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)）完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體稱為本征半導體。主要常見代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結構。硅、鍺都是4價原子，在半導體內部形成相對穩(wěn)定的共價鍵結構，如圖1所示。

在低溫下這種結構相對穩(wěn)定，但如果溫度增高，束縛電子獲得足夠能量后會脫離共價鍵形成自由電子。同時在原來共價鍵的位置會留下一個空穴，如圖2所示。

從宏觀上來說，自由電子雖然脫離了共價鍵，但是還是在晶體范圍內的，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，其示意圖如圖3所示。

空穴對的一個很重要的意義在于提高了導電能力。也就是說如果在晶體內全部都是完好的共價鍵是沒有辦法導電的。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。

雜質半導體

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

在本征半導體中加入五價元素磷、砷后，稱為N型半導體。加入的這些元素原子與周圍的四價原子形成共價鍵之后會多出來一個自由電子，如下圖所示。

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

相應的在本征半導體中加入三價元素硼、銦后，稱為P型半導體。加入的這些元素原子與周圍的四價原子形成共價鍵之后會多出來一個自由電子，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。以下兩點說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.加入這些雜質元素后就會形成多余載流子（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（每個電子帶一個負電荷），正電荷不可分（全部集中于原子核）。

3.空穴本身無法運動，所以空穴作為載流子的根本還在于吸收電子。也就是說空穴傳輸電流的本質還是電子的移動產生的電流。

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，形成一個特殊的交接面時，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擴散到P區(qū)，與空穴結合。這種現象稱之為擴散現象。

本來的P區(qū)和N區(qū)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結處形成一個內電場，如圖7所示。

從內電場的方向可以看出是阻止自由電子進入P區(qū)的，由內電場導致的載流子的運動稱為漂移運動。漂移運動與擴散運動是相反的，于是在PN區(qū)連接處兩種運動會形成一種動態(tài)平衡。從而形成了一定寬度的"空間電荷區(qū)"，這個區(qū)域就稱為"PN結"或者"耗盡層"。

耗盡層的寬度由擴散運動的強度確定的。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電性能的高低，耗盡層已經達到動態(tài)平衡，基本不導電，自然電阻就很大。

雖然無論是擴散運動還是漂移運動，實際運動的都是電子。但是為了區(qū)別擴散運動和漂移運動，常常會將擴散運動運動稱為多子運動，因為擴散是本區(qū)域中的多子進入對方區(qū)域的過程；相應的漂移運動就成為少子運動。

PN結的單向導電性

當給PN結加正向電壓，即與內電場方向相反的外加電場時，內電場被削弱，最終的結果是N區(qū)的電子不斷的進入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。

如果反過來加反向電壓，即外電場與內電場方向相同，導致的是多子難以擴散，少子的漂移運動加強。但是由于少子數量極少，所以無法形成持續(xù)不斷的電流，此時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小電流控制大電流。形象地說就是基極其是是一個閥門開關，閥門開關控制的是集電極到發(fā)射極之間的電流大小，而本身控制閥門開關的基極的電流要求很小。更加形象的圖形說明如下所示：

三極管的結構與符號

三極管內部機構要求：（此處只說結論）

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)的復合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，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：交流信號放大、直流信號放大和電路開關。同時三極管有三個工作區(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放大、直流信號放大的放大功能，此時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（無論是P的空穴還是N的自由電子）會不斷擴散到基極，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)射極擴散過來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)射極傳來的多子會繼續(xù)擴散到集電極邊緣。由于集電極反偏，所以反偏電壓會將在集電極邊緣的來自發(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.場效應管是電壓控制電流器件，場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有電流的情況下應該是一場效應管；而在允許一定量電流時，選取三極管進行放大可以得到較場效應管更大的放大倍數。

3.場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效應管相比于三極管溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。

4.當場效應管的源極和襯底沒有連接在一起時，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.場效應管的噪聲系數小，在信噪比是主要矛盾時選擇場效應管。

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