Pourquoi le courant circule-t-il toujours dans le collecteur même si le circuit du transistor n'a pas de Vcc

Je suis tombé sur un tutoriel où je pensais que le circuit BJT NPN ci-dessus était faux en raison des conclusions formulées.

Mais quand j'ai simulé ce circuit, j'ai découvert que les conclusions étaient vraies.

J'étais complètement perplexe et semble avoir une idée fausse fondamentale sur le comportement des transistors.

Le circuit ci-dessus n'est pas alimenté. Il n'y a pas de Vcc. Il existe une tension d'entrée Vin qui passe de zéro à 1V.

Voici le tracé de la tension de sortie Vout par rapport à Vin:

Et ici ci-dessous le tracé est le courant à travers la charge I (Rload) et le courant de collecteur Ic par rapport à Vin.

Question:

Ma confusion est de savoir comment se présente un courant qui circule à travers le collecteur et Rload lorsqu'il n'y a pas de différence de potentiel entre le collecteur du transistor et les bornes de l'émetteur.

Selon l'intrigue, il semble que KCL soit satisfait car I (Rload) + Ic = 0.

Mais ce que je ne comprends pas comment le courant se forme et coule de cette façon.

Si quelqu'un me demandait, je dirais: "Le courant passera de la base à l'émetteur et donc au sol. Il n'y aura pas de courant à travers la charge et là Vout sera nul."

Je suis complètement perplexe avec ce circuit. De toute évidence, quelque chose ne va pas à mon avis. Pourquoi le courant boucle-t-il de cette façon?

Il s'agit de la structure d'un transistor BJT. Regardons un NPN:

^{Source de l'image}

Vous avez une région de collecteur constituée de semi-conducteur de type N, une base de type P et un émetteur de type N. Je ne vais pas entrer dans les détails car cela dépasse la portée de la question, mais laissez-le suffire avec une question - le collecteur et l'émetteur ne se ressemblent-ils pas?

Ce que vous avez fait, c'est connecter l'émetteur à la masse et le collecteur à la masse via une résistance. Vous avez ensuite appliqué une tension à la base.

Normalement, ce que vous attendez avec une tension sur la base, c'est que le courant circule de la base vers l'émetteur - c'est essentiellement une diode avec la base comme anode et l'émetteur comme cathode. Si la tension à la cathode est supérieure à la base, ce flux de courant à travers la jonction base-émetteur fera circuler le courant du collecteur vers l'émetteur.

Cependant dans votre cas, le collecteur n'est pas à un potentiel plus élevé que la base, il est à un potentiel plus faible. C'est là que ma question entre en jeu - tout comme la jonction base-émetteur, la jonction base-collecteur est également une jonction PN, qui est également une diode. Encore une fois, la base est l'anode, mais cette fois le collecteur est la cathode. Cela signifie que lorsque vous appliquez une tension plus élevée sur la base que sur la cathode, un courant circule de la base à travers la cathode.

Vous avez maintenant du courant circulant de la base vers la cathode, à travers la résistance vers la terre, ainsi le mystérieux flux de courant est identifié.

Pour clarifier davantage, voici votre circuit si nous considérons les jonctions PN comme des diodes (*):

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Vous pouvez voir comment le courant peut maintenant circuler à travers la diode Base-Emitter ainsi que la diode Base-Collector.

En ce qui concerne les raisons pour lesquelles votre graphique actuel montre que le courant du collecteur est négatif, cela est presque certainement dû à la façon dont vous avez sondé le fil dans votre simulation.

La sonde de simulation sera installée de sorte que ce flux de courant dans le collecteur soit considéré comme "positif". De plus, la deuxième sonde sera configurée de sorte que le flux de courant à travers la résistance de haut en bas soit considéré comme "positif".

Cependant, dans ce cas, le courant s'écoule du collecteur ("négatif" du point de vue des sondes) et dans la résistance ("positif" du deuxième point de vue des sondes). En conséquence, il y a une différence dans le signe.

