雙極性晶體管和mos區別與比較-雙極性晶體管和mos知識概述-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-03
雙極性晶體管和mos區別到底在哪里呢？本文將雙極性晶體管和mos的基本工作原理、結構等基本知識概述的很清楚。雙極性晶體管（英語(yǔ)：bipolar transistor），全稱(chēng)雙極性結型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱(chēng)三極管，是一種具有三個(gè)終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動(dòng)主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動(dòng)。
這種晶體管的工作，同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子的流動(dòng)，因此它被稱(chēng)為雙極性的，所以也稱(chēng)雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場(chǎng)效應管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類(lèi)載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN結形成。
雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來(lái)構成放大器電路，或驅動(dòng)揚聲器、電動(dòng)機等設備，并被廣泛地應用于航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產(chǎn)品中。
NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽(yáng)極的兩個(gè)二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結（稱(chēng)這個(gè)PN結為“發(fā)射結”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱(chēng)這個(gè)PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒(méi)有外加電壓時(shí)，發(fā)射結N區的電子（這一區域的多數載流子）濃度大于P區的電子濃度，部分電子將擴散到P區。同理，P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣，發(fā)射結上將形成一個(gè)空間電荷區（也成為耗盡層），產(chǎn)生一個(gè)內在的電場(chǎng)，其方向由N區指向P區，這個(gè)電場(chǎng)將阻礙上述擴散過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達成動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結上，上述載流子擴散運動(dòng)和耗盡層中內在電場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，這樣會(huì )使熱激發(fā)電子注入基極區域。在NPN型晶體管里，基區為P型摻雜，這里空穴為多數摻雜物質(zhì)，因此在這區域電子被稱(chēng)為“少數載流子”。
從發(fā)射極被注入到基極區域的電子，一方面與這里的多數載流子空穴發(fā)生復合，另一方面，由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過(guò)漂移運動(dòng)抵達集電極區域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發(fā)生的復合，晶體管的基極區域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時(shí)間短于半導體少數載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長(cháng)度（diffusion length，參見(jiàn)菲克定律）。在現代的雙極性晶體管中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區分開(kāi)來(lái)。
一個(gè)雙極性晶體管由三個(gè)不同的摻雜半導體區域組成，它們分別是發(fā)射極區域、基極區域和集電極區域。這些區域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個(gè)半導體區域都有一個(gè)引腳端接出，通常用字母E、B和C來(lái)表示發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。
基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著(zhù)基極區域，由于集電結反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數值。從右邊這個(gè)典型NPN型雙極性晶體管的截面簡(jiǎn)圖可以看出，集電結的面積大于發(fā)射結。此外，發(fā)射極具有相當高的摻雜濃度。
NPN型
NPN型晶體管是兩種類(lèi)型雙極性晶體管的其中一種，由兩層N型摻雜區域和介于二者之間的一層P型摻雜半導體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產(chǎn)生較大的集電極-發(fā)射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發(fā)射極電壓，并且集電極電壓高于基極電壓，則晶體管處于正向放大狀態(tài)。在這一狀態(tài)中，晶體管集電極和發(fā)射極之間存在電流。被放大的電流，是發(fā)射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載流子），在電場(chǎng)的推動(dòng)下漂移到集電極的結果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現在使用的大多數雙極性晶體管為NPN型。
PNP型
雙極性晶體管的另一種類(lèi)型為PNP型，由兩層P型摻雜區域和介于二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經(jīng)基極的微小電流可以在發(fā)射極端得到放大。也就是說(shuō)，當PNP型晶體管的基極電壓低于發(fā)射極時(shí)，集電極電壓低于基極，晶體管處于正向放大區。
在雙極性晶體管電學(xué)符號中，基極和發(fā)射極之間的箭頭指向電流的方向，這里的電流為電子流動(dòng)的反方向。與NPN型相反，PNP型晶體管的箭頭從發(fā)射極指向基極。
