原创 搞懂三极管

2019-2-26 15:53 645 4 3 分类: 智能硬件
  三极管的电流放大作用应该算是模拟电路里面的一个难点内容,我想用这几个动画简单的解释下为什么小电流Ib能控制大电流Ic的大小,以及放大电路的原理。
        我这里的三极管也叫双极型晶体管,模电的放大电路和数电的简单逻辑电路里面都会用到。有集电极c、基极b、发射极e、以及两个PN结:集电结和发射结。集电极面积比较大,基极厚度薄而且载流子浓度比较低。下图是个NPN型的三极管:
        

        当发射结正偏时,电荷分布会发生变化,发射结宽度会变窄;相当于给电子打开了一扇e到b的大门
        集电结反偏时,电荷分布会也发生变化,集电结宽度会变宽。相当于打开了阻碍电子从c级跑出去的大门,如下方动画所示:
        

        b级会接一个大电阻RB限制电流Ib的大小,跑到b极的那些多余的电子就只好穿越集电结,形成电流Ic,如下方动画所示:
        

        如果基极电压翻倍,电荷分布会继续发生变化,发射结宽度会变得更窄,这扇大门变得更宽了,将会有更多的电子跑到b级。如下方动画所示:
        

        由于RB是大电阻,Ib就算翻倍了也还是很小,所以更多的电子会穿越集电结,让Ic也翻倍。如下方动画所示:
        

        两个直流电源是可以合并到一起的,再加上小信号ui和两个电容,就得到了放大电路,如下图所示:
        

        如果电阻大小合适,这个放大电路能够将小信号ui放大成相位相反的大信号uCE,如下方动画所示:
        红色为输入端,ui的变化会影响UBE,把发射结看成一个小电阻,红色的Q点就会沿黑线运动,然后画出iB的图像;
        根据iC=βiB,画出iC的图像,纵坐标从μA变成了mA;
        而输出端有UCE=UCC-ICRC,当UCC、RC不变时,UCE与IC反相。
        

        最后说说这些动画的不足之处吧:
        1.喇叭口一样的三极管并不是我的独创,这个链接也有,但水箱的比喻容易让人产生一种误解,认为IC最大,其实IE才是最大的电流。
        2.动画里完全忽略了电子的热运动速度,那个速度远大于电压作用下电子的漂移速度。
        3.在张骥博主的建议下买了本郝跃的微电子概论,才意识到我的动画里并没有体现出能级、能带、费米分布等内容。

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