十分易懂的BJT和場效應(yīng)管的開關(guān)工作原理

1、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：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，

2、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，因為三極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)。&#

3、160;   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

4、擊穿同時存在。電壓低于56V的穩(wěn)壓管，齊納擊穿為主，電壓高于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，溫度系數(shù)最好，這就是為什么許多電路使用56V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

5、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：    

6、;當(dāng)BJT的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置（VBE0，VBC0），只有很小的反向漏電流IEBO和ICBO分別流過兩個結(jié)，故iB 0，iC 0，VCE VCC，對應(yīng)于下圖中的點。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（VBE0，VBC0）時，調(diào)節(jié)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(qū)那樣隨著iB的增加而成比例地增加了，此時集電極電流達(dá)到飽和，對應(yīng)的基極電流稱為基極

7、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工作在飽和狀態(tài)的重要依據(jù)。下圖示出了型BJT飽和時各電極

8、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”。型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點列于下表中。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

9、，可以分別看成是JFET的 d極 、g 極、s極。     “人工”體現(xiàn)了開關(guān)的“控制”作用即vGS。JFET工作時，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

10、程度的時候水就不流了。     “智能”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，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，

11、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)，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。絕緣柵場效應(yīng)管(N溝道增強(qiáng)型MOSFE

12、T)工作原理：    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vGS>0， 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