双(shuang)(shuang)极性晶体(ti)管(guan)和mos区别与比较-双(shuang)(shuang)极性晶体(ti)管(guan)和mos知识概述(shu)-KIA MOS管(guan)
信(xin)息来源(yuan)：本站 日期：2019-01-03
双(shuang)极性晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)mos区别到底在哪里(li)呢？本文将双(shuang)极性晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)(he)mos的(de)基本工(gong)作原理、结(jie)构等基本知识概述的(de)很清(qing)楚(chu)。双(shuang)极性晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（英语：bipolar transistor），全称(cheng)双(shuang)极性结(jie)型(xing)晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（bipolar junction transistor, BJT），俗称(cheng)三极管(guan)(guan)(guan)(guan)，是一种具(ju)有(you)三个终端的(de)电子(zi)器件，由三部分(fen)掺杂程(cheng)度(du)不同的(de)半导(dao)体(ti)(ti)制成(cheng)，晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)中的(de)电荷流(liu)(liu)动主要是由于载(zai)流(liu)(liu)子(zi)在PN结(jie)处的(de)扩(kuo)散作用和(he)(he)漂移运动。
这种晶体管的(de)工(gong)作，同(tong)时(shi)涉及(ji)电子和(he)空穴(xue)两种载(zai)流(liu)(liu)(liu)子的(de)流(liu)(liu)(liu)动，因此它被称为双(shuang)极(ji)性的(de)，所以(yi)也称双(shuang)极(ji)性载(zai)流(liu)(liu)(liu)子晶体管。这种工(gong)作方式(shi)与诸(zhu)如(ru)场效应管的(de)单极(ji)性晶体管不(bu)同(tong)，后者的(de)工(gong)作方式(shi)仅涉及(ji)单一种类载(zai)流(liu)(liu)(liu)子的(de)漂(piao)移作用。两种不(bu)同(tong)掺杂物聚集区域之(zhi)间的(de)边界由PN结形成。
双极(ji)性晶体管(guan)能够放大信号，并(bing)且具有(you)较好的功率(lv)控制、高(gao)速(su)工作(zuo)以(yi)及(ji)耐久能力(li)，所以(yi)它常(chang)被(bei)用(yong)来构成(cheng)放大器(qi)(qi)电路，或驱(qu)动扬声器(qi)(qi)、电动机(ji)(ji)等设(she)备，并(bing)被(bei)广泛(fan)地应用(yong)于航(hang)空航(hang)天工程、医疗(liao)器(qi)(qi)械和机(ji)(ji)器(qi)(qi)人等应用(yong)产品中(zhong)。
NPN型(xing)双(shuang)极(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)可以视为共(gong)用阳极(ji)(ji)的(de)(de)两(liang)个(ge)(ge)二极(ji)(ji)管(guan)接合在一(yi)(yi)起。在双(shuang)极(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)(de)正常工作状态下(xia)，基(ji)极(ji)(ji)-发(fa)(fa)射极(ji)(ji)结(jie)（称(cheng)这个(ge)(ge)PN结(jie)为“发(fa)(fa)射结(jie)”）处于正向(xiang)偏(pian)置状态，而(er)(er)基(ji)极(ji)(ji)-集电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)（称(cheng)这个(ge)(ge)PN结(jie)为“集电(dian)(dian)(dian)结(jie)”）则(ze)处于反向(xiang)偏(pian)置状态。在没有(you)外(wai)加电(dian)(dian)(dian)压时，发(fa)(fa)射结(jie)N区(qu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)（这一(yi)(yi)区(qu)域的(de)(de)多数(shu)载(zai)流子(zi)）浓度大(da)于P区(qu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)浓度，部(bu)分电(dian)(dian)(dian)子(zi)将扩散(san)(san)到P区(qu)。同理，P区(qu)的(de)(de)部(bu)分空穴(xue)也(ye)将扩散(san)(san)到N区(qu)。这样(yang)，发(fa)(fa)射结(jie)上将形成一(yi)(yi)个(ge)(ge)空间(jian)电(dian)(dian)(dian)荷区(qu)（也(ye)成为耗尽层），产生一(yi)(yi)个(ge)(ge)内在的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)，其方向(xiang)由N区(qu)指向(xiang)P区(qu)，这个(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)场(chang)将阻碍上述(shu)扩散(san)(san)过程(cheng)的(de)(de)进一(yi)(yi)步(bu)发(fa)(fa)生，从而(er)(er)达成动(dong)态平(ping)衡。这时，如果把(ba)一(yi)(yi)个(ge)(ge)正向(xiang)电(dian)(dian)(dian)压施(shi)加在发(fa)(fa)射结(jie)上，上述(shu)载(zai)流子(zi)扩散(san)(san)运(yun)动(dong)和耗尽层中内在电(dian)(dian)(dian)场(chang)之(zhi)间(jian)的(de)(de)动(dong)态平(ping)衡将被打破，这样(yang)会使热(re)激发(fa)(fa)电(dian)(dian)(dian)子(zi)注入基(ji)极(ji)(ji)区(qu)域。在NPN型(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)里，基(ji)区(qu)为P型(xing)掺杂，这里空穴(xue)为多数(shu)掺杂物(wu)质，因此在这区(qu)域电(dian)(dian)(dian)子(zi)被称(cheng)为“少数(shu)载(zai)流子(zi)”。
