三极管开关原理与场效应管开关原理

红灯记

BJT的开关工作原理：


形象记忆法 ：

对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量。它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流控制大电流。

假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。

所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。

如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。

在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。

如果水流处于可调节的状态，这种情况就是三极管中的线性放大区。

如果那个小的阀门开启的还不够，不能打开大阀门，这种情况就是三极管中的截止区。

如果小的阀门开启的太大了，以至于大阀门里放出的水流已经到了它极限的流量，这种情况就是三极管中的饱和区。但是你关小小阀门的话，可以让三极管工作状态从饱和区返回到线性区。

如果有水流存在一个水库中，水位太高(相应与Uce太大)，导致不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的反向击穿。PN结的击穿又有热击穿和电击穿。当反向电流和反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率，直至PN结过热而烧毁，这种现象就是热击穿。电击穿的过程是可逆的，当加在PN结两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两类，一般两种击穿同时存在。电压低于5-6V的稳压管，齐纳击穿为主，电压高于5-6V的稳压管，雪崩击穿为主。电压在5-6V之间的稳压管，两种击穿程度相近，温度系数最好，这就是为什么许多电路使用5-6V稳压管的原因。

在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。

而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。比如用单片机外界三极管驱动数码管时，确实会对单片机管脚输出电流进行一定程度的放大，从而使电流足够大到可以驱动数码管。但此时三极管并不工作在其特性曲线的放大区，而是工作在开关状态(饱和区)。当单片机管脚没有输出时，三极管工作在截止区，输出电流约等于0。

在制造三极管时，要把发射区的N型半导体电子浓度做的很大，基区P型半导体做的很薄，当基极的电压大于发射极电压(硅管要大0.7V，锗管要大0.3V)而小于集电极电压时，这时发射区的电子进入基区，进行复合，形成Ie;但由于发射区的电子浓度很大，基区又很薄，电子就会穿过反向偏置的集电结到集电区的N型半导体里，形成Ic;基区的空穴被复合后，基极的电压又会进行补给，形成Ib。

理论记忆法：

当BJT的发射结和集电结均为反向偏置(VBE<0，VBC<0)，只有很小的反向漏电流IEBO和ICBO分别流过两个结，故iB≈ 0，iC≈ 0，VCE ≈ VCC，对应于下图中的A点。这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路，相当于开关断开一样。BJT的这种工作状态称为截止。



当发射结和集电结均为正向偏置(VBE>0，VBC>0)时，调节RB，使IB=VCC / RC，则BJT工作在上图中的C点，集电极电流iC已接近于最大值VCC / RC，由于iC受到RC的限制，它已不可能像放大区那样随着iB的增加而成比例地增加了，此时集电极电流达到饱和，对应的基极电流称为基极临界饱和电流IBS( )，而集电极电流称为集电极饱和电流ICS(VCC / RC)。此后，如果再增加基极电流，则饱和程度加深，但集电极电流基本上保持在ICS不再增加，集电极电压VCE=VCC-ICSRC=VCES=2.0-0.3V。这个电压称为BJT的饱和压降，它也基本上不随iB增加而改变。由于VCES很小，集电极回路中的c、e极之间近似于短路，相当于开关闭合一样。BJT的这种工作状态称为饱和。由于BJT饱和后管压降均为0.3V，而发射结偏压为0.7V，因此饱和后集电结为正向偏置，即BJT饱和时集电结和发射结均处于正向偏置，这是判断BJT工作在饱和状态的重要依据。下图示出了NPN型BJT饱和时各电极电压的典型数据。



由此可见BJT相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的电流Ib(偏流)，随这个电流变化，三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变。BJT截止时相当于开关“断开”，而饱和时相当于开关“闭合”。NPN型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。

结型场效应管(N沟道JFET)工作原理：

可将N沟道JFET看作带“人工智能开关”的水龙头。这就有三部分：进水、人工智能开关、出水，可以分别看成是JFET的 d极 、g 极、s极。

“人工”体现了开关的“控制”作用即vGS。JFET工作时，在栅极与源极之间需加一负电压(vGS<0)，使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现高达107Ω以上的输入电阻。在漏极与源极之间加一正电压(vDS>0)，使N沟道中的多数载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流iD。iD的大小受“人工开关”vGS的控制，vGS由零往负向增大时，PN结的耗尽层将加宽，导电沟道变窄，vGS绝对值越大则人工开关越接近于关上，流出的水(iD)肯定越来越小了，当你把开关关到一定程度的时候水就不流了。

“智能”体现了开关的“影响”作用，当水龙头两端压力差(vDS)越大时，则人工开关自动智能“生长”。vDS值越大则人工开关生长越快，流水沟道越接近于关上，流出的水(iD)肯定越小了，当人工开关生长到一定程度的时候水也就不流了。理论上，随着vDS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流iD增加;另一方面，有了vDS，就在由源极经沟道到漏极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电位梯度。由于N沟道的电位从源端到漏端是逐渐升高的，所以在从源端到漏端的不同位置上，漏极与沟道之间的电位差是不相等的，离源极越远，电位差越大，加到该处PN结的反向电压也越大，耗尽层也越向N型半导体中心扩展，使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄，导电沟道呈楔形。所以形象地比喻为当水龙头两端压力差(vDS)越大，则人工开关自动智能“生长”。

当开关第一次相碰时，就是预夹断状态，预夹断之后id趋于饱和。

当vGS>0时，将使PN结处于正向偏置而产生较大的栅流，破坏了它对漏极电流iD的控制作用，即将人工开关拔出来，在开关处又加了一根进水水管，对水龙头就没有控制作用了。


绝缘栅场效应管(N沟道增强型MOSFET)工作原理：

可将N沟道MOSFET看作带“人工智能开关”的水龙头。相对应情况同JFET。与JFET不同的的是，MOSFET刚开始人工开关是关着的，水流流不出来。当在栅源之间加vGS>0， N型感生沟道(反型层)产生后，人工开关逐渐打开，水流(iD)也就越来越大。iD的大小受“人工开关”vGS的控制，vGS由零往正向增大时，则栅极和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场，这个电场排斥空穴而吸引电子，P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，即导通源极和漏极间的N型导电沟道。栅源电压vGS越大则半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电子就越多，感生沟道将越厚，沟道电阻将越小。相当于人工开关越接近于打开，流出的水(iD)肯定越来越多了，当你把开关开到一定程度的时候水流就达到最大了。MOSFET的“智能”性与JFET原理相同，参上。








绝缘栅场效应管(N沟道耗尽型MOSFET)工作原理：

基本上与N沟道JFET一样，只是当vGS>0时，N沟道耗尽型MOSFET由于绝缘层的存在，并不会产生PN结的正向电流，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使人工智能开关的控制作用更明显。

载自《 电子工程专辑 》