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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），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。 |