从发射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)被注(zhu)(zhu)入到(dao)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，一(yi)方面与这(zhei)里(li)的(de)(de)(de)(de)多数(shu)载流子(zi)(zi)(zi)空穴发生(sheng)复合(he)，另一(yi)方面，由于(yu)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域掺(chan)(chan)杂(za)程度低、物(wu)理尺寸(cun)薄(bo)，并且集(ji)(ji)电(dian)(dian)结处于(yu)反(fan)向(xiang)偏置状态(tai)，大部分电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)将通过(guo)漂移运动抵达集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域，形(xing)成集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流。为(wei)了尽(jin)量缓解电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)在(zai)到(dao)达集(ji)(ji)电(dian)(dian)结之前发生(sheng)的(de)(de)(de)(de)复合(he)，晶体(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域必(bi)须(xu)制造得足够(gou)薄(bo)，以至(zhi)于(yu)载流子(zi)(zi)(zi)扩散所需的(de)(de)(de)(de)时(shi)间短于(yu)半导体(ti)(ti)少数(shu)载流子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)寿命，同(tong)时(shi)，基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)厚度必(bi)须(xu)远小(xiao)于(yu)电(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)扩散长度（diffusion length，参见(jian)菲克定律）。在(zai)现代的(de)(de)(de)(de)双极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶体(ti)(ti)管(guan)中，基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域厚度的(de)(de)(de)(de)典型值(zhi)为(wei)十分之几(ji)微米(mi)。需要注(zhu)(zhu)意(yi)的(de)(de)(de)(de)是(shi)，集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)、发射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)虽(sui)然都是(shi)N型掺(chan)(chan)杂(za)，但是(shi)二(er)者掺(chan)(chan)杂(za)程度、物(wu)理属性并不相同(tong)，因此(ci)必(bi)须(xu)将双极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶体(ti)(ti)管(guan)与两个相反(fan)方向(xiang)二(er)极(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)串联在(zai)一(yi)起的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)区(qu)分开来。
一个双极(ji)性晶体(ti)管由三个不(bu)同(tong)的掺杂半导体(ti)区(qu)(qu)(qu)域(yu)组成，它们(men)分别(bie)是发(fa)射极(ji)区(qu)(qu)(qu)域(yu)、基(ji)极(ji)区(qu)(qu)(qu)域(yu)和(he)集(ji)电极(ji)区(qu)(qu)(qu)域(yu)。这些区(qu)(qu)(qu)域(yu)在NPN型(xing)(xing)晶体(ti)管中分别(bie)是N型(xing)(xing)、P型(xing)(xing)和(he)N型(xing)(xing)半导体(ti)，而在PNP型(xing)(xing)晶体(ti)管中则分别(bie)是P型(xing)(xing)、N型(xing)(xing)和(he)P型(xing)(xing)半导体(ti)。每一个半导体(ti)区(qu)(qu)(qu)域(yu)都有一个引脚(jiao)端接出，通常用字母E、B和(he)C来表示发(fa)射极(ji)（Emitter）、基(ji)极(ji)（Base）和(he)集(ji)电极(ji)（Collector）。
