三極管的電流放大作用應該算是模擬電路里面的一個難點內容,下面就用這幾個動畫簡單解釋下為什么小電流Ib能控制大電流Ic的大小,以及放大電路的原理。
這里的三極管也叫雙極型晶體管,在模電的放大電路和數電的簡單邏輯電路里面都會用到。它有集電極c、基極b、發射極e、以及兩個PN結:集電結和發射結。集電極面積比較大,基極厚度薄而且載流子濃度比較低。圖1是個NPN型的三極管:
圖1:NPN型的三極管
當發射結正偏時,電荷分布會發生變化,發射結寬度會變窄,相當于給電子打開了一扇e到b的大門。集電結反偏時,電荷分布會也發生變化,集電結寬度會變寬,相當于打開了阻礙電子從c級跑出去的大門,如圖2所示:
圖2:集電結反偏時電荷分布的變化
b級會接一個大電阻RB限制電流Ib的大小,跑到b極的那些多余的電子就只好穿越集電結,形成電流Ic,如圖3所示:
圖3:電流Ic的形成
如果基極電壓翻倍,電荷分布會繼續發生變化,發射結寬度會變得更窄,這扇大門變得更寬了,將會有更多的電子跑到b級。如圖4所示:
圖4:基極電壓翻倍時電荷分布的變化
由于RB是大電阻,Ib就算翻倍了也還是很小,所以更多的電子會穿越集電結,讓Ic也翻倍。如圖5所示:
圖5:大電阻改變電子的流向
兩個直流電源是可以合并到一起的,再加上小信號ui和兩個電容,就得到了放大電路,如圖6a所示:
圖6a:兩個直流電源合并能得到放大電路
如果電阻大小合適,這個放大電路能夠將小信號ui放大成相位相反的大信號UCE,如下圖6b所示:
紅色為輸入端,ui的變化會影響UBE,把發射結看成一個小電阻,紅色的Q點就會沿黑線運動,然后畫出iB的圖像
根據iC=βiB,畫出iC的圖像,縱坐標從μA變成了mA
而輸出端有UCE=UCC-iCRC,當UCC和RC不變時, UCE與iC反相
圖6b:6a的放大電路能夠將小信號ui放大成相位相反的大信號UCE
最后說說這些動畫的不足之處吧:
1、喇叭口一樣的三極管并不是我的獨創,但有些人把它比喻成水箱,這就容易讓人產生一種誤解,認為Ic最大,其實Ie才是最大的電流。 2、動畫里完全忽略了電子的熱運動速度,那個速度遠大于電壓作用下電子的漂移速度。
3、在張驥博主的建議下買了郝躍的《微電子概論》,才意識到我的動畫里并沒有體現出能級、能帶、費米分布等內容。
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原文標題:一組動圖讓你搞懂三極管的電流放大作用
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