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由 cathy 提交于

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，下面就用这几个动画简单解释下为什么小电流I<sub>b</sub>能控制大电流I<sub>c</sub>的大小，以及放大电路的原理。

这里的三极管也叫双极型晶体管，在模电的放大电路和数电的简单逻辑电路里面都会用到。它有集电极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。图1是个NPN型的三极管：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95029-1.jp…; alt=“图1：NPN型的三极管” width="600"></center><center><i>图1：NPN型的三极管</i></center>

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，如图2所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95030-2.gi…; alt=“图２：集电结反偏时电荷分布的变化” width="600"></center><center><i>图２：集电结反偏时电荷分布的变化</i></center>

b级会接一个大电阻R<sub>B</sub>限制电流I<sub>b</sub>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<sub>c</sub>，如图3所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95031-3.gi…; alt=“图３：电流 Ic的形成” width="600"></center><center><i>图３：电流 I<sub>c</sub>的形成</i></center>

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。如图4所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95032-4.gi…; alt=“图４：基极电压翻倍时电荷分布的变化” width="600"></center><center><i>图４：基极电压翻倍时电荷分布的变化</i></center>

由于R<sub>B</sub>是大电阻，I<sub>b</sub>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<sub>c</sub>也翻倍。如图5所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95033-5.gi…; alt=“图５：大电阻改变电子的流向” width="600"></center><center><i>图５：大电阻改变电子的流向</i></center>

两个直流电源是可以合并到一起的，再加上小信号u<sub>i</sub>和两个电容，就得到了放大电路，如图6a所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95034-6.jp…; alt=“图６a：两个直流电源合并能得到放大电路” width="600"></center><center><i>图６a：两个直流电源合并能得到放大电路</i></center>

如果电阻大小合适，这个放大电路能够将小信号u<sub>i</sub>放大成相位相反的大信号UCE，如下图6b所示：

<ul>
<li>红色为输入端，u<sub>i</sub>的变化会影响U<sub>BE</sub>，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<sub>B</sub>的图像</li>
<li>根据i<sub>C</sub>=βi<sub>B</sub>，画出i<sub>c</sub>的图像，纵坐标从μA变成了mA</li>
<li>而输出端有U<sub>CE</sub>=U<sub>CC</sub>-i<sub>C</sub>R<sub>C</sub>，当U<sub>CC</sub>和R<sub>C</sub>不变时， U<sub>CE</sub>与i<sub>C</sub>反相</li>
</ul>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048733-95035-7.gi…; alt=“图6b：6a的放大电路能够将小信号ui放大成相位相反的大信号UCE” width="600"></center><center><i>图6b：6a的放大电路能够将小信号u<sub>i</sub>放大成相位相反的大信号UCE</i></center>

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，但有些人把它比喻成水箱，这就容易让人产生一种误解，认为I<sub>c</sub>最大，其实I<sub>e</sub>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。

本文转载自：EDA365电子论坛
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