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    三極管開關原理與場效應管的開關原理

    返回列表 來源:晶恒 瀏覽:- 發布日期:2020-12-05 22:44:05【

    BJT的開關工作原理:

    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。

    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<0),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。

    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。

    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。

         濟南晶恒電子是國內知名的半導體分立器件研發和制造基地,產品包含二極管、三極管和MOSFET場效應管等器件。晶恒集團擁有六十余載的歷史積淀,是國內首批研制二極管的單位,其前身是濟南市半導體元件實驗所。晶恒擁有自主知識產權的芯片生產線,旗下同時擁有引線框架、器件測封,計量中心等核心產業,在國內擁有最全的分立器件生產鏈。多年來,晶恒電子卓越的產品品質和優質的客戶服務為其贏得了較高的聲譽和口碑,并與飛利浦、華為、飛科、富士康、小米等多家上市公司和國際知名企業建立了戰略合作關系。晶恒的產品廣銷海內外,涵蓋了電源、汽車電子、照明、家電、安防、物聯網、光伏、表計等多個領域。如您想更多的了解晶恒集團,請登錄www.jskvip.net了解詳情。

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