Fondamentalement, c'est comme avoir deux ampèremètres en série, mais un câblé à l'envers. Ils afficheront des lectures égales mais opposées.

Info bonus

Maintenant, le courant de base-collecteur sera beaucoup plus faible que le courant de base-émetteur, en partie parce que vous avez la résistance série du collecteur à la terre qui baissera une certaine tension et limitera ainsi le courant (un peu comme mettre une résistance en série avec une LED) , mais aussi en partie parce que la structure NPN est plus complexe.

L'émetteur est dopé plus fortement que le collecteur, ce qui signifie que la jonction BE aura en fait une chute de tension directe beaucoup plus faible que la jonction BC. Par conséquent, même sans la résistance, le courant BC sera considérablement inférieur au courant BE.

En fait, vous pouvez utiliser un transistor BJT en sens inverse (permutation C et B), mais les performances seront considérablement dégradées.

^{(*) La vue des diodes ne représente pas entièrement un transistor NPN. Si vous collez deux diodes ensemble comme ça, vous ne vous retrouverez pas avec un transistor NPN à cause des fils métalliques de la diode entre autres. Cependant, il décrit avec précision l'effet que vous voyez.}

Ceci est destiné à compléter la réponse complète de Tom, et il est répondu en prenant un «recul». C'est une réponse sur les modèles.

Un transistor est un objet compliqué. À de nombreuses fins, il peut être simplifié en le remplaçant par un modèle, qui capture une partie, mais pas la totalité, de son comportement.

Par exemple, lors de la mesure d'un transistor avec la fonction «test de diode» d'un multimètre numérique, le modèle «deux diodes» explique les mesures. Mais cela ne vous dit pas d'où vient le gain. Le modèle est trop simple pour ça.

Lorsque vous polarisez un transistor `` normalement '', par exemple pour produire un amplificateur à émetteur commun, le modèle de `` source de courant contrôlée par courant '' capture beaucoup plus le comportement, vous permet de calculer les courants de polarisation et les facteurs d'amplification. Mais c'est trop simple et abstrait pour expliquer ce qui se passe dans la question du PO.

Lorsque les gens utilisent des modèles, c'est normalement pour capturer le comportement le plus simple pour leur objectif, et pas plus. En tant que tel, nous pouvons normalement trouver des cas d'angle qui illustrent les lacunes de tout modèle. Nous devons ensuite trouver un modèle plus complet, nous arrêter et analyser l'objet compliqué complet, ou décider que nous n'avons pas besoin de la précision supplémentaire et trouver un moyen de travailler avec l'approximation du modèle (les trois sont effectués dans des circonstances différentes).

J'ai toujours été amusé par le modèle de personnes que mon patron utilisait pour déterminer le nombre de personnes à affecter à un projet d'ingénierie donné, il remplaçait les gens par des `` boîtes de viande de déjeuner '', qui captureraient l'indivisibilité, une partie de la biologie , et (peut-être mon post-hoc, peut-être son sous-texte) l'incapacité de savoir ce que vous alliez obtenir jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte et que vous ayez probablement été déçu. Voyons voir, nous avons un budget de 2 millions sur 4 ans, donc nous pouvons nous permettre d'y mettre 5 boîtes de viande de déjeuner! Même si le modèle simplifie un peu trop les détails, je ne me souviens pas qu'il ait moins bien réussi en planification des ressources que tout autre chef de projet.

Ajout de quelques points à l'excellente réponse de Tom Carpenter

Le circuit ci-dessus n'est pas alimenté.

V _in est une source d'alimentation.

... comment se fait-il qu'un courant se forme et circule à travers le collecteur et Rload alors qu'il n'y a pas de différence de potentiel entre le collecteur et l'émetteur du transistor?

V _out est la différence de potentiel entre le collecteur du transistor et son émetteur. Vos graphiques montrent clairement qu'il n'est pas nul.

En outre, vos tracés montrent courant à travers R _charge . Il ne peut jamais y avoir de courant à travers une résistance sans différence de potentiel entre ses bornes. C'est la loi d'Ohm.