基极(ji)(ji)的物(wu)理位置在发射(she)极(ji)(ji)和集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)之间，它由(you)轻掺杂、高(gao)(gao)电(dian)(dian)(dian)阻率的材料(liao)制成。集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)包围着基极(ji)(ji)区(qu)域(yu)，由(you)于集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)结反向偏置，电(dian)(dian)(dian)子很难(nan)从这(zhei)里被(bei)注入到基极(ji)(ji)区(qu)域(yu)，这(zhei)样(yang)就造成共基极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流增益(yi)约等于1，而(er)共射(she)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流增益(yi)取得较大的数值。从右边这(zhei)个典型NPN型双极(ji)(ji)性(xing)晶体管的截(jie)面(mian)简(jian)图可以看出，集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)结的面(mian)积大于发射(she)结。此外，发射(she)极(ji)(ji)具(ju)有相当(dang)高(gao)(gao)的掺杂浓(nong)度。
NPN型
NPN型晶(jing)体(ti)管(guan)是两种类(lei)型双极(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)其中(zhong)一种，由两层(ceng)N型掺杂区(qu)(qu)域和介于(yu)(yu)(yu)二者之间(jian)的(de)一层(ceng)P型掺杂半导体(ti)（基(ji)极(ji)(ji)）组成。输入到(dao)基(ji)极(ji)(ji)的(de)微小电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)将被放大(da)(da)，产生(sheng)较(jiao)大(da)(da)的(de)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)-发(fa)(fa)射(she)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。当NPN型晶(jing)体(ti)管(guan)基(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)高于(yu)(yu)(yu)发(fa)(fa)射(she)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，并且(qie)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)高于(yu)(yu)(yu)基(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，则晶(jing)体(ti)管(guan)处于(yu)(yu)(yu)正(zheng)向(xiang)放大(da)(da)状态。在(zai)(zai)这(zhei)一状态中(zhong)，晶(jing)体(ti)管(guan)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)和发(fa)(fa)射(she)极(ji)(ji)之间(jian)存在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。被放大(da)(da)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，是发(fa)(fa)射(she)极(ji)(ji)注入到(dao)基(ji)极(ji)(ji)区(qu)(qu)域的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子（在(zai)(zai)基(ji)极(ji)(ji)区(qu)(qu)域为(wei)少数载流(liu)子），在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)场的(de)推(tui)动(dong)下漂移(yi)到(dao)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)的(de)结果。由于(yu)(yu)(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)子迁移(yi)率比(bi)空穴迁移(yi)率更(geng)高，因此现在(zai)(zai)使用的(de)大(da)(da)多数双极(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)为(wei)NPN型。
PNP型
双(shuang)极(ji)(ji)性晶(jing)体管的另一种(zhong)类型为(wei)PNP型，由(you)两(liang)层P型掺杂(za)区域(yu)和介于(yu)二(er)者(zhe)之(zhi)间的一层N型掺杂(za)半导(dao)体组成。流经基极(ji)(ji)的微(wei)小(xiao)电流可(ke)以在发(fa)射(she)极(ji)(ji)端得到放大。也就是说，当PNP型晶(jing)体管的基极(ji)(ji)电压低(di)于(yu)发(fa)射(she)极(ji)(ji)时，集电极(ji)(ji)电压低(di)于(yu)基极(ji)(ji)，晶(jing)体管处于(yu)正向放大区。
在双极性晶体(ti)管(guan)电(dian)学符号中，基(ji)极和(he)发(fa)(fa)射(she)极之间(jian)的箭(jian)头指向电(dian)流的方(fang)向，这里的电(dian)流为(wei)电(dian)子流动的反方(fang)向。与NPN型(xing)相反，PNP型(xing)晶体(ti)管(guan)的箭(jian)头从发(fa)(fa)射(she)极指向基(ji)极。
