三极管动画

 

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I_b能控制大电流I_c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R_B限制电流I_b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I_c，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R_B是大电阻，I_b就算翻倍了也还是很小，所以更多的电子会穿越集电结，让I_c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u_i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u_i放大成相位相反的大信号u_CE，如下方动画所示：

红色为输入端，u_i的变化会影响U_BE，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i_B的图像；

根据i_C=βi_B,画出i_C的图像，纵坐标从μA变成了mA；

而输出端有U_CE=U_CC-I_CR_C，当U_CC、R_C不变时，U_CE与I_C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I_C最大，其实I_E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。

人就像是被蒙着眼推磨的驴子，生活就像一条鞭子；当鞭子抽到你背上时，你就只能一直往前走，虽然连你也不知道要走到什么时候为止，便一直这么坚持着。