直流開(kāi)關(guān)電源電路設計工程師解釋BJT的開(kāi)關(guān)工作原理：
形象記憶法 ：
對三極管放大作用的理解，切記一點(diǎn)：能量不會(huì )無(wú)緣無(wú)故的產(chǎn)生，所以，三極管一定不會(huì )產(chǎn)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(guò)小電流控制大電流。
假設三極管是個(gè)大壩，這個(gè)大壩奇怪的地方是，有兩個(gè)閥門(mén)，一個(gè)大閥門(mén)，一個(gè)小閥門(mén)。小閥門(mén)可以用人力打開(kāi)，大閥門(mén)很重，人力是打不開(kāi)的，只能通過(guò)小閥門(mén)的水力打開(kāi)。
所以，平常的工作流程便是，每當放水的時(shí)候，人們就打開(kāi)小閥門(mén)，很小的水流涓涓流出，這涓涓細流沖擊大閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，大閥門(mén)隨之打開(kāi)，洶涌的江水滔滔流下。
如果不停地改變小閥門(mén)開(kāi)啟的大小，那么大閥門(mén)也相應地不停改變，假若能?chē)栏竦匕幢壤淖?，那么，完美的控制就完成了?/span>
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(huà)，會(huì )更確切，因為三極管畢竟是一個(gè)電流控制元件。
如果水流處于可調節的狀態(tài)，這種情況就是三極管中的線(xiàn)性放大區。
如果那個(gè)小的閥門(mén)開(kāi)啟的還不夠，不能打開(kāi)大閥門(mén)，這種情況就是三極管中的截止區。
如果小的閥門(mén)開(kāi)啟的太大了，以至于大閥門(mén)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。但是你關(guān)小小閥門(mén)的話(huà)，可以讓三極管工作狀態(tài)從飽和區返回到線(xiàn)性區。
如果有水流存在一個(gè)水庫中，水位太高(相應與Uce太大)，導致不開(kāi)閥門(mén)江水就自己沖開(kāi)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(guò)PN結容許的耗散功率，直至PN結過(guò)熱而燒毀，這種現象就是熱擊穿。電擊穿的過(guò)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(lái)的狀態(tài)。電擊穿又分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩類(lèi)，一般兩種擊穿同時(shí)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(mén)是半開(kāi)的，通過(guò)控制其開(kāi)啟大小來(lái)決定輸出水流的大小。沒(méi)有信號的時(shí)候，水流也會(huì )流，所以，不工作的時(shí)候，也會(huì )有功耗。
而在數字電路中，閥門(mén)則處于開(kāi)或是關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當不工作的時(shí)候，閥門(mén)是完全關(guān)閉的，沒(méi)有功耗。比如用單片機外界三極管驅動(dòng)數碼管時(shí)，確實(shí)會(huì )對單片機管腳輸出電流進(jìn)行一定程度的放大，從而使電流足夠大到可以驅動(dòng)數碼管。但此時(shí)三極管并不工作在其特性曲線(xiàn)的放大區，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)(飽和區)。當單片機管腳沒(méi)有輸出時(shí)，三極管工作在截止區，輸出電流約等于0。
在制造三極管時(shí)，要把發(fā)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(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(shí)，這時(shí)發(fā)射區的電子進(jìn)入基區，進(jìn)行復合，形成Ie;但由于發(fā)射區的電子濃度很大，基區又很薄，電子就會(huì )穿過(guò)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(huì )進(jìn)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(guò)兩個(gè)結，故iB≈ 0，iC≈ 0，VCE ≈ VCC，對應于下圖中的A點(diǎn)。這時(shí)集電極回路中的c、e極之間近似于開(kāi)路，相當于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)一樣。BJT的這種工作狀態(tài)稱(chēng)為截止。
當發(fā)射結和集電結均為正向偏置(VBE>0，VBC>0)時(shí)，調節RB，使IB=VCC / RC，則BJT工作在上圖中的C點(diǎn)，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(zhù)iB的增加而成比例地增加了，此時(shí)集電極電流達到飽和，對應的基極電流稱(chēng)為基極臨界飽和電流IBS( )，而集電極電流稱(chēng)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(gè)電壓稱(chēng)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(kāi)關(guān)閉合一樣。BJT的這種工作狀態(tài)稱(chēng)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(shí)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。下圖示出了NPN型BJT飽和時(shí)各電極電壓的典型數據。
