジスタを「通常」バイアスする場合、たとえば、エミッタ接地アンプを生成する場合、「電流制御電流源」モデルは、より多くの動作をキャプチャし、バイアス電流と増幅係数を計算できます。しかし、OPの質問で何が起こるかを説明するには単純すぎて抽象的です。

人々がモデルを使用するとき、それは通常、彼らの目的のために最も単純な動作をキャプチャすることであり、それ以上ではありません。そのため、通常、モデルの欠点を示すコーナーケースを見つけることができます。次に、より完全なモデルを見つけ、完全に複雑なオブジェクトを細かく分析して分析するか、余分な精度を必要とせずにモデルの近似を使用する方法を見つける必要があります（3つすべては異なる状況で行われます）。

私は、上司が特定のエンジニアリングプロジェクトに割り当てる人数を計算するときに使用した人々のモデルにいつも楽しまれていました。彼は人々を「ランチョンミートの缶」に置き換えて、不可分性、生物学の一部をキャプチャしました、（おそらく私のポストホック、おそらく彼のサブテキスト）あなたがブリキを開けて、おそらく失望するまで、あなたが何を得ようとしているかを知ることができないこと。見てみましょう。4年間で200万の予算があるため、5缶のランチョンミートを入れる余裕があります。このモデルは詳細をいくぶん単純化しすぎていますが、リソースプランニングで他のプロジェクトマネージャーほど成功していないことは覚えていません。

トムカーペンターの優れた答えにいくつかのポイントを追加するだけです

上記の回路には電力が供給されていません。

V _in は電源です。

...どうして、トランジスタのコレクタとエミッタの間に電位差がないときに、電流が形成されてコレクタとRloadを流れるのでしょうか？

V _out は、トランジスタのコレクタとエミッタ間の電位差です。プロットは、ゼロではないことを明確に示しています。

さらに、プロットはR _loadを通る電流を示し_ます。端子間に電位差がなければ、抵抗器に電流が流れることはありません。それがオームの法則です。