三極管開關原理與結型場效應管(N溝道JFET)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(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(xiàn)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(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，閥門則處于開或是關兩個狀態(tài)。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(shù)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(shù)碼管。但此時三極管并不工作在其特性曲線的放大區(qū)，而是工作在開關狀態(tài)(飽和區(qū))。當單片機管腳沒有輸出時，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型半導體電子濃度做的很大，基區(qū)P型半導體做的很薄，當基極的電壓大于發(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)的電子進入基區(qū)，進行復合，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到集電區(qū)的N型半導體里，形成Ic;基區(qū)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(fā)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(tài)稱為截止。

當發(fā)射結和集電結均為正向偏置(VBE>0，VBC>0)時，調節(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(tài)稱為飽和。由于BJT飽和后管壓降均為0.3V，而發(fā)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(fā)射結均處于正向偏置，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飽和時各電極電壓的典型數(shù)據(jù)。

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(tài)還是開關狀態(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(tài)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(xiàn)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(xiàn)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(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”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(xiàn)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(jīng)溝道到漏極組成的N型半導體區(qū)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(tài)，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。