三極管與場效應(yīng)管開關(guān)原理

1、三極管與場效應(yīng)管開關(guān)原理BJT的開關(guān)工作原理:形象記憶法:對三極管放大作用的理解,切記一點(diǎn):能量不會無緣無故的產(chǎn)生,所以,三極管一定不會產(chǎn)生能量。它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號的能量罷了。但三極管厲害的地方在于:它可以通過小電流控制大電流。假設(shè)三極管是個大壩,這個大壩奇怪的地方是,有兩個閥門,一個大閥門,一個小閥門。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)放水的時候,人們就打開小閥門,很小的水流涓涓流出,這涓涓細(xì)流沖擊大閥門的開關(guān),大閥門隨之打開,洶涌的江水滔滔流下。如果不停地改變小閥門開啟的大小,那么大閥門也相應(yīng)地不停改變,假若

2、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。當(dāng)然,如果把水流比為電流的話,會更確切,因?yàn)槿龢O管畢竟是一個電流控制元件。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水庫中,水位太高(相應(yīng)與Uce太大,導(dǎo)致不開閥門江水就自己沖開了,這就是二極管的反向擊穿。PN結(jié)的擊

3、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PN結(jié)容許的耗散功率,直至PN結(jié)過熱而燒毀,這種現(xiàn)象就是熱擊穿。電擊穿的過程是可逆的,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,一般閥門是半開的,通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候,水流也會流,所以,不工作的時候,也會有功耗。而在數(shù)字電路中,閥門則處于

4、開或是關(guān)兩個狀態(tài)。當(dāng)不工作的時候,閥門是完全關(guān)閉的,沒有功耗。比如用單片機(jī)外界三極管驅(qū)動數(shù)碼管時,確實(shí)會對單片機(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)動數(shù)碼管。但此時三極管并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)管腳沒有輸出時,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,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,這時發(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,電子就會穿過反向偏置的集電結(jié)到集電區(qū)的N型

5、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分別流過兩個結(jié),故iB0,iC0,VCEVCC,對應(yīng)于下圖中的A點(diǎn)。這時集電極回路中的c、e極之間近似于開路,相當(dāng)于開關(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(VBE>0,VBC>0時,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

6、增加了,此時集電極電流達(dá)到飽和,對應(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

7、態(tài)的重要依據(jù)。下圖示出了NPN型BJT飽和時各電極電壓的典型數(shù)據(jù)。由此可見BJT相當(dāng)于一個由基極電流所控制的無觸點(diǎn)開關(guān)。三極管處于放大狀態(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截止時相當(dāng)于開關(guān)“斷開”,而飽和時相當(dāng)于開關(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“人工智能開關(guān)”的水龍頭。這就有三部分:進(jìn)水、人工智能開關(guān)、出水,可以分別看成是JFET的d極、g極、s極?！叭斯ぁ斌w現(xiàn)了開關(guān)的“控制”作用即vGS。JFET工作時,在

8、柵極與源極之間需加一負(fù)電壓(vGS,使柵極、溝道間的PN結(jié)反偏,柵極電流iG0,場效應(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(電子在電場作用下由源極向漏極運(yùn)動,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,PN結(jié)的耗盡層將加寬,導(dǎo)電溝道變窄,vGS絕對值越大則人工開關(guān)越接近于關(guān)上,流出的水(iD肯定越來越小了,當(dāng)你把開關(guān)關(guān)到一定程度的時候水就不流了?！爸悄堋斌w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,則人工開關(guān)自動智能“生長”。vDS值越大則人工開關(guān)生長越快,流水溝道越接近于關(guān)上,流出

9、的水(iD肯定越小了,當(dāng)人工開關(guān)生長到一定程度的時候水也就不流了。理論上,隨著vDS逐漸增加,一方面溝道電場強(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,則人工開關(guān)自動智能“生長”。當(dāng)開關(guān)第一次相碰時,就是預(yù)夾斷狀態(tài),

10、預(yù)夾斷之后id趨于飽和。當(dāng)vGS>0時,將使PN結(jié)處于正向偏置而產(chǎn)生較大的柵流,破壞了它對漏極電流iD的控制作用,即將人工開關(guān)拔出來,在開關(guān)處又加了一根進(jìn)水水管,對水龍頭就沒有控制作用了。 (N MOSFET工作原理： 絕緣柵場效應(yīng)管(N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 可將 N 溝道 MOSFET 看作帶“人工智能開關(guān)”的水龍頭。相對應(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。當(dāng) 在柵源之間加 vGS0， N 型感生溝道（反型層）產(chǎn)生后，人工開關(guān)逐漸打開， 水流（iD）也就越來越大。iD 的大小受“人工開關(guān)”vGS 的控制，vGS 由零往正 向增大時，則柵極和 P 型硅片相當(dāng)于以二氧化 三極管與場效應(yīng)管開關(guān)原理 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)生了一個垂直于半 導(dǎo)體表面的由柵極指向 P 型襯底的電場，這個電場排斥空穴 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 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)于人工開關(guān)越接近于打開，流出的水（iD）肯 定越來越 多了，當(dāng)你把開關(guān)開到一定程度的時候水流就達(dá)到最大