异质结双(shuang)极性(xing)晶体(ti)管(guan)(guan)（heterojunction bipolar transistor）是(shi)一种(zhong)改良的(de)(de)双(shuang)极性(xing)晶体(ti)管(guan)(guan)，它具有高速工作(zuo)的(de)(de)能力。研究(jiu)发(fa)现(xian)，这(zhei)种(zhong)晶体(ti)管(guan)(guan)可以处(chu)理(li)频(pin)率(lv)高达几(ji)百GHz的(de)(de)超高频(pin)信(xin)号(hao)，因此它适(shi)用(yong)于射频(pin)功率(lv)放(fang)大、激光驱(qu)动等对工作(zuo)速度要求苛刻的(de)(de)应用(yong)。
异(yi)质(zhi)结(jie)是(shi)PN结(jie)的(de)一种(zhong)，这(zhei)种(zhong)结(jie)的(de)两(liang)端由不同的(de)半(ban)导体材料制(zhi)(zhi)(zhi)成(cheng)。在这(zhei)种(zhong)双(shuang)极(ji)性晶体管(guan)中，发(fa)射结(jie)通常采用(yong)(yong)异(yi)质(zhi)结(jie)结(jie)构，即发(fa)射极(ji)区域(yu)采用(yong)(yong)宽禁带(dai)材料，基极(ji)区域(yu)采用(yong)(yong)窄禁带(dai)材料。常见的(de)异(yi)质(zhi)结(jie)用(yong)(yong)砷化镓(jia)（GaAs）制(zhi)(zhi)(zhi)造基极(ji)区域(yu)，用(yong)(yong)铝-镓(jia)-砷固溶体（AlxGa1-xAs）制(zhi)(zhi)(zhi)造发(fa)射极(ji)区域(yu)。采用(yong)(yong)这(zhei)样(yang)的(de)异(yi)质(zhi)结(jie)，双(shuang)极(ji)性晶体管(guan)的(de)注入效率可以得(de)到提升，电流增(zeng)益也可以提高几个数量级。
采用异质结(jie)的(de)(de)双(shuang)(shuang)极(ji)(ji)(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体管(guan)基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域(yu)的(de)(de)掺(chan)杂浓度(du)可以(yi)大幅(fu)提升，这(zhei)样就可以(yi)降低基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)电(dian)(dian)阻，并(bing)有利于降低基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域(yu)的(de)(de)宽度(du)。在传(chuan)统的(de)(de)双(shuang)(shuang)极(ji)(ji)(ji)(ji)性(xing)晶(jing)体管(guan)，即同质结(jie)晶(jing)体管(guan)中(zhong)，发射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)到基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)载流子注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)效率(lv)主要是由发射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)和基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)掺(chan)杂比(bi)例决定(ding)的(de)(de)。在这(zhei)种情况(kuang)下，为(wei)了(le)得到较高的(de)(de)注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)效率(lv)，必须对基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域(yu)进行轻掺(chan)杂，这(zhei)样就不可避免(mian)地(di)使(shi)增大了(le)基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)阻。
如左边的(de)(de)示意图中，代(dai)表空穴从(cong)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)到达发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)跨(kua)(kua)越(yue)的(de)(de)势差；而(er)则代(dai)表电(dian)子从(cong)发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)到达基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)跨(kua)(kua)越(yue)的(de)(de)势差。由(you)于发(fa)射(she)结具(ju)有异(yi)质结的(de)(de)结构，可以使，从(cong)而(er)提高了发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)的(de)(de)注入效率。在(zai)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)里，半(ban)导体材料(liao)的(de)(de)组分分布(bu)不均，造成缓变的(de)(de)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)禁(jin)带宽度(du)，其(qi)梯度(du)为以表示。这(zhei)一缓变禁(jin)带宽度(du)，可以为少数载(zai)流子提供(gong)一个内在(zai)电(dian)场，使它们加速通(tong)过基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)。这(zhei)个漂移运动(dong)将与扩散(san)运动(dong)产生协同作用，减少电(dian)子通(tong)过基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)渡越(yue)时间，从(cong)而(er)改(gai)善双极(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体管的(de)(de)高频性能。
