三極管和MOS管工作原理詳細解析-KIA MOS管

三極管和MOS管工作原理

PN結的形成:PN結是三極管以及MOS管中最基本的組成部分，要想徹底搞明白三極管和MOS管工作原理，必須先搞清楚PN結形成的原理和工作特性。

本征半導體以及空穴對

本征半導體（intrinsic semiconductor)）完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導體稱(chēng)為本征半導體。主要常見(jiàn)代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結構。硅、鍺都是4價(jià)原子，在半導體內部形成相對穩定的共價(jià)鍵結構，如圖1所示。

在低溫下這種結構相對穩定，但如果溫度增高，束縛電子獲得足夠能量后會(huì )脫離共價(jià)鍵形成自由電子。同時(shí)在原來(lái)共價(jià)鍵的位置會(huì )留下一個(gè)空穴，如圖2所示。

從宏觀(guān)上來(lái)說(shuō)，自由電子雖然脫離了共價(jià)鍵，但是還是在晶體范圍內的，所以宏觀(guān)上晶體依舊是電中性。但是從微觀(guān)上看自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷。正是由于晶體還是呈現電中性，所以空穴和自由電子的一定是成對出現的，于是稱(chēng)之為空穴對。

在出現空穴對后，其他位置上的電子有可能填補空穴，從而又形成新的空穴。以此往復就形成了空穴運動(dòng)，其示意圖如圖3所示。

空穴對的一個(gè)很重要的意義在于提高了導電能力。也就是說(shuō)如果在晶體內全部都是完好的共價(jià)鍵是沒(méi)有辦法導電的。形成了空穴對之后，空穴和自由電子各自都是載流子，都可以運載電荷形成電流。

雜質(zhì)半導體

與完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導體相對，在其中加入一些微量雜質(zhì)就形成了雜質(zhì)半導體。由加入的雜質(zhì)元素不同形成兩種半導體。

在本征半導體中加入五價(jià)元素磷、砷后，稱(chēng)為N型半導體。加入的這些元素原子與周?chē)乃膬r(jià)原子形成共價(jià)鍵之后會(huì )多出來(lái)一個(gè)自由電子，如下圖所示。

于是在N型半導體中出現了大量的不受共價(jià)鍵束縛的自由電子，同時(shí)也沒(méi)有出現相應的空穴。于是在N型半導體中，用于導電的載流子以自由電子居多，稱(chēng)為多子；空穴就成為了少數載流子，又稱(chēng)為少子。

相應的在本征半導體中加入三價(jià)元素硼、銦后，稱(chēng)為P型半導體。加入的這些元素原子與周?chē)?/span>四價(jià)原子形成共價(jià)鍵之后會(huì )多出來(lái)一個(gè)自由電子，如圖5所示。

于是在N型半導體中多子為空穴，少子為自由電子。以下兩點(diǎn)說(shuō)明對于理解這一部分非常有用：

1.N型半導體和P型半導體都是電中性的，所謂的P和N不代表電性，代表的是多數載流子的電性。

2.加入這些雜質(zhì)元素后就會(huì )形成多余載流子（空穴或者自由電子）的更本原因在于在原子內部，負電荷可分（每個(gè)電子帶一個(gè)負電荷），正電荷不可分（全部集中于原子核）。

3.空穴本身無(wú)法運動(dòng)，所以空穴作為載流子的根本還在于吸收電子。也就是說(shuō)空穴傳輸電流的本質(zhì)還是電子的移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

擴散與漂移—PN結的形成

將P型半導體和N型半導體制作在一起，形成一個(gè)特殊的交接面時(shí)，如圖 6所示，P區中有很多空穴，N區中有很多自由電子。于是很自然地自由電子會(huì )擴散到P區，與空穴結合。這種現象稱(chēng)之為擴散現象。

本來(lái)的P區和N區都是電中性的，由于自由電子的擴散，必然導致半導體內部的電中性被破壞，從而在導體內PN結處形成一個(gè)內電場(chǎng)，如圖7所示。

從內電場(chǎng)的方向可以看出是阻止自由電子進(jìn)入P區的，由內電場(chǎng)導致的載流子的運動(dòng)稱(chēng)為漂移運動(dòng)。漂移運動(dòng)與擴散運動(dòng)是相反的，于是在PN區連接處兩種運動(dòng)會(huì )形成一種動(dòng)態(tài)平衡。從而形成了一定寬度的"空間電荷區"，這個(gè)區域就稱(chēng)為"PN結"或者"耗盡層"。

