從出國旅遊一次理解電晶體的 I-V 特性曲線

嗯！首先，讓我來說一個小故事。去年大概是某個旅遊旺季的時候，我跑了趟日本，從桃園國際機場出境。出境會有兩個主要關卡，第一道就是先過安檢門，第二道是過證照查驗門。因為現在機場通關除了有人工查驗閘道之外，也有自動通關的閘道。所以，安檢門的入口數量似乎是比查驗門還要少。大概像下面這張示意圖：

當天那個時段，要出境的人爆多，看起來旅行團的數量不少，全都在安檢門前峰迴路轉，排了好長的隊伍。然後，在我前面有一小撮不耐久候的阿公、阿罵們，嘴裡一直碎碎念。這中間還有一位老先生在隊伍中因為缺氧，緊急送醫。在隱約中，聽到某阿公跟阿罵們抱怨：「到底是安怎人這多，檢查足慢、排足久。」　
　　

幾個邏輯問題

在拋出問題前，我們先看下圖，定義一下幾件事：

安檢門的數量為 (改用開口大小表示) [1] VBE　，下文看到 [1] 表示第一道門
查驗門的數量為 (改用開口大小表示) [2] VCE　，下文看到 [2] 表示第二道門
通關的人流量為 IC
IC 的單位是 => 每單位時間通過幾個人 = (人/單位時間)
不考慮安檢、證照查驗人員的辦事效率，只要閘門可用，人就可以直接通過

第一組問題

當安檢門 [1] VBE 關閉時 (即 VBE = 0)，通關的人流 IC 將會是多少？
當安檢門 [1] VBE 打開時，但查驗門 [2] 關閉時 (即 VCE = 0)，IC 將會是多少？

很好，兩個門若其中一個關閉的話，當然不可能有順利通關的人流，所以兩個的答案都是 0：

IC = 0 (人/單位時間)
IC = 0 (人/單位時間)

第二組問題：特徵曲線

當 [1] VBE = 開 1 個門，但 [2] VCE 開 0 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 1 個門，但 [2] VCE 開 1 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 1 個門，但 [2] VCE 開 2 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 1 個門，但 [2] VCE 開 3 個門，IC 為何？

相信你一定也能輕易地回答如下：

IC = 0 (人/單位時間) -- 以下開始我們就不寫單位了
IC = 1
IC = 1
IC = 1

道理蠻簡單的，因為 [1] 安檢門只開了一個，就算 [2] 查驗門再開一千個出來，也無法提升通關人流。

第三組問題：另一條特徵曲線

當 [1] VBE = 開 2 個門，但 [2] VCE 開 0 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 2 個門，但 [2] VCE 開 1 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 2 個門，但 [2] VCE 開 2 個門，IC 為何？
當 [1] VBE = 開 2 個門，但 [2] VCE 開 3 個門，IC 為何？

這也很好回答，答案如下：

IC = 0　(VCE 這道門是關的)
IC = 1　(因為 VCE 只開 1 個門，所以 VBE 開 2 個門，流量還是被限制住)
IC = 2　(兩個門一樣大)
IC = 2　(VCE 再開大也無法增加流量，因為 VBE 就只開 2 個門)

以上的概念，應該不難理解。接下來我們來看看雙極性電晶體 (BJT)。

兩道門模型

雙極性電晶體 (BJT) 與金氧半場效電晶體 (MOSFET) 的 I-V Curve，雖然操作背後的物理原理不一樣，但其直流特性最終顯現出來的，可以看成一種兩道門的模型。以下是從我以前上課的講義整理出來的，讓我們固定 VBE 來觀察，由上到下來看看 VCE 從大變小的情況：

BJT 的直流 I-V Curves

對應每個不同的 VBEx，我們都可以畫出一條 IC vs VCE 的曲線，最後就可以把電晶體的 I-V Curves 特徵曲線一條條給畫出來了，大概會像下圖這樣。

實際的 BJT 若要進主動區，一般 VBE 的底限大約會落在 0.4V ~ 0.8 V ，基-射極偏壓要高於它才算有打開。另外，隨著 VCE 變大，IC 也會微微往上翹 (電流升高)，這個現象來自於厄立效應（MOSFET 則有通道長度調變效應），在此就不多談下去了。

後記

本文的目的在於用一種生活化的方式介紹電晶體的直流 I-V 特徵曲線。如果你在偏壓時，常常搞不清楚哪邊的電壓要大、哪邊的電壓要小，那麼就想想放暑假、要坐飛機出國遊玩吧！如果遇到安檢門那邊塞車，看到安檢人員開闢旁邊新的檢查門，那就是把 VBE 催下去的意思 XDD...
　
　　I-V Curve 在放大器設計時有其用途，比如說幫助我們決定偏壓點，這就以後再聊囉！最後，有個很有趣的事請大家想想：

你知道從 I-V Curve 上可以看出三種電阻嗎？你知道這三個電阻在哪裡嗎？