尽管有(you)许多(duo)不同的半导(dao)体(ti)可用来构成异(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)(jie)(jie)晶(jing)体(ti)管，硅(gui)-锗异(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)(jie)(jie)晶(jing)体(ti)管和铝(lv)-砷化(hua)镓(jia)异(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)(jie)(jie)晶(jing)体(ti)管更常用。制造异(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)(jie)(jie)晶(jing)体(ti)管的工艺为晶(jing)体(ti)外(wai)延技术，例如金属有(you)机(ji)物气(qi)相外(wai)延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外(wai)延。
集(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)-发射极(ji)电(dian)(dian)(dian)流可(ke)以视为受基极(ji)-发射极(ji)电(dian)(dian)(dian)流的(de)控制，这(zhei)相(xiang)(xiang)当于(yu)将(jiang)双极(ji)性晶体(ti)管视为一种(zhong)“电(dian)(dian)(dian)流控制”的(de)器(qi)件。还可(ke)以将(jiang)它(ta)(ta)看(kan)作是受发射结电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)控制，即将(jiang)它(ta)(ta)看(kan)做(zuo)一种(zhong)“电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)控制”的(de)器(qi)件。事实上(shang)，这(zhei)两种(zhong)思考方(fang)式可(ke)以通过基极(ji)-发射极(ji)结上(shang)的(de)电(dian)(dian)(dian)流电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)关(guan)系相(xiang)(xiang)互关(guan)联起来，而这(zhei)种(zhong)关(guan)系可(ke)以用PN结的(de)电(dian)(dian)(dian)流-电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)曲线表(biao)示。
人(ren)们曾(ceng)经(jing)建立过多种数学模(mo)型，用(yong)来(lai)描(miao)述(shu)双极(ji)性(xing)晶体(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)具体(ti)工作(zuo)原理。例如，古梅尔–潘模(mo)型（Gummel–Poon Model）提(ti)出，可以(yi)利用(yong)电(dian)(dian)(dian)荷分布来(lai)精(jing)确地解释晶体(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)行为。上述(shu)有关(guan)电(dian)(dian)(dian)荷控制的(de)(de)观点可以(yi)处理有关(guan)光(guang)电(dian)(dian)(dian)二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)问题(ti)，这(zhei)种二极(ji)管(guan)(guan)基(ji)极(ji)区(qu)域的(de)(de)少数载流(liu)子(zi)(zi)是通过吸收光(guang)子(zi)(zi)（即(ji)上一段提(ti)到的(de)(de)光(guang)注入）产生的(de)(de)。电(dian)(dian)(dian)荷控制模(mo)型还能(neng)处理有关(guan)关(guan)断(duan)、恢复时间等(deng)动态(tai)问题(ti)，这(zhei)些问题(ti)都与基(ji)极(ji)区(qu)域电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和空穴(xue)的(de)(de)复合(he)密切相关(guan)。然而，由于基(ji)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷并不能(neng)轻松(song)地在(zai)基(ji)极(ji)引脚(jiao)处观察，因此(ci)，在(zai)实际的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)路设计、分析(xi)中，电(dian)(dian)(dian)流(liu)、电(dian)(dian)(dian)压控制的(de)(de)观点应用(yong)更(geng)为普遍。
在(zai)模拟电(dian)(dian)路设计中，有时会采用电(dian)(dian)流(liu)控制(zhi)的(de)观(guan)点(dian)，这(zhei)是因为(wei)在(zai)一(yi)定(ding)范围(wei)内，双极(ji)性晶体管具有近(jin)似(si)线性的(de)特(te)征。在(zai)这(zhei)个范围(wei)（下文(wen)将提到，这(zhei)个范围(wei)叫做“放(fang)大区(qu)”）内，集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)近(jin)似(si)等于(yu)基(ji)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)的(de)倍，这(zhei)对人(ren)们分析问(wen)题、控制(zhi)电(dian)(dian)路功能(neng)有极(ji)大的(de)便利。在(zai)设计有的(de)基(ji)本电(dian)(dian)路时，人(ren)们假定(ding)发射极(ji)-基(ji)极(ji)电(dian)(dian)压为(wei)近(jin)似(si)恒定(ding)值（如），这(zhei)时集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)近(jin)似(si)等于(yu)基(ji)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)的(de)若干倍，晶体管起电(dian)(dian)流(liu)放(fang)大作用。