由此可見(jiàn)BJT相當于一個(gè)由基極電流所控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。三極管處于放大狀態(tài)還是開(kāi)關(guān)狀態(tài)要看給三極管基極加的電流Ib(偏流)，隨這個(gè)電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止-線(xiàn)性區-飽和狀態(tài)變化而變。BJT截止時(shí)相當于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，而飽和時(shí)相當于開(kāi)關(guān)“閉合”。NPN型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)列于下表中。
直流開(kāi)關(guān)電源電路設計工程師解釋結型場(chǎng)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(kāi)關(guān)”的水龍頭。這就有三部分：進(jìn)水、人工智能開(kāi)關(guān)、出水，可以分別看成是JFET的 d極 、g 極、s極。
“人工”體現了開(kāi)關(guān)的“控制”作用即vGS。JFET工作時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)作用下由源極向漏極運動(dòng)，形成電流iD。iD的大小受“人工開(kāi)關(guān)”vGS的控制，vGS由零往負向增大時(shí)，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(kāi)關(guān)越接近于關(guān)上，流出的水(iD)肯定越來(lái)越小了，當你把開(kāi)關(guān)關(guān)到一定程度的時(shí)候水就不流了。
“智能”體現了開(kāi)關(guān)的“影響”作用，當水龍頭兩端壓力差(vDS)越大時(shí)，則人工開(kāi)關(guān)自動(dòng)智能“生長(cháng)”。vDS值越大則人工開(kāi)關(guān)生長(cháng)越快，流水溝道越接近于關(guān)上，流出的水(iD)肯定越小了，當人工開(kāi)關(guān)生長(cháng)到一定程度的時(shí)候水也就不流了。理論上，隨著(zhù)vDS逐漸增加，一方面溝道電場(chǎng)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型半導體區域中，產(chǎn)生了一個(gè)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(kāi)關(guān)自動(dòng)智能“生長(cháng)”。
當開(kāi)關(guān)第一次相碰時(shí)，就是預夾斷狀態(tài)，預夾斷之后id趨于飽和。
當vGS>0時(shí)，將使PN結處于正向偏置而產(chǎn)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(kāi)關(guān)拔出來(lái)，在開(kāi)關(guān)處又加了一根進(jìn)水水管，對水龍頭就沒(méi)有控制作用了。
直流開(kāi)關(guān)電源電路設計工程師解釋絕緣柵場(chǎng)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(kāi)關(guān)”的水龍頭。相對應情況同JFET。與JFET不同的的是，MOSFET剛開(kāi)始人工開(kāi)關(guān)是關(guān)著(zhù)的，水流流不出來(lái)。當在柵源之間加vGS>0， N型感生溝道(反型層)產(chǎn)生后，人工開(kāi)關(guān)逐漸打開(kāi)，水流(iD)也就越來(lái)越大。iD的大小受“人工開(kāi)關(guān)”vGS的控制，vGS由零往正向增大時(shí)，則柵極和P型硅片相當于以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導體表面的由柵極指向P型襯底的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(kāi)關(guān)越接近于打開(kāi)，流出的水(iD)肯定越來(lái)越多了，當你把開(kāi)關(guān)開(kāi)到一定程度的時(shí)候水流就達到最大了。MOSFET的“智能”性與JFET原理相同，參上。
直流開(kāi)關(guān)電源電路設計工程師解釋絕緣柵場(chǎng)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(shí)，N溝道耗盡型MOSFET由于絕緣層的存在，并不會(huì )產(chǎn)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(kāi)關(guān)的控制作用更明顯。
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