Почему направление тока коллектора остается одинаковым в области насыщения и активной области?

Модель Эберса -Молла фактически рассматривает этот вопрос.

Отметив, что на самом деле невозможно смоделировать транзистор как два диода, его можно смоделировать как две функции одного и того же транзистора.

Если вам нужен полный канонический ответ, я могу его предоставить, но на этом этапе я постараюсь оставаться интуитивным.

Запустите в обычном режиме работы, где$V{bc}$является$\le \ 0$(обратное смещение) и$V_{be}$присутствует и выше порога; следовательно, текущее усиление находится в активной области.

Теперь переверните ситуацию так, чтобы$V_{bc}$присутствует (база коллектора смещена вперед) и$V_{be}$равен 0. Это инвертирует транзистор и меняет местами эмиттер и коллектор, но из-за уровней легирования стандартного транзистора коэффициент усиления по току в этом режиме намного ниже. (Усиление пропорционально уровням легирования, а эмиттер легирован сильнее, чем коллектор)

При наложении коэффициентов усиления нормальное прямое усиление по-прежнему больше, чем обратное усиление по току, и, следовательно, общее усиление по току все еще находится под знаком нормального прямого режима, но имеет гораздо более низкое значение (вот почему$\beta$очень низкий на низком уровне$V_{ce}$и поэтому почему$I_c$очень низкий на низком уровне$V_{ce}$; это означает, что$V_b \ is \gt V_c$для устройства NPN).

Общий коэффициент усиления по току большого сигнала (и, следовательно, эффективное направление тока) строго определяется выражением:

Первый член описывает первую ситуацию (нормальное прямое смещение за пределами насыщения), а второй член — обратную ситуацию (коллектор > база для NPN);$\beta_R$- коэффициент усиления по обратному току.

Есть отличный подробный анализ .

Словом, определений «насыщенности» предостаточно с разными параметрами и даже признаками.$I_{\mathrm C}$. Они относятся ко всей обширной области, которая не может быть использована для усилителя и не является отсечкой.

Область включения-включения (когда оба перехода включены), называемая Рэмшоу жестким насыщением , представляет собой режим, редко используемый на практике (за исключением некоторых коммутационных схем). Это соответствует определению насыщения из английской Википедии. На графике его нет.

Более практически уместным является случай квазинасыщения , когда дальнейшее увеличение$I_{\mathrm C}$происходит, когда$I_{\mathrm B}$увеличивается. Он характеризуется низким$V_{\mathrm{BC}}$, но переход база-коллектор по-прежнему смещен в обратном направлении. Это не насыщение, как его понимает английская Википедия (текст) и подходит под его «активность».

Область низкого напряжения непосредственно перед включением является «насыщением» даже по определению, основанному на напряжении из Википедии, но имеет токи, аналогичные прямому активному (см. комментарий @The Photon). Как и в области on-on, оба перехода смещены в прямом направлении, хотя коллекторный лишь незначительно. Но, в отличие от области «включено-включено», коллекторный переход на самом деле не открыт , так как его коленное напряжение не достигнуто. Если напряжение C – B только немного вперед, то вдоль перехода все еще есть зона обеднения, и через нее просачивается очень мало коллекторных или базовых носителей. Но если Э-Б открыт, то носители из эмиттера инжектируются в базу как в обычном прямо-активном режиме, а часть из них попадает к коллектору путем диффузии. При этом коллекторный ток направлен так же, как и в обычном прямоточном (т.е.β  > 0). Этот режим редко рассматривается из-за низкого коэффициента усиления по току. Возможно, это то, что обозначено на графике как «насыщенность», поскольку ее$V_{\mathrm{CE}}$по-прежнему выше нуля. На этом рисунке видно, где исчезает ток коллектора (к сожалению, не показана область включения-включения).

Примечание: «иногда используют самодельную и, возможно, нестандартную терминологию, но оказывается, что учебники по электронике не установили хорошую из-за игнорирования предельных режимов работы.