然而，在(zai)(zai)真实的(de)(de)(de)情(qing)况中(zhong)，双(shuang)极(ji)(ji)性(xing)(xing)(xing)晶体管(guan)是一(yi)种(zhong)较为(wei)复杂的(de)(de)(de)非线(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)器(qi)(qi)件，如果偏(pian)置电(dian)压(ya)分配不当，将使(shi)(shi)其输出(chu)信号(hao)失真。此外，即使(shi)(shi)工作在(zai)(zai)特(te)定(ding)范围(wei)(wei)，其电(dian)流(liu)(liu)放大倍数也(ye)受到(dao)包(bao)括(kuo)温度在(zai)(zai)内(nei)的(de)(de)(de)因素影响。为(wei)了(le)设计出(chu)精确、可靠的(de)(de)(de)双(shuang)极(ji)(ji)性(xing)(xing)(xing)晶体管(guan)电(dian)路，必须(xu)采(cai)用(yong)(yong)电(dian)压(ya)控制(zhi)的(de)(de)(de)观点(dian)（例(li)如后文将讲述(shu)(shu)的(de)(de)(de)艾伯斯-莫尔模(mo)型）。电(dian)压(ya)控制(zhi)模(mo)型引入了(le)一(yi)个指数函数来描(miao)述(shu)(shu)电(dian)压(ya)、电(dian)流(liu)(liu)关(guan)系，在(zai)(zai)一(yi)定(ding)范围(wei)(wei)内(nei)，函数关(guan)系为(wei)近似线(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)，可以将晶体管(guan)视(shi)为(wei)一(yi)个电(dian)导元件。这样，诸如差动放大器(qi)(qi)等电(dian)路的(de)(de)(de)设计就简化(hua)为(wei)了(le)线(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)问题，所以近似的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)控制(zhi)观点(dian)也(ye)常被选用(yong)(yong)。对于跨导线(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)（translinear）电(dian)路，研究其电(dian)流(liu)(liu)-电(dian)压(ya)曲(qu)线(xian)(xian)对于分析器(qi)(qi)件工作十(shi)分关(guan)键，因此通常将它视(shi)为(wei)一(yi)个跨导与(yu)集电(dian)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)成(cheng)比例(li)的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)控制(zhi)模(mo)型。
晶体管级别的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)路设计主要(yao)使(shi)用SPICE或其他类似的(de)(de)(de)(de)模拟电(dian)(dian)(dian)路仿真(zhen)器(qi)进行(xing)，因此对于设计者来(lai)说，模型(xing)的(de)(de)(de)(de)复(fu)杂程度并不会带来(lai)太大(da)的(de)(de)(de)(de)问题。但在以人工分析模拟电(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)(de)(de)问题时，并不总(zong)能像处理经典的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)路分析那样采取精确(que)计算(suan)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)，因而采用近似的(de)(de)(de)(de)方法(fa)是十分必要(yao)的(de)(de)(de)(de)。
mos管(guan)是金(jin)属(shu)(metal)、氧化物(wu)(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管(guan)，或者称(cheng)是金(jin)属(shu)—绝缘体(insulator)、半导体。MOS管(guan)的(de)source和drain是可以(yi)对(dui)调的(de)，他们都是在(zai)P型(xing)backgate中形(xing)成的(de)N型(xing)区(qu)。在(zai)多数(shu)情况(kuang)下，这个(ge)两个(ge)区(qu)是一样的(de)，即(ji)使(shi)两端(duan)对(dui)调也(ye)不会影响器件(jian)的(de)性能。这样的(de)器件(jian)被认为是对(dui)称(cheng)的(de)。
N沟道MOS管(guan)结(jie)构示意图和符号
MOS场(chang)效应三(san)极(ji)(ji)管分为：增强(qiang)型（又有N沟道(dao)、P沟道(dao)之分）及耗尽型（分有N沟道(dao)、P沟道(dao)）。N沟道(dao)增强(qiang)型MOSFET的结构示意图(tu)和符号见上图(tu)。其中：电极(ji)(ji) D（Drain） 称为漏极(ji)(ji)，相当双极(ji)(ji)型三(san)极(ji)(ji)管的集电极(ji)(ji)；
