Por que a corrente ainda flui através do evento do coletor, embora o circuito do transistor não possua Vcc

Me deparei com um tutorial em que pensei que o circuito BJT NPN acima estava errado por causa das conclusões feitas.

Mas quando simulei esse circuito, descobri que as conclusões eram verdadeiras.

Fiquei completamente intrigado e parece que tenho algum equívoco fundamental sobre o comportamento do transistor.

O circuito acima não está energizado. Não há Vcc. Existe uma tensão de entrada Vin que é aumentada de zero a 1V.

Abaixo está o gráfico da tensão de saída Vout em relação a Vin:

E aqui abaixo o gráfico é a corrente através da carga I (Rload) e a corrente do coletor Ic em relação a Vin.

Questão:

Minha confusão é como é que qualquer corrente se forma e flui através do coletor e do Rload quando não há diferença de potencial entre os terminais coletor e emissor do transistor.

De acordo com o gráfico, parece que o KCL está satisfeito porque I (Rload) + Ic = 0.

Mas o que eu não entendo como a corrente se forma e flui dessa maneira.

Se alguém me perguntasse, eu diria: "A corrente fluirá da base para o emissor, daí para o solo. Não haverá corrente através da carga e Vout será zero".

Estou completamente intrigado com este circuito. Obviamente, algo está errado na minha opinião. Por que o loop atual é assim?

Tem a ver com a estrutura de um transistor BJT. Vamos olhar para um NPN:

^{Fonte da imagem}

Você tem uma região de coletor feita de semicondutor do tipo N, uma base do tipo P e um emissor do tipo N. Não vou entrar em detalhes, pois está além do escopo da pergunta, mas basta uma pergunta: o coletor e o emissor não são parecidos?

O que você fez foi conectar o emissor ao terra e o coletor ao terra através de um resistor. Você aplicou uma voltagem à base.

Normalmente, o que você esperaria com uma tensão na base é que a corrente flua da base para o emissor - é basicamente um diodo com a base como ânodo e o emissor como catodo. Se a tensão no cátodo for maior que a base, esse fluxo de corrente através da junção base-emissor fará com que a corrente flua do coletor para o emissor.

No entanto, no seu caso, o coletor não possui um potencial maior que a base, mas um potencial menor. É aqui que entra minha pergunta - bem como a junção base-emissor, a junção coletor-base também é uma junção PN, que também é um diodo. Novamente a base é o ânodo, mas desta vez o coletor é o cátodo. Isso significa que quando você aplica uma voltagem mais alta na base do que no cátodo, uma corrente flui da base através do cátodo.

Agora você tem corrente fluindo da base para o cátodo, através do resistor para o terra, assim o misterioso fluxo de corrente é identificado.

Para esclarecer mais, aqui está o seu circuito se considerarmos as junções PN como diodos (*):

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Você pode ver como a corrente agora pode fluir através do diodo emissor de base e do diodo coletor de base.

Em termos de por que seu gráfico atual está mostrando a corrente do coletor como negativa, isso certamente se deve ao modo como você sondou o fio em sua simulação.

A sonda de simulação será configurada para que o fluxo de corrente no coletor seja considerado "positivo". Além disso, a segunda sonda será configurada para que o fluxo de corrente através do resistor de cima para baixo seja considerado "positivo".

Porém, neste caso, a corrente está saindo do coletor ("negativo" do ponto de vista das sondas) e entrando no resistor ("positivo" do ponto de vista das segundas sondas). Como resultado, há uma discrepância no sinal.

Basicamente, é como ter dois amperímetros em série, mas um ligado para trás. Eles mostrarão leituras iguais mas opostas.

Informações sobre bônus

Agora, a corrente do coletor de base será muito menor que a corrente do emissor de base, em parte porque você tem o resistor em série do coletor ao terra, o que reduz uma certa tensão e limita a corrente (assim como colocar um resistor em série com um LED) , mas também em parte porque a estrutura NPN é mais complexa.

O emissor é dopado com mais força do que o coletor, o que significa que a junção BE realmente terá uma queda de tensão direta muito menor do que a junção BC. Como resultado, mesmo sem o resistor, a corrente BC será consideravelmente menor que a corrente BE.

De fato, você pode usar um transistor BJT ao contrário (trocando C e B), mas o desempenho será massivamente degradado.

^{(*) A visualização do diodo não representa inteiramente um transistor NPN. Se você juntar dois diodos assim, você não terminará com um transistor NPN devido às ligações metálicas do diodo entre outras coisas. No entanto, descreve com precisão o efeito que você está vendo.}

Isso é um complemento à resposta abrangente de Tom e é respondido dando um "passo atrás". É uma resposta sobre modelos.

Um transistor é um objeto complicado. Para muitos propósitos, pode ser simplificado substituindo-o por um modelo, que captura parte, mas não todo, do seu comportamento.

Por exemplo, ao medir um transistor com a função 'teste de diodo' de um DMM, o modelo de 'dois diodos' explica as medições. Mas não diz de onde vem o ganho. O modelo é muito simples para isso.

Ao polarizar um transistor 'normalmente', por exemplo, para produzir um amplificador emissor comum, o modelo 'fonte de corrente controlada de corrente' captura muito mais o comportamento, permite calcular correntes de polarização e fatores de amplificação. Mas é muito simples e abstrato para explicar o que acontece na pergunta do OP.

Quando as pessoas usam modelos, normalmente é para capturar o comportamento mais simples para seus propósitos, e não mais. Como tal, normalmente podemos encontrar casos de canto que ilustram as deficiências de qualquer modelo. Em seguida, precisamos encontrar um modelo mais completo, articular e analisar o objeto complicado completo ou decidir que não precisamos de precisão extra e encontrar uma maneira de trabalhar com a aproximação do modelo (todos os três são feitos em circunstâncias diferentes).

Sempre me divertia com o modelo de pessoas que meu chefe usava ao calcular quantas pessoas atribuir a um determinado projeto de engenharia; ele substituía as pessoas por 'latas de carne de almoço', o que capturava a indivisibilidade, parte da biologia , e (talvez meu post-hoc, talvez o sub-texto dele) a incapacidade de saber o que você iria receber até abrir a lata e provavelmente ficou desapontado. Vamos ver, temos um orçamento de 2 milhões ao longo de 4 anos, para que possamos colocar 5 latas de carne de almoço! Embora o modelo simplifique demais os detalhes, não me lembro de ter menos sucesso com o planejamento de recursos do que qualquer outro gerente de projeto.

Apenas adicionando alguns pontos à excelente resposta de Tom Carpenter

O circuito acima não está energizado.

V _in é uma fonte de energia.

... como é que qualquer corrente se forma e flui através do coletor e da Rload quando não há diferença potencial entre o coletor e o emissor do transistor?

V _out é a diferença de potencial entre o coletor do transistor e seu emissor. Seus gráficos mostram claramente que não é zero.

Além disso, os gráficos mostram corrente através de R _carga . Nunca pode haver corrente através de um resistor sem uma diferença de potencial entre seus terminais. Essa é a lei de Ohm.