異質(zhì)結雙極性晶體管（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性晶體管，它具有高速工作的能力。研究發(fā)現，這種晶體管可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻信號，因此它適用于射頻功率放大、激光驅動(dòng)等對工作速度要求苛刻的應用。
異質(zhì)結是PN結的一種，這種結的兩端由不同的半導體材料制成。在這種雙極性晶體管中，發(fā)射結通常采用異質(zhì)結結構，即發(fā)射極區域采用寬禁帶材料，基極區域采用窄禁帶材料。常見(jiàn)的異質(zhì)結用砷化鎵（GaAs）制造基極區域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）制造發(fā)射極區域。采用這樣的異質(zhì)結，雙極性晶體管的注入效率可以得到提升，電流增益也可以提高幾個(gè)數量級。
采用異質(zhì)結的雙極性晶體管基極區域的摻雜濃度可以大幅提升，這樣就可以降低基極電極的電阻，并有利于降低基極區域的寬度。在傳統的雙極性晶體管，即同質(zhì)結晶體管中，發(fā)射極到基極的載流子注入效率主要是由發(fā)射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下，為了得到較高的注入效率，必須對基極區域進(jìn)行輕摻雜，這樣就不可避免地使增大了基極電阻。
如左邊的示意圖中，代表空穴從基極區域到達發(fā)射極區域跨越的勢差；而則代表電子從發(fā)射極區域到達基極區域跨越的勢差。由于發(fā)射結具有異質(zhì)結的結構，可以使，從而提高了發(fā)射極的注入效率。在基極區域里，半導體材料的組分分布不均，造成緩變的基極區域禁帶寬度，其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度，可以為少數載流子提供一個(gè)內在電場(chǎng)，使它們加速通過(guò)基極區域。這個(gè)漂移運動(dòng)將與擴散運動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作用，減少電子通過(guò)基極區域的渡越時(shí)間，從而改善雙極性晶體管的高頻性能。
盡管有許多不同的半導體可用來(lái)構成異質(zhì)結晶體管，硅-鍺異質(zhì)結晶體管和鋁-砷化鎵異質(zhì)結晶體管更常用。制造異質(zhì)結晶體管的工藝為晶體外延技術(shù)，例如金屬有機物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。
集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制，這相當于將雙極性晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)射結電壓的控制，即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實(shí)上，這兩種思考方式可以通過(guò)基極-發(fā)射極結上的電流電壓關(guān)系相互關(guān)聯(lián)起來(lái)，而這種關(guān)系可以用PN結的電流-電壓曲線(xiàn)表示。
人們曾經(jīng)建立過(guò)多種數學(xué)模型，用來(lái)描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布來(lái)精確地解釋晶體管的行為。上述有關(guān)電荷控制的觀(guān)點(diǎn)可以處理有關(guān)光電二極管的問(wèn)題，這種二極管基極區域的少數載流子是通過(guò)吸收光子（即上一段提到的光注入）產(chǎn)生的。電荷控制模型還能處理有關(guān)關(guān)斷、恢復時(shí)間等動(dòng)態(tài)問(wèn)題，這些問(wèn)題都與基極區域電子和空穴的復合密切相關(guān)。然而，由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀(guān)察，因此，在實(shí)際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀(guān)點(diǎn)應用更為普遍。
在模擬電路設計中，有時(shí)會(huì )采用電流控制的觀(guān)點(diǎn)，這是因為在一定范圍內，雙極性晶體管具有近似線(xiàn)性的特征。在這個(gè)范圍（下文將提到，這個(gè)范圍叫做“放大區”）內，集電極電流近似等于基極電流的倍，這對人們分析問(wèn)題、控制電路功能有極大的便利。在設計有的基本電路時(shí)，人們假定發(fā)射極-基極電壓為近似恒定值（如），這時(shí)集電極電流近似等于基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。
然而，在真實(shí)的情況中，雙極性晶體管是一種較為復雜的非線(xiàn)性器件，如果偏置電壓分配不當，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性晶體管電路，必須采用電壓控制的觀(guān)點(diǎn)（例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個(gè)指數函數來(lái)描述電壓、電流關(guān)系，在一定范圍內，函數關(guān)系為近似線(xiàn)性，可以將晶體管視為一個(gè)電導元件。這樣，諸如差動(dòng)放大器等電路的設計就簡(jiǎn)化為了線(xiàn)性問(wèn)題，所以近似的電壓控制觀(guān)點(diǎn)也常被選用。對于跨導線(xiàn)性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線(xiàn)對于分析器件工作十分關(guān)鍵，因此通常將它視為一個(gè)跨導與集電極電流成比例的電壓控制模型。
晶體管級別的電路設計主要使用SPICE或其他類(lèi)似的模擬電路仿真器進(jìn)行，因此對于設計者來(lái)說(shuō)，模型的復雜程度并不會(huì )帶來(lái)太大的問(wèn)題。但在以人工分析模擬電路的問(wèn)題時(shí)，并不總能像處理經(jīng)典的電路分析那樣采取精確計算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。
N溝道MOS管結構示意圖和符號
MOS場(chǎng)效應三極管分為：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見(jiàn)上圖。其中：電極 D（Drain） 稱(chēng)為漏極，相當雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱(chēng)為柵極，相當于的基極；
電極 S（Source）稱(chēng)為源極，相當于發(fā)射極。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構成了一個(gè)N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠(chǎng)前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會(huì )在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會(huì )減小導通損耗?，F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
