三極管和MOS管工作原理詳細(xì)解析-KIA MOS管

三極管和MOS管工作原理

PN結(jié)的形成:PN結(jié)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(jié)形成的原理和工作特性。

本征半導(dǎo)體以及空穴對(duì)

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

在低溫下這種結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)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(nèi)的，所以宏觀上晶體依舊是電中性。但是從微觀上看自由電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電荷。正是由于晶體還是呈現(xiàn)電中性，所以空穴和自由電子的一定是成對(duì)出現(xiàn)的，于是稱(chēng)之為空穴對(duì)。

在出現(xiàn)空穴對(duì)后，其他位置上的電子有可能填補(bǔ)空穴，從而又形成新的空穴。以此往復(fù)就形成了空穴運(yùn)動(dòng)，其示意圖如圖3所示。

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

雜質(zhì)半導(dǎo)體

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

在本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)元素磷、砷后，稱(chēng)為N型半導(dǎo)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(dǎo)體中出現(xiàn)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(xiàn)相應(yīng)的空穴。于是在N型半導(dǎo)體中，用于導(dǎo)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(shù)載流子，又稱(chēng)為少子。

相應(yīng)的在本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)元素硼、銦后，稱(chēng)為P型半導(dǎo)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(dǎo)體中多子為空穴，少子為自由電子。以下兩點(diǎn)說(shuō)明對(duì)于理解這一部分非常有用：

1.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是電中性的，所謂的P和N不代表電性，代表的是多數(shù)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(nèi)部，負(fù)電荷可分（每個(gè)電子帶一個(gè)負(fù)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(yùn)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(kuò)散與漂移—PN結(jié)的形成

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(qū)中有很多空穴，N區(qū)中有很多自由電子。于是很自然地自由電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，與空穴結(jié)合。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為擴(kuò)散現(xiàn)象。

本來(lái)的P區(qū)和N區(qū)都是電中性的，由于自由電子的擴(kuò)散，必然導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)部的電中性被破壞，從而在導(dǎo)體內(nèi)PN結(jié)處形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，如圖7所示。

從內(nèi)電場(chǎng)的方向可以看出是阻止自由電子進(jìn)入P區(qū)的，由內(nèi)電場(chǎng)導(dǎo)致的載流子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是相反的，于是在PN區(qū)連接處兩種運(yùn)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(qū)"，這個(gè)區(qū)域就稱(chēng)為"PN結(jié)"或者"耗盡層"。

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

雖然無(wú)論是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)還是漂移運(yùn)動(dòng)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)的都是電子。但是為了區(qū)別擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)，常常會(huì)將擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為多子運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閿U(kuò)散是本區(qū)域中的多子進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的過(guò)程；相應(yīng)的漂移運(yùn)動(dòng)就成為少子運(yùn)動(dòng)。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/span>

當(dāng)給PN結(jié)加正向電壓，即與內(nèi)電場(chǎng)方向相反的外加電場(chǎng)時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，最終的結(jié)果是N區(qū)的電子不斷的進(jìn)入P區(qū)，且N區(qū)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(nèi)電場(chǎng)方向相同，導(dǎo)致的是多子難以擴(kuò)散，少子的漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。但是由于少子數(shù)量極少，所以無(wú)法形成持續(xù)不斷的電流，此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

單向?qū)щ娦允荘N結(jié)最為重要的特性，也是后面所以討論的基礎(chǔ)。

三極管的工作原理及特性

三極管之所以運(yùn)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(jié)構(gòu)與符號(hào)

三極管內(nèi)部機(jī)構(gòu)要求：（此處只說(shuō)結(jié)論）

1.發(fā)射區(qū)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(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)微米，且參雜濃度極低。

3.集電區(qū)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(hào)放大、直流信號(hào)放大和電路開(kāi)關(guān)。同時(shí)三極管有三個(gè)工作區(qū)間，分別是：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。

這里首先介紹的就是交流信號(hào)放大、直流信號(hào)放大的放大功能，此時(shí)三極管工作在放大區(qū)。工作在放大區(qū)的三極管需要給發(fā)射極設(shè)置正向偏置、給集電極設(shè)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(shù)載流子（無(wú)論是P的空穴還是N的自由電子）會(huì)不斷擴(kuò)散到基極，并不斷從電源補(bǔ)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(kuò)散過(guò)來(lái)的多子只有很少一部分和基極的多子復(fù)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(xù)擴(kuò)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(qū)別

1.場(chǎng)效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對(duì)應(yīng)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(yīng)管是電壓控制電流器件，場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)該是一場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管更大的放大倍數(shù)。

3.場(chǎng)效應(yīng)管是利用多子導(dǎo)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(yīng)管相比于三極管溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。

4.當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)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(shè)計(jì)差異很大，不能互換。

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

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