三極管開(kāi)關(guān)原理與場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)原理

BJT的開(kāi)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于：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(kāi)，大閥門很重，人力是打不開(kāi)的，只能通過(guò)小閥門的水力打開(kāi)。

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(kāi)小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細(xì)流沖擊大閥門的開(kāi)關(guān)，大閥門隨之打開(kāi)，洶涌的江水滔滔流下。

如果不停地改變小閥門開(kāi)啟的大小，那么大閥門也相應(yīng)地不停改變，假若能嚴(yán)格地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。

在這里，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。

如果水流處于可調(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(kāi)啟的還不夠，不能打開(kāi)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(kāi)啟的太大了，以至于大閥門里放出的水流已經(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Uce太大)，導(dǎo)致不開(kāi)閥門江水就自己沖開(kāi)了，這就是二極管的反向擊穿。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后，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。電壓低于5-6V的穩(wěn)壓管，齊納擊穿為主，電壓高于5-6V的穩(wěn)壓管，雪崩擊穿為主。電壓在5-6V之間的穩(wěn)壓管，兩種擊穿程度相近，溫度系數(shù)最好，這就是為什么許多電路使用5-6V穩(wěn)壓管的原因。

在模擬電路中，一般閥門是半開(kāi)的，通過(guò)控制其開(kāi)啟大小來(lái)決定輸出水流的大小。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)字電路中，閥門則處于開(kāi)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)三極管并不工作在其特性曲線的放大區(qū)，而是工作在開(kāi)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)，輸出電流約等于0。

在制造三極管時(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)基極的電壓大于發(fā)射極電壓(硅管要大0.7V，鍺管要大0.3V)而小于集電極電壓時(shí)，這時(shí)發(fā)射區(qū)的電子進(jìn)入基區(qū)，進(jìn)行復(fù)合，形成Ie;但由于發(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)體里，形成Ic;基區(qū)的空穴被復(fù)合后，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，VBC<0)，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，VCE ≈ VCC，對(duì)應(yīng)于下圖中的A點(diǎn)。這時(shí)集電極回路中的c、e極之間近似于開(kāi)路，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(VBE>0，VBC>0)時(shí)，調(diào)節(jié)RB，使IB=VCC / RC，則BJT工作在上圖中的C點(diǎn)，集電極電流iC已接近于最大值VCC / RC，由于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)。此后，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。由于VCES很小，集電極回路中的c、e極之間近似于短路，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合一樣。BJT的這種工作狀態(tài)稱為飽和。由于BJT飽和后管壓降均為0.3V，而發(fā)射結(jié)偏壓為0.7V，因此飽和后集電結(jié)為正向偏置，即BJT飽和時(shí)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均處于正向偏置，這是判斷BJT工作在飽和狀態(tài)的重要依據(jù)。下圖示出了NPN型BJT飽和時(shí)各電極電壓的典型數(shù)據(jù)。

由此可見(jiàn)BJT相當(dāng)于一個(gè)由基極電流所控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。三極管處于放大狀態(tài)還是開(kāi)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)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，而飽和時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“閉合”。NPN型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)列于下表中。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(N溝道JFET)工作原理：

可將N溝道JFET看作帶“人工智能開(kāi)關(guān)”的水龍頭。這就有三部分：進(jìn)水、人工智能開(kāi)關(guān)、出水，可以分別看成是JFET的 d極 、g 極、s極。

“人工”體現(xiàn)了開(kāi)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iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)高達(dá)107Ω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(kāi)關(guān)”vGS的控制，vGS由零往負(fù)向增大時(shí)，PN結(jié)的耗盡層將加寬，導(dǎo)電溝道變窄，vGS絕對(duì)值越大則人工開(kāi)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(kāi)關(guān)關(guān)到一定程度的時(shí)候水就不流了。

“智能”體現(xiàn)了開(kāi)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(kāi)關(guān)自動(dòng)智能“生長(zhǎng)”。vDS值越大則人工開(kāi)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(kāi)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，有利于漏極電流iD增加;另一方面，有了vDS，就在由源極經(jīng)溝道到漏極組成的N型半導(dǎo)體區(qū)域中，產(chǎn)生了一個(gè)沿溝道的電位梯度。由于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(kāi)關(guān)自動(dòng)智能“生長(zhǎng)”。

當(dāng)開(kāi)關(guān)第一次相碰時(shí)，就是預(yù)夾斷狀態(tài)，預(yù)夾斷之后id趨于飽和。

當(dāng)vGS>0時(shí)，將使PN結(jié)處于正向偏置而產(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(kāi)關(guān)拔出來(lái)，在開(kāi)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“人工智能開(kāi)關(guān)”的水龍頭。相對(duì)應(yīng)情況同JFET。與JFET不同的的是，MOSFET剛開(kāi)始人工開(kāi)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)生后，人工開(kāi)關(guān)逐漸打開(kāi)，水流(iD)也就越來(lái)越大。iD的大小受“人工開(kāi)關(guān)”vGS的控制，vGS由零往正向增大時(shí)，則柵極和P型硅片相當(dāng)于以二氧化硅為介質(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)垂直于半導(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型硅表面便形成了一個(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型硅表面的電子就越多，感生溝道將越厚，溝道電阻將越小。相當(dāng)于人工開(kāi)關(guān)越接近于打開(kāi)，流出的水(iD)肯定越來(lái)越多了，當(dāng)你把開(kāi)關(guān)開(kāi)到一定程度的時(shí)候水流就達(dá)到最大了。MOSFET的“智能”性與JFET原理相同，參上。

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(N溝道耗盡型MOSFET)工作原理：

基本上與N溝道JFET一樣，只是當(dāng)vGS>0時(shí)，N溝道耗盡型MOSFET由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生PN結(jié)的正向電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使人工智能開(kāi)關(guān)的控制作用更明顯。

擴(kuò)展閱讀：三極管做開(kāi)關(guān)，常用到的電容作用