晶体管的工作状态(或工作模式)有放大状态、截止状态、饱和状态和反向放大状态四种。饱和状态就是晶体管的一种低电压、大电流工作状态(即开态).对于BJT(
双极型晶体管)和对于FET(
场效应晶体管),饱和状态的含义大不相同,要特别注意区分开来。
对于BJT
因为BJT是电流驱动的器件,则其饱和状态就是指电流较大、而电压饱和(基本恒定不变)的一种工作模式.BJT在饱和状态工作时,发射结和集电结都处于正偏,则导电很好、电流较大,这时输出的集电极电流Ic只决定于外电路的参量(Ic=Vcc/RL,式中的Vcc是电源电压,RL是负载电阻),而与输入电流无关(即这时已离开了放大状态);该状态是输出电流大、输出电压低的工作模式,相应于开关的开态.
在BJT的发射极正偏、集电结0偏时,晶体管仍然处于放大状态(输出电流正比于输入电流),但是输出电流已经达到了最大;这时只要集电结电压稍微减小一点而正偏的话,那么晶体管就进入到饱和状态(输出电流与输入电流无关,而由外电路参量决定)。所以把这种发射极正偏、集电结0偏的状态特称为临界饱和状态。
在BJT的输出
伏安特性曲线上,饱和状态即是处在紧靠纵轴(电流轴)的一个小范围内.BJT在饱和状态工作时,总是希望该饱和范围越小越好,即要求输出电压——饱和压降越低越好.因为饱和压降直接关系到集电极串联电阻,故为了降低饱和压降,就需要提高集电区掺杂浓度;但为了提高提高击穿电压,又需要减小集电区掺杂浓度,这是一个矛盾.为解决此矛盾,就发展出了外延片的技术,即是在低阻衬底上生长一层薄的较高电阻率的外延层,然后在外延层上制作BJT;对于集成电路中的BJT来说,因为所有的电极都需要从芯片表面引出,因此在外延的基础上,还需要通过在器件有源区下面加设低阻埋层来减小集电极串联电阻.总之,在
集成电路芯片中采用外延层和埋层的目的,都是为了在保持较高击穿电压的条件下来减小集电极串联电阻、以降低饱和压降.
对于FET
(包括JFET和MOSFET等)
因为FET是电压驱动的器件,则其饱和状态就是指电压较大、而电流饱和(基本恒定不变)的一种工作模式.
对于增强型n-FET,在栅电压为0时不存在沟道,只有正的栅极电压大于阈值电压Vt时才出现沟道(故这时的阈值电压也称为“开启电压”);当“源漏电压Vds≥栅源电压Vgs减去开启电压Vt”时,沟道即在靠近漏极处被夹断,晶体管就进入饱和工作状态。饱和状态的输出电流基本上由未被夹断的沟道部分的电阻来决定。在不考虑沟道长度调制效应时,则输出电流与源-漏电压无关,即输出电流饱和;但是此饱和的输出电流要受到栅极电压控制(饱和时的栅极跨导最大)。在输出
伏安特性曲线上,饱和状态即是处在电流饱和的区域(即特性曲线是水平的区域);实际上,FET的饱和状态也就是常常采用的一种放大工作的状态(这与BJT的工作状态名称不同),因为FET在饱和状态时的跨导最大。
对于耗尽型n-MOSFET,在栅电压为0时即存在电子导电的沟道,就是线性导通状态;只有加上一定的栅极电压(负电压)后才能使沟道消失(整个沟道夹断),这时的栅电压称为”夹断电压”Vp,也就是耗尽型FET的阈值电压,当“源漏电压Vds≥夹断电压Vp减去栅源电压Vgs”时,沟道即在靠近漏极处被夹断,晶体管就进入饱和导通状态,输出电流最大、并饱和,同时跨导也最高——放大工作区。
值得注意,FET在饱和状态时沟道的夹断与没有沟道是两回事。沟道在漏端被夹断后,并不是不能导电,因为夹断区实际上就是一个存在电场的耗尽区,只要载流子(
多数载流子)一到达耗尽区边缘,就立即被电场扫到集电极而输出电流。所以,沟道在一端被夹断后的导电性能将更好(导电性决定于未被夹断的部分沟道),这与完全没有沟道的截止状态完全不同。
对于JFET,其线性导通和饱和导通的情况与MOSFET的相同。
总之,饱和状态对于BJT是导通(“开”态)工作模式,而对于FET是放大工作模式(沟道未夹断的线性区才是其“开”态)。