电极(ji)(ji) G（Gate） 称为栅(zha)极(ji)(ji)，相当于的(de)基极(ji)(ji)；
电极(ji) S（Source）称为(wei)源极(ji)，相当于发射极(ji)。
在(zai)一(yi)块掺(chan)杂浓度较低(di)的(de)(de)P型(xing)硅衬(chen)底(di)上(shang)，制作两(liang)个(ge)高(gao)掺(chan)杂浓度的(de)(de)N+区(qu)，并用金属铝(lv)引出(chu)(chu)两(liang)个(ge)电(dian)极(ji)，分别作漏(lou)极(ji)d和(he)源极(ji)s。然后(hou)在(zai)半导体表面(mian)覆盖一(yi)层(ceng)(ceng)(ceng)很薄的(de)(de)二(er)氧化硅(SiO2)绝缘(yuan)层(ceng)(ceng)(ceng)，在(zai)漏(lou)——源极(ji)间的(de)(de)绝缘(yuan)层(ceng)(ceng)(ceng)上(shang)再装上(shang)一(yi)个(ge)铝(lv)电(dian)极(ji),作为栅极(ji)g。衬(chen)底(di)上(shang)也引出(chu)(chu)一(yi)个(ge)电(dian)极(ji)B，这就构(gou)成(cheng)了一(yi)个(ge)N沟道增强(qiang)型(xing)MOS管(guan)(guan)。MOS管(guan)(guan)的(de)(de)源极(ji)和(he)衬(chen)底(di)通常是接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)(de)(大(da)多数管(guan)(guan)子在(zai)出(chu)(chu)厂(chang)前已连接(jie)好)。它(ta)的(de)(de)栅极(ji)与其(qi)它(ta)电(dian)极(ji)间是绝缘(yuan)的(de)(de)。
图(a)、(b)分别(bie)是(shi)它的结构(gou)示意(yi)图和(he)代(dai)表符号。代(dai)表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相(xiang)反，如图(c)所示。
导(dao)通(tong)的意思是作(zuo)为开关，相(xiang)当于(yu)开关闭合(he)(he)。NMOS的特性，Vgs大于(yu)一定(ding)的值(zhi)就会导(dao)通(tong)，适合(he)(he)用于(yu)源(yuan)极接地时的情况(kuang)（低(di)端(duan)驱(qu)(qu)动），只(zhi)要栅极电压达到4V或(huo)10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于(yu)一定(ding)的值(zhi)就会导(dao)通(tong)，适合(he)(he)用于(yu)源(yuan)极接VCC时的情况(kuang)（高端(duan)驱(qu)(qu)动）。但(dan)是，虽然PMOS可以很方便(bian)地用作(zuo)高端(duan)驱(qu)(qu)动，但(dan)由于(yu)导(dao)通(tong)电阻(zu)大，价(jia)格贵，替(ti)换(huan)种类少等原因，在高端(duan)驱(qu)(qu)动中，通(tong)常还是使用NMOS。
不管(guan)是(shi)NMOS还是(shi)PMOS，导(dao)通(tong)后都(dou)有导(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)存在(zai)(zai)(zai)，这样电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)就会(hui)在(zai)(zai)(zai)这个电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)上消耗(hao)(hao)能量，这部(bu)分消耗(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)能量叫做(zuo)导(dao)通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)。选(xuan)择导(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)小(xiao)(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)MOS管(guan)会(hui)减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)导(dao)通(tong)损(sun)耗(hao)(hao)。现在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)(xiao)功(gong)率(lv)(lv)MOS管(guan)导(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)一般在(zai)(zai)(zai)几(ji)十毫欧(ou)左右，几(ji)毫欧(ou)的(de)(de)(de)(de)也(ye)有。MOS在(zai)(zai)(zai)导(dao)通(tong)和(he)截(jie)止的(de)(de)(de)(de)时(shi)候(hou)，一定(ding)不是(shi)在(zai)(zai)(zai)瞬(shun)间(jian)完成的(de)(de)(de)(de)。MOS两(liang)端的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)有一个下降的(de)(de)(de)(de)过(guo)程，流(liu)过(guo)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)有一个上升的(de)(de)(de)(de)过(guo)程，在(zai)(zai)(zai)这段时(shi)间(jian)内，MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)损(sun)失(shi)(shi)是(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)乘(cheng)积，叫做(zuo)开关(guan)(guan)(guan)损(sun)失(shi)(shi)。