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三极管开关原理与结型场效应管(N沟道JFET)工作原理
??:未知 ??:admin ??:2019-09-28 ??:
 

  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

  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。

  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。

  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(vGS0),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。

  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。

  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。

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