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。