耗盡層的寬度由擴散運動(dòng)的強度確定的。耗盡層的電阻率很高，為高阻區。這是由于電阻的大小反映的是導電性能的高低，耗盡層已經(jīng)達到動(dòng)態(tài)平衡，基本不導電，自然電阻就很大。

雖然無(wú)論是擴散運動(dòng)還是漂移運動(dòng)，實(shí)際運動(dòng)的都是電子。但是為了區別擴散運動(dòng)和漂移運動(dòng)，常常會(huì )將擴散運動(dòng)運動(dòng)稱(chēng)為多子運動(dòng)，因為擴散是本區域中的多子進(jìn)入對方區域的過(guò)程；相應的漂移運動(dòng)就成為少子運動(dòng)。

PN結的單向導電性

當給PN結加正向電壓，即與內電場(chǎng)方向相反的外加電場(chǎng)時(shí)，內電場(chǎng)被削弱，最終的結果是N區的電子不斷的進(jìn)入P區，且N區可以從外加的電源中源源不斷的汲取電子，于是就形成了較大的正向電流，如圖8所示。

如果反過(guò)來(lái)加反向電壓，即外電場(chǎng)與內電場(chǎng)方向相同，導致的是多子難以擴散，少子的漂移運動(dòng)加強。但是由于少子數量極少，所以無(wú)法形成持續不斷的電流，此時(shí)PN結處于截止狀態(tài)。

單向導電性是PN結最為重要的特性，也是后面所以討論的基礎。

三極管的工作原理及特性

三極管之所以運用如此廣泛，其主要原因在于它可以通過(guò)小電流控制大電流。形象地說(shuō)就是基極其是是一個(gè)閥門(mén)開(kāi)關(guān)，閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制的是集電極到發(fā)射極之間的電流大小，而本身控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)的基極的電流要求很小。更加形象的圖形說(shuō)明如下所示：

三極管的結構與符號

三極管內部機構要求：（此處只說(shuō)結論）

1.發(fā)射區參雜濃度很高，以便有足夠的載流子供發(fā)射。

2.為減少載流子在基區的復合機會(huì )，基區做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且參雜濃度極低。

3.集電區體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，參雜濃度介于發(fā)射極與基極之間。

三極管基本工作原理

三極管的主要功能有：交流信號放大、直流信號放大和電路開(kāi)關(guān)。同時(shí)三極管有三個(gè)工作區間，分別是：放大區、飽和區和截止區。

這里首先介紹的就是交流信號放大、直流信號放大的放大功能，此時(shí)三極管工作在放大區。工作在放大區的三極管需要給發(fā)射極設置正向偏置、給集電極設置反向偏置，如圖11所示。

由于發(fā)射極正偏，發(fā)射極的多數載流子（無(wú)論是P的空穴還是N的自由電子）會(huì )不斷擴散到基極，并不斷從電源補充多子，形成發(fā)射極電流IE。

由于基極很薄，且基極的多子濃度很低，所以從發(fā)射極擴散過(guò)來(lái)的多子只有很少一部分和基極的多子復合形成基極電流IB（發(fā)射極和基極的極性一定是相反的，所以各自的多子極性相反）。

而剩余的大部分發(fā)射極傳來(lái)的多子會(huì )繼續擴散到集電極邊緣。由于集電極反偏，所以反偏電壓會(huì )將在集電極邊緣的來(lái)自發(fā)射極的多子拉入集電極，形成較大的集電極電流IC。

三極管和MOS管工作原理

MOS管與三極管的區別

1.場(chǎng)效應管的源極S、柵極G、漏極D分別對應于三極管的發(fā)射極e、基極b和集電極c，作用相似。

2.場(chǎng)效應管是電壓控制電流器件，場(chǎng)效應管的柵極基本不需要電流；而三極管的基極總是需要一些電流的。所以在希望控制端基本沒(méi)有電流的情況下應該是一場(chǎng)效應管；而在允許一定量電流時(shí)，選取三極管進(jìn)行放大可以得到較場(chǎng)效應管更大的放大倍數。

3.場(chǎng)效應管是利用多子導電，三極管是即利用多子又利用少子。少子的濃度收到溫度、輻射等外界條件影響場(chǎng)效應管相比于三極管溫度穩定性好、抗輻射能力強。

4.當場(chǎng)效應管的源極和襯底沒(méi)有連接在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用。而三極管的集電極和設計差異很大，不能互換。

5.場(chǎng)效應管的噪聲系數小，在信噪比是主要矛盾時(shí)選擇場(chǎng)效應管。

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