通(tong)常(chang)开关(guan)(guan)(guan)损(sun)失(shi)(shi)比导(dao)通(tong)损(sun)失(shi)(shi)大得(de)多(duo)，而(er)且开关(guan)(guan)(guan)频率(lv)(lv)越(yue)快，损(sun)失(shi)(shi)也(ye)越(yue)大。导(dao)通(tong)瞬(shun)间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)乘(cheng)积很大，造成的(de)(de)(de)(de)损(sun)失(shi)(shi)也(ye)就很大。缩短开关(guan)(guan)(guan)时(shi)间(jian)，可(ke)以减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)每次(ci)导(dao)通(tong)时(shi)的(de)(de)(de)(de)损(sun)失(shi)(shi)；降低开关(guan)(guan)(guan)频率(lv)(lv)，可(ke)以减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)单位时(shi)间(jian)内的(de)(de)(de)(de)开关(guan)(guan)(guan)次(ci)数。这两(liang)种办法都(dou)可(ke)以减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)开关(guan)(guan)(guan)损(sun)失(shi)(shi)。
MOS管最显著的特性是(shi)开(kai)关特性好，所以被广(guang)泛(fan)应用在需要电子开(kai)关的电路中，常(chang)见的如开(kai)关电源，也有(you)照明调光(guang)。
现在(zai)的MOS驱动，有(you)(you)几个特别的需求。1，低压(ya)(ya)(ya)应用当(dang)使用5V电源，这时候如果使用传统(tong)的图腾柱(zhu)结(jie)构，由于三极管(guan)的be有(you)(you)0.7V左(zuo)右的压(ya)(ya)(ya)降，导致实际最终加在(zai)gate上的电压(ya)(ya)(ya)只有(you)(you)4.3V。这时候，我(wo)们选用标称(cheng)gate电压(ya)(ya)(ya)4.5V的MOS管(guan)就存在(zai)一定(ding)的风险。 同(tong)样的问题也(ye)发(fa)生在(zai)使用3V或者其他低压(ya)(ya)(ya)电源的场合。
首先，所(suo)谓的(de)(de)双(shuang)极性(xing)晶体管就是三极管，是一种具有三个终端的(de)(de)电(dian)子(zi)器(qi)件，由三部分掺(chan)杂程(cheng)度(du)不同的(de)(de)半(ban)导体制成，晶体管中的(de)(de)电(dian)荷流动主要是由于载(zai)流子(zi)在PN结处(chu)的(de)(de)扩散作用和漂移运动。
在电路(lu)设计当中假设我(wo)们想要(yao)对电流中止控制(zhi)，那(nei)就(jiu)少(shao)不(bu)了三(san)极(ji)管(guan)的(de)帮(bang)助。我(wo)们俗称的(de)三(san)极(ji)管(guan)其全称为半(ban)导体三(san)极(ji)管(guan)，它(ta)的(de)主要(yao)作用就(jiu)是将微小的(de)信(xin)号(hao)中止放大(da)。MOS管(guan)与(yu)三(san)极(ji)管(guan)有着(zhe)许多相近(jin)的(de)地方，这就(jiu)使得一些新手不(bu)断(duan)无法明白两(liang)者(zhe)之间的(de)区别，本(ben)篇文章就(jiu)
将(jiang)为(wei)大家引见三极管和MOS管的一些(xie)不同。
关于三极(ji)管(guan)和MOS管(guan)的区(qu)别，我(wo)们简单总结了几句话便当大家(jia)理解(jie)。
从性质上(shang)来说：三极管(guan)用电(dian)流控(kong)制，MOS管(guan)属于电(dian)压控(kong)制。
从本钱上来说：三(san)极管低价，MOS管贵。
关(guan)于功耗问题：三极管损耗大。
驱动能力(li)上的的不同：MOS管常用于电(dian)源(yuan)开关以及大电(dian)流(liu)地方开关电(dian)路。
理(li)论上，就是三极(ji)(ji)管(guan)操作便当(dang)且价钱低廉，经常用(yong)于(yu)(yu)数(shu)字电(dian)路的开(kai)关控制(zhi)当(dang)中。而MOS管(guan)用(yong)于(yu)(yu)高(gao)频高(gao)速电(dian)路，大电(dian)流场(chang)所(suo)，以及对基极(ji)(ji)或漏极(ji)(ji)控制(zhi)电(dian)流比较敏感的中央(yang)。所(suo)以普(pu)通来说低本钱场(chang)所(suo)，普(pu)通应用(yong)的先思索用(yong)三极(ji)(ji)管(guan)，不行(xing)的话建(jian)议(yi)用(yong)MOS管(guan)。
理(li)(li)论上说电(dian)(dian)(dian)流(liu)控制(zhi)慢(man)，电(dian)(dian)(dian)压(ya)控制(zhi)快(kuai)这(zhei)种(zhong)理(li)(li)解是不对的(de)。要真正理(li)(li)解得(de)了(le)解双极(ji)(ji)晶(jing)体管和(he)(he)mos晶(jing)体管的(de)工作方式才(cai)干明白。三极(ji)(ji)管是靠载(zai)流(liu)子的(de)运动来工作的(de)，以npn管射(she)极(ji)(ji)跟随器(qi)为(wei)(wei)例，当基(ji)极(ji)(ji)加不加电(dian)(dian)(dian)压(ya)时(shi)，基(ji)区(