電晶體開關(guān)原理與場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)原理

1、三極管開關(guān)原理與 場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)原理 ( 看過(guò)就全懂了）2009-07-06 02:35BJT 的開關(guān)工作原理：形象記憶法：對(duì)三極管放大作用的理解，切記一點(diǎn)：能量不會(huì)無(wú)緣無(wú)故的產(chǎn)生，所以，三極管一定不會(huì)產(chǎn)生能量。它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的能量罷了。但三極管厲害的地方在於 ：它可以通過(guò)小電流控制大電流。假設(shè)三極管是個(gè)大壩，這個(gè)大壩奇怪的地方是，有兩個(gè)閥門，一個(gè)大閥門，一個(gè)小閥門。小閥門可以用人力打開，大閥門很重，人力是打不開的，只能通過(guò)小閥門的水力打開。所以，平常的工作流程便是，每當(dāng)放水的時(shí)候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細(xì)流衝擊大閥門的開關(guān)，大閥門隨之打開，洶湧的江水滔滔流下

2、。如果不停地改變小閥門開啟的大小，那麼大閥門也相應(yīng)地不停改變，假若能嚴(yán)格地按比例改變，那麼，完美的控制就完成了。在這裏， Ube 就是小水流， Uce 就是大水流，人就是輸入信號(hào)。當(dāng)然，如果把水流比為電流的話，會(huì)更確切，因?yàn)槿龢O管畢竟是一個(gè)電流控制元件。如果水流處?kù)犊烧{(diào)節(jié)的狀態(tài)，這種情況就是三極管中的線性放大區(qū)。如果那個(gè)小的閥門開啟的還不夠，不能打開大閥門，這種情況就是三極管中的截止區(qū)。如果小的閥門開啟的太大了，以至於大閥門裏放出的水流已經(jīng)到了它極限的流量，這種情況就是三極管中的飽和區(qū)。但是你關(guān)小小閥門的話，可以讓三極管工作狀態(tài)從飽和區(qū)返回到線性區(qū)。如果有水流存在一個(gè)水庫(kù)中，水位太高（相應(yīng)與

3、Uce太大），導(dǎo)致不開閥門江水就自己衝開了 ，這就是二極體的反向擊穿 。PN結(jié)的擊穿又有熱擊穿和電擊穿。當(dāng)反向電流和反向電壓的乘積超過(guò) PN結(jié)容許的耗散功率，直至 PN結(jié)過(guò)熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。電擊穿的過(guò)程是可逆的，當(dāng)加在 PN結(jié)兩端的反向電壓降低後，管子仍可以恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。電擊穿又分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩類，一般兩種擊穿同時(shí)存在。電壓低於 5 6V的穩(wěn)壓管，齊納擊穿為主，電壓高於 56V 的穩(wěn)壓管，雪崩擊穿為主。電壓在 56V 之間的穩(wěn)壓管，兩種擊穿程度相近，溫度係數(shù)最好，這就是為什麼許多電路使用5 6V 穩(wěn)壓管的原因。在類比電路中，一般閥門是半開的，通過(guò)控制其開啟大小來(lái)決定輸出水

4、流的大小。沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，水流也會(huì)流，所以，不工作的時(shí)候，也會(huì)有功耗。而在數(shù)位電路中，閥門則處?kù)堕_或是關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)不工作的時(shí)候，閥門是完全關(guān)閉的，沒(méi)有功耗。比如用單片機(jī)外界三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管時(shí)，確實(shí)會(huì)對(duì)單片機(jī)管腳輸出電流進(jìn)行一定程度的放大，從而使電流足夠大到可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 。但此時(shí)三極管並不工作在其特性曲線的放大區(qū)，而是工作在開關(guān)狀態(tài)（飽和區(qū)）。當(dāng)單片機(jī)管腳沒(méi)有輸出時(shí)，三極管工作在截止區(qū)，輸出電流約等於 0。在製造三極管時(shí) ，要把發(fā)射區(qū)的N型半導(dǎo)體電子濃度做的很大，基區(qū) P 型半導(dǎo)體做的很薄，當(dāng)基極的電壓大於發(fā)射極電壓（矽管要大0.7V，鍺管要大 0.3V ）而小於集電極電壓時(shí)，這時(shí)發(fā)射區(qū)的電

5、子進(jìn)入基區(qū)，進(jìn)行複合，形成 Ie ；但由於發(fā)射區(qū)的電子濃度很大，基區(qū)又很薄，電子就會(huì)穿過(guò)反向偏置的集電結(jié)到集電區(qū)的N型半導(dǎo)體裏 ，形成 Ic ；基區(qū)的空穴被複合後，基極的電壓又會(huì)進(jìn)行補(bǔ)給，形成Ib 。理論記憶法：當(dāng) BJT 的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置（VBE 0，VBC0），只有很小的反向漏電流IEBO 和ICBO分別流過(guò)兩個(gè)結(jié)，故iB 0，iC 0，VCEVCC，對(duì)應(yīng)於下圖中的點(diǎn)。這時(shí)集電極回路中的c、e 極之間近似於開路，相當(dāng)於開關(guān)斷開一樣。BJT 的這種工作狀態(tài)稱為截止。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置（ VBE0，VBC0）時(shí)，調(diào)節(jié)RB，使 IB=VCC/ RC，則 BJT工作在上圖中的

