📘 第 21/120 單元🔺 BJT 的結構與物理直覺— 用「夾住載子流」來控制大電流

🎯 單元目標

完成本單元後，你將能夠：

• 認識 BJT 的三個端點與結構

• 理解 NPN 與 PNP 的差異

• 建立「薄基極」的重要直覺

• 了解 BJT 為何需要兩個 PN 接面

🧭 一、先給核心觀念

BJT（Bipolar Junction Transistor）：

👉 不是電流製造機

👉 而是電流控制的閥門

小小的輸入電流

👉 控制更大的輸出電流

🧠 二、BJT 的三層結構

NPN 為例：

E B C

N+ | P | N

三個區域：

• Emitter（射極）

• Base（基極）

• Collector（集極）

🧠 三、為何中間要很薄？

E |----B----| C

基極設計成：

👉 非常薄

👉 輕度摻雜

目的：

👉 讓大多數載子穿過

👉 不在基極被吃掉

🧠 四、載子流動直覺（NPN）

e- →→→

E ──► B ──► C

• 射極提供電子

• 少量在基極復合

• 多數進入集極

🧠 五、兩個 PN 接面角色

E-B ：正向偏壓

B-C ：反向偏壓

工程意義：

👉 E-B 負責注入

👉 B-C 負責收集

🧾 六、一句話記住本單元

🔺 BJT 就是：

用薄薄的基極，控制大量載子通過

🔬 電子學實驗題（21/120）

實驗名稱

觀察 BJT 基極電流對集極電流影響

🎯 實驗目的

驗證：小基極電流 IB 的變化，可以控制（放大）較大的集極電流 IC，並理解此關係在真實電路中的限制（放大區 vs 飽和區）。

🧰 實驗器材

NPN BJT（如 2N3904）
直流電源 ×2（Vcc、Vbb；或單電源＋分壓也可）
電阻（RC、RB）
萬用電表 ×2（量 IB、IC；或再加一支量 VCE 更完整）

🔧 實驗接線 ASCII 圖

     +Vcc
       |
      [RC]
       |
       C
       |
      |\
+Vbb--| >  BJT (NPN)
      |/
       |
       E
       |
      GND

🔧 實驗步驟

固定 Vcc（例如 5V 或 12V）
設定 RC（例如 1kΩ～4.7kΩ）
串入 RB（例如 100kΩ～470kΩ）以「可控」改變 IB
逐步改變 Vbb（或更換 RB/調整分壓）
每一組點位量測並記錄：
- IB（基極電流）
- IC（集極電流） -（強烈建議加測）VCE（判斷放大區/飽和區）

📊 預期觀察

IB 小幅變化
→ IC 明顯變化（呈現電流放大效果）
當 IC 增加到一定程度後
→ 可能開始「卡住」不再跟 IB 線性增加（進入飽和）

✅ 專業解析

解析一、能帶與位障（兩接面角色）

E-B：正向偏壓 → 負責「注入」載子
B-C：反向偏壓 → 負責「收集」載子

Active（放大區）
E-B：Forward
B-C：Reverse
=> 注入 + 收集（最乾淨的放大）

解析二、載子路徑直覺（NPN）

e- →→→→→
E  ──►  B  ──►  C

射極提供大量電子
少量在基極復合 → 形成 IB
多數被集極電場掃入 → 形成 IC

解析三、工程意義

👉 小功率控制大功率

小 IB 控制大 IC
這就是「電流放大器」與「受控閥門」的本質

🔥 新增：實務解析（你在真實量測一定會遇到）

解析四、β（hFE）不是常數：你算出來會飄

你會看到 β = IC/IB 在不同測點不一樣，受影響因素：

IC 的大小區間
溫度
VCE 大小
元件個體差異

工程直覺：

👉 β 不是設計保證值，不能死背「固定倍數」。

解析五、你以為在放大，可能其實已經飽和了

當你把 IB 拉大，可能出現：

IB 繼續增加
IC 增加變慢甚至停住
VCE 變很小（約 0.1～0.3V）

這是 飽和區（Saturation）：

放大區 Active：IC 跟 IB 變化最漂亮
飽和區 Sat：IC 受 RC 與 Vcc 限制，IB 再大也推不動

解析六、RC 決定你的 IC 上限（不是你想要多少就多少）

最大 IC 近似由下面決定：

👉 IC(max) ≈ (Vcc - VCE(sat)) / RC

所以：

不是 IB 越大 IC 就無限大
你最後會被 RC 和 Vcc 卡住

解析七、實務量測最常見錯誤（數據怪的主因）

沒串 RB 或 RB 太小 → IB 爆大、快速飽和、數據失真
Vcc 與 Vbb 沒有共地 → 偏壓參考飄掉
電流表接錯（應串聯） → 造成斷路或短路
只量 IB/IC 不量 VCE → 無法判斷你到底在哪個工作區

✅ 工程加值：建議你加做「VCE 判區」觀察（最關鍵）

在每個測點多量一個 VCE，你就能把實驗從「課本」升級到「工程」。

判斷：

VCE 較大 → 多半在放大區（Active）
VCE 很小（~0.1–0.3V） → 幾乎確定在飽和（Sat）

🧠 工程結論（本題最實務的一句話）

👉 BJT 的放大關係在放大區最乾淨；一旦進入飽和，IC 會被 RC 與 Vcc 限制，IB 再大也推不動。