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【鉅興小百科】三極管開關原理與場效應管開關原理
2019.11.15

BJT的開關工作原理:

形象記憶法 :

對三極管放大作用的理解,切記一點:能量不會無緣無故的產生,所以,三極管一定不會產生能量。它只是把電源的能量轉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,這涓涓細流沖擊大閥門的開關,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,那么大閥門也相應地不停改變,假若能嚴格地按比例改變,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。當然,如果把水流比為電流的話,會更確切,因為三極管畢竟是一個電流控制元件。

如果水流處于可調節的狀態,這種情況就是三極管中的線性放大區。

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。

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到了它極限的流量,這種情況就是三極管中的飽和區。但是你關小小閥門的話,可以讓三極管工作狀態從飽和區返回到線性區。

如果有水流存在一個水庫中,水位太高(相應與Uce太大),導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結的擊穿又有熱擊穿和電擊穿。當反向電流和反向電壓的乘積超過PN結容許的耗散功率,直至PN結過熱而燒毀,這種現象就是熱擊穿。電擊穿的過程是可逆的,當加在PN結兩端的反向電壓降低后,管子仍可以恢復原來的狀態。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的穩壓管,齊納擊穿為主,電壓高于5-6V的穩壓管,雪崩擊穿為主。

電壓在5-6V之間的穩壓管,兩種擊穿程度相近,溫度系數最好,這就是為什么許多電路使用5-6V穩壓管的原因。

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。

而在數字電路中,閥門則處于開或是關兩個狀態。當不工作的時候,閥門是完全關閉的,沒有功耗。比如用單片機外界三極管驅動數碼管時,確實會對單片機管腳輸出電流進行一定程度的放大,從而使電流足夠大到可以驅動數碼管。但此時三極管并不工作在其特性曲線的放大區,而是工作在開關狀態(飽和區)。當單片機管腳沒有輸出時,三極管工作在截止區,輸出電流約等于0。

在制造三極管時,要把發射區的N型半導體電子濃度做的很大,基區P型半導體做的很薄,當基極的電壓大于發射極電壓(硅管要大0.7V,鍺管要大0.3V)而小于集電極電壓時,這時發射區的電子進入基區,進行復合,形成Ie;但由于發射區的電子濃度很大,基區又很薄,電子就會穿過反向偏置的集電結到集電區的N型半導體里,形成Ic;基區的空穴被復合后,基極的電壓又會進行補給,形成Ib。

理論記憶法:

當BJT的發射結和集電結均為反向偏置(VBE<0,VBC<0),只有很小的反向漏電流IEBO和ICBO分別流過兩個結,故iB≈ 0,iC≈ 0,VCE ≈ VCC,對應于下圖中的A點。這時集電極回路中的c、e極之間近似于開路,相當于開關斷開一樣。BJT的這種工作狀態稱為截止。

當發射結和集電結均為正向偏置(VBE>0,VBC>0)時,調節RB,使IB=VCC / RC,則BJT工作在上圖中的C點,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那樣隨著iB的增加而成比例地增加了,此時集電極電流達到飽和,對應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,相當于開關閉合一樣。BJT的這種工作狀態稱為飽和。由于BJT飽和后管壓降均為0.3V,而發射結偏壓為0.7V,因此飽和后集電結為正向偏置,即BJT飽和時集電結和發射結均處于正向偏置,這是判斷BJT工作在飽和狀態的重要依據。下圖示出了NPN型BJT飽和時各電極電壓的典型數據。

由此可見BJT相當于一個由基極電流所控制的無觸點開關。三極管處于放大狀態還是開關狀態要看給三極管基極加的電流Ib(偏流),隨這個電流變化,三極管工作狀態由截止-線性區-飽和狀態變化而變。BJT截止時相當于開關“斷開”,而飽和時相當于開關“閉合”。NPN型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態的特點列于下表中。

結型場效應管(N溝道JFET)工作原理:

可將N溝道JFET看作帶“人工智能開關”的水龍頭。這就有三部分:進水、人工智能開關、出水,可以分別看成是JFET的 d極 、g 極、s極。

“人工”體現了開關的“控制”作用即vGS。JFET工作時,在柵極與源極之間需加一負電壓(vGS<0),使柵極、溝道間的PN結反偏,柵極電流iG≈0,場效應管呈現高達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溝道中的多數載流子(電子)在電場作用下由源極向漏極運動,形成電流iD。iD的大小受“人工開關”vGS的控制,vGS由零往負向增大時,PN結的耗盡層將加寬,導電溝道變窄,vGS絕對值越大則人工開關越接近于關上,流出的水(iD)肯定越來越小了,當你把開關關到一定程度的時候水就不流了。

“智能”體現了開關的“影響”作用,當水龍頭兩端壓力差(vDS)越大時,則人工開關自動智能“生長”。vDS值越大則人工開關生長越快,流水溝道越接近于關上,流出的水(iD)肯定越小了,當人工開關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,就在由源極經溝道到漏極組成的N型半導體區域中,產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,電位差越大,加到該處PN結的反向電壓也越大,耗盡層也越向N型半導體中心擴展,使靠近漏極處的導電溝道比靠近源極要窄,導電溝道呈楔形。所以形象地比喻為當水龍頭兩端壓力差(vDS)越大,則人工開關自動智能“生長”。

當開關第一次相碰時,就是預夾斷狀態,預夾斷之后id趨于飽和。

當vGS>0時,將使PN結處于正向偏置而產生較大的柵流,破壞了它對漏極電流iD的控制作用,即將人工開關拔出來,在開關處又加了一根進水水管,對水龍頭就沒有控制作用了。

絕緣柵場效應管(N溝道增強型MOSFET)工作原理:

可將N溝道MOSFET看作帶“人工智能開關”的水龍頭。相對應情況同JFET。與JFET不同的的是,MOSFET剛開始人工開關是關著的,水流流不出來。當在柵源之間加vGS>0, N型感生溝道(反型層)產生后,人工開關逐漸打開,水流(iD)也就越來越大。iD的大小受“人工開關”vGS的控制,vGS由零往正向增大時,則柵極和P型硅片相當于以二氧化硅為介質的平板電容器,在正的柵源電壓作用下,介質中便產生了一個垂直于半導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,即導通源極和漏極間的N型導電溝道。柵源電壓vGS越大則半導體表面的電場就越強,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。相當于人工開關越接近于打開,流出的水(iD)肯定越來越多了,當你把開關開到一定程度的時候水流就達到最大了。MOSFET的“智能”性與JFET原理相同,參上。

絕緣柵場效應管(N溝道耗盡型MOSFET)工作原理:

基本上與N溝道JFET一樣,只是當vGS>0時,N溝道耗盡型MOSFET由于絕緣層的存在,并不會產生PN結的正向電流,而是在溝道中感應出更多的負電荷,使人工智能開關的控制作用更明顯。

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