6、 C點(diǎn)，集電極電流 iC 已接近於最大值 VCC/ RC，由於 iC 受到 RC的限制，它已不可能像放大區(qū)那樣隨著 iB 的增加而成比例地增加了，此時(shí)集電極電流達(dá)到飽和，對(duì)應(yīng)的基極電流稱為基極臨界飽和電流IBS（ ），而集電極電流稱為集電極飽和電流 ICS（VCC / RC）。此後，如果再增加基極電流，則飽和程度加深，但集電極電流基本上保持在ICS 不再增加，集電極電壓VCE=VCC-ICSRC=VCES=2.0-0.3V。這個(gè)電壓稱為BJT的飽和壓降，它也基本上不隨 iB 增加而改變。由於 VCES很小，集電極回路中的 c、e 極之間近似於短路 ，相當(dāng)於開關(guān)閉合一樣 。BJT的這種工作狀態(tài)稱

7、為飽和。由於 BJT 飽和後管壓降均為 0.3V，而發(fā)射結(jié)偏壓為 0.7V ，因此飽和後集電結(jié)為正向偏置，即 BJT 飽和時(shí)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均處?kù)墩蚱?，這是判斷 BJT 工作在飽和狀態(tài)的重要依據(jù) 。下圖示出了型 BJT 飽和時(shí)各電極電壓的典型資料。由此可見 BJT相當(dāng)於一個(gè)由基極電流所控制的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。三極管處?kù)斗糯鬆顟B(tài)還是開關(guān)狀態(tài)要看給三極管基極加的電流Ib （偏流），隨這個(gè)電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止 - 線性區(qū) - 飽和狀態(tài)變化而變。BJT 截止時(shí)相當(dāng)於開關(guān) “斷開 ”，而飽和時(shí)相當(dāng)於開關(guān) “閉合 ”。型 BJT截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)列於下表中。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（ N溝道 J

8、FET）工作原理：可將 N 溝道 JFET 看作帶 “人工智慧開關(guān) ”的水龍頭。這就有三部分：進(jìn)水、人工智慧開關(guān)、出水，可以分別看成是JFET的 d極 、g 極、 s 極?！叭斯?” 體現(xiàn)了開關(guān)的 “控制 ”作用即 vGS。JFET工作時(shí)，在柵極與源極之間需加一負(fù)電壓（ vGS<0），使柵極、溝道間的 PN結(jié)反偏，柵極電流 iG0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)高達(dá) 107 以上的輸入電阻。在漏極與源極之間加一正電壓（ vDS>0），使 N 溝道中的多數(shù)載流子（電子）在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流 iD 。iD 的大小受 “ 人工開關(guān)”vGS的控制， vGS由零往負(fù)向增大時(shí)， PN結(jié)的耗盡層

9、將加寬，導(dǎo)電溝道變窄， vGS絕對(duì)值越大則人工開關(guān)越接近于關(guān)上，流出的水（ iD ）肯定越來(lái)越小了，當(dāng)你把開關(guān)關(guān)到一定程度的時(shí)候水就不流了?！爸腔?” 體現(xiàn)了開關(guān)的 “影響 ”作用，當(dāng)水龍頭兩端壓力差（ vDS）越大時(shí)，則人工開關(guān)自動(dòng)智慧 “ 生長(zhǎng) ”。vDS值越大則人工開關(guān)生長(zhǎng)越快，流水溝道越接近于關(guān)上，流出的水（ iD ）肯定越小了，當(dāng)人工開關(guān)生長(zhǎng)到一定程度的時(shí)候水也就不流了。理論上，隨著vDS逐漸增加，一方面溝道電場(chǎng)強(qiáng)度加大，有利於漏極電流 iD 增加；另一方面， vDS N一個(gè)沿溝道的電位梯度。由於N溝道的電位從源端到漏端是逐漸升高的，所以在從源端到漏端的不同位置上，漏極與溝道之間的電

10、位差是不相等的，離源極越遠(yuǎn)，電位差越大，加到該處PN結(jié)的反向電壓也越大，耗盡層也越向N型半導(dǎo)體中心擴(kuò)展 ，使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道比靠近源極要窄，導(dǎo)電溝道呈楔形 。所以形象地比喻為當(dāng)水龍頭兩端壓力差 （vDS）越大，則人工開關(guān)自動(dòng)智慧 “生長(zhǎng) ”。當(dāng)開關(guān)第一次相碰時(shí)，就是預(yù)夾斷狀態(tài)，預(yù)夾斷之後id 趨於飽和。當(dāng) vGS>0時(shí)，將使 PN結(jié)處?kù)墩蚱枚a(chǎn)生較大的柵流，破壞了它對(duì)漏極電流 iD 的控制作用，即將人工開關(guān)拔出來(lái)，在開關(guān)處又加了一根進(jìn)水水管，對(duì)水龍頭就沒(méi)有控制作用了。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 (N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET)工作原理：可將 N溝道 MOSFET看作帶 “ 人工智慧開關(guān) ”的

11、水龍頭。相對(duì)應(yīng)情況同 JFET。與 JFET 不同的的是， MOSFET剛開始人工開關(guān)是關(guān)著的，水流流不出來(lái)。當(dāng)在柵源之間加vGS>0， N 型感生溝道（反型層）產(chǎn)生後，人工開關(guān)逐漸打開，水流（iD ）也就越來(lái)越大。 iD 的大小受 “人工開關(guān) ”vGS的控制， vGS由零往正向增大時(shí)，則柵極和P 型矽片相當(dāng)於以二氧化矽為介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直於半導(dǎo)體表面的由柵極指向P 型襯底的電場(chǎng) ，這個(gè)電場(chǎng)排斥空穴而吸引電子，P 型襯底中的少子電子被吸引到襯底表面，這些電子在柵極附近的P 型矽表面便形成了一個(gè)N 型薄層，即導(dǎo)通源極和漏極間的 N型導(dǎo)電溝道。柵源電壓vGS越大則半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到 P 型矽表面的電子就越多，感生溝道將越厚，溝道電阻將越小。相當(dāng)於人工開關(guān)越接近於打開，流出的水（iD ）肯定越來(lái)越多