電晶體飽和狀態

電晶體的工作狀態(或工作模式)有放大狀態、截止狀態、飽和狀態和反向放大狀態四種。飽和狀態就是電晶體的一種低電壓、大電流工作狀態(即開態).對於BJT(雙極型電晶體)和對於FET(場效應電晶體),飽和狀態的含義大不相同,要特別注意區分開來。

對於BJT,對於FET,

對於BJT

因為BJT是電流驅動的器件,則其飽和狀態就是指電流較大、而電壓飽和(基本恆定不變)的一種工作模式.BJT在飽和狀態工作時,發射結和集電結都處於正偏,則導電很好、電流較大,這時輸出的集電極電流Ic只決定於外電路的參量(Ic=Vcc/RL,式中的Vcc是電源電壓,RL是負載電阻),而與輸入電流無關(即這時已離開了放大狀態);該狀態是輸出電流大、輸出電壓低的工作模式,相應於開關的開態.
在BJT的發射極正偏、集電結0偏時,電晶體仍然處於放大狀態(輸出電流正比於輸入電流),但是輸出電流已經達到了最大;這時只要集電結電壓稍微增大一點而正偏的話,那么電晶體就進入到飽和狀態(輸出電流與輸入電流無關,而由外電路參量決定)。所以把這種發射極正偏、集電結0偏的狀態特稱為臨界飽和狀態。
在BJT的輸出伏安特性曲線上,飽和狀態即是處在緊靠縱軸(電流軸)的一個小範圍內.BJT在飽和狀態工作時,總是希望該飽和範圍越小越好,即要求輸出電壓——飽和壓降越低越好.因為飽和壓降直接關係到集電極串聯電阻,故為了降低飽和壓降,就需要提高集電區摻雜濃度;但為了提高提高擊穿電壓,又需要減小集電區摻雜濃度,這是一個矛盾.為解決此矛盾,就發展出了外延片的技術,即是在低阻襯底上生長一層薄的較高電阻率的外延層,然後在外延層上製作BJT;對於積體電路中的BJT來說,因為所有的電極都需要從晶片表面引出,因此在外延的基礎上,還需要通過在器件有源區下面加設低阻埋層來減小集電極串聯電阻.總之,在積體電路晶片中採用外延層和埋層的目的,都是為了在保持較高擊穿電壓的條件下來減小集電極串聯電阻、以降低飽和壓降.

對於FET

(包括JFET和MOSFET等)
因為FET是電壓驅動的器件,則其飽和狀態就是指電壓較大、而電流飽和(基本恆定不變)的一種工作模式.
對於增強型n-FET,在柵電壓為0時不存在溝道,只有正的柵極電壓大於閾值電壓Vt時才出現溝道(故這時的閾值電壓也稱為“開啟電壓”);當“源漏電壓Vds≥柵源電壓Vgs減去開啟電壓Vt”時,溝道即在靠近漏極處被夾斷,電晶體就進入飽和工作狀態。飽和狀態的輸出電流基本上由未被夾斷的溝道部分的電阻來決定。在不考慮溝道長度調製效應時,則輸出電流與源-漏電壓無關,即輸出電流飽和;但是此飽和的輸出電流要受到柵極電壓控制(飽和時的柵極跨導最大)。在輸出伏安特性曲線上,飽和狀態即是處在電流飽和的區域(即特性曲線是水平的區域);實際上,FET的飽和狀態也就是常常採用的一种放大工作的狀態(這與BJT的工作狀態名稱不同),因為FET在飽和狀態時的跨導最大。
對於耗盡型n-MOSFET,在柵電壓為0時即存在電子導電的溝道,就是線性導通狀態;只有加上一定的柵極電壓(負電壓)後才能使溝道消失(整個溝道夾斷),這時的柵電壓稱為”夾斷電壓”Vp,也就是耗盡型FET的閾值電壓,當“源漏電壓Vds≥夾斷電壓Vp減去柵源電壓Vgs”時,溝道即在靠近漏極處被夾斷,電晶體就進入飽和導通狀態,輸出電流最大、並飽和,同時跨導也最高——放大工作區。
值得注意,FET在飽和狀態時溝道的夾斷與沒有溝道是兩回事。溝道在漏端被夾斷後,並不是不能導電,因為夾斷區實際上就是一個存在電場的耗盡區,只要載流子(多數載流子)一到達耗盡區邊緣,就立即被電場掃到集電極而輸出電流。所以,溝道在一端被夾斷後的導電性能將更好(導電性決定於未被夾斷的部分溝道),這與完全沒有溝道的截止狀態完全不同。
對於JFET,其線性導通和飽和導通的情況與MOSFET的相同。
總之,飽和狀態對於BJT是導通(“開”態)工作模式,而對於FET是放大工作模式(溝道未夾斷的線性區才是其“開”態)。

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