MOS管最顯著(zhù)的特性是開(kāi)關(guān)特性好，所以被廣泛應用在需要電子開(kāi)關(guān)的電路中，常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源，也有照明調光。
現在的MOS驅動(dòng)，有幾個(gè)特別的需求。1，低壓應用當使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統的圖騰柱結構，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導致實(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標稱(chēng)gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險。 同樣的問(wèn)題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場(chǎng)合。
首先，所謂的雙極性晶體管就是三極管，是一種具有三個(gè)終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動(dòng)主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動(dòng)。
在電路設計當中假設我們想要對電流中止控制，那就少不了三極管的幫助。我們俗稱(chēng)的三極管其全稱(chēng)為半導體三極管，它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著(zhù)許多相近的地方，這就使得一些新手不斷無(wú)法明白兩者之間的區別，本篇文章就
將為大家引見(jiàn)三極管和MOS管的一些不同。
關(guān)于三極管和MOS管的區別，我們簡(jiǎn)單總結了幾句話(huà)便當大家理解。
從性質(zhì)上來(lái)說(shuō)：三極管用電流控制，MOS管屬于電壓控制。
從本錢(qián)上來(lái)說(shuō)：三極管低價(jià)，MOS管貴。
關(guān)于功耗問(wèn)題：三極管損耗大。
驅動(dòng)能力上的的不同：MOS管常用于電源開(kāi)關(guān)以及大電流地方開(kāi)關(guān)電路。
理論上，就是三極管操作便當且價(jià)錢(qián)低廉，經(jīng)常用于數字電路的開(kāi)關(guān)控制當中。而MOS管用于高頻高速電路，大電流場(chǎng)所，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央。所以普通來(lái)說(shuō)低本錢(qián)場(chǎng)所，普通應用的先思索用三極管，不行的話(huà)建議用MOS管。
理論上說(shuō)電流控制慢，電壓控制快這種理解是不對的。要真正理解得了解雙極晶體管和mos晶體管的工作方式才干明白。三極管是靠載流子的運動(dòng)來(lái)工作的，以npn管射極跟隨器為例，當基極加不加電壓時(shí)，基區和發(fā)射區組成的pn結為阻止多子(基區為空穴，發(fā)射區為電子)的擴散運動(dòng)，在此pn結處會(huì )感應出由發(fā)射區指向基區的靜電場(chǎng)(即內建電場(chǎng))，當基極外加正電壓的指向為基區指向發(fā)射區，當基極外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)大于內建電場(chǎng)時(shí)，基區的載流子(電子)才有可能從基區流向發(fā)射區，此電壓的最小值即pn結的正導游通電壓(工程上普通以為0.7v)。
但此時(shí)每個(gè)pn結的兩側都會(huì )有電荷存在，此時(shí)假設集電極-發(fā)射極加正電壓，在電場(chǎng)作用下，發(fā)射區的電子往基區運動(dòng)(理論上都是電子的反方向運動(dòng))，由于基區寬度很小，電子很容易越過(guò)基區抵達集電區，并與此處的PN的空穴復合(靠近集電極)，為維持平衡，在正電場(chǎng)的作用下集電區的電子加速外集電極運動(dòng)，而空穴則為pn結處運動(dòng)，此過(guò)程類(lèi)似一個(gè)雪崩過(guò)程。
集電極的電子經(jīng)過(guò)電源回到發(fā)射極，這就是晶體管的工作原理。三極管工作時(shí)，兩個(gè)pn結都會(huì )感應出電荷，當開(kāi)關(guān)管處于導通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，假設這時(shí)三極管截至，pn結感應的電荷要恢復到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程需求時(shí)間。而MOS與三極管工作方式不同，沒(méi)有這個(gè)恢復時(shí)間，因此可以用作高速開(kāi)關(guān)管。
下面針對一些電路設計當中會(huì )呈現的情況，列出了幾種MOS管和三級管的選擇規律：
(1)MOS管是電壓控制元件，而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用MOS管;而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用三極管。
(2)電力電子技術(shù)中提及的單極器件是指只靠一種載流子導電的器件，雙極器件是指靠?jì)煞N載流子導電的器件。MOS管是應用一種多數載流子導電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而三極管是既有多數載流子，也應用少數載流子導電。被稱(chēng)之為雙極型器件。
(3)有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵壓也可正可負，靈活性比三極管好。
(4)MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很便當地把很多MOS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應用。
(5)MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而也被普遍應用于各種電子設備中。特別用MOS管做整個(gè)電子設備的輸入級，可以獲得普通三極管很難抵達的性能。
(6)MOS管分紅結型和絕緣柵型兩大類(lèi)，其控制原理都是一樣的。
本篇文章與眾不同的是，并沒(méi)有用過(guò)多的篇幅對MOS管和三極管在概念上的區別進(jìn)行對比。而是從實(shí)踐出發(fā)，用實(shí)際發(fā)生的情況和現象來(lái)對兩者進(jìn)行區分，比單純概念性上的講解更加容易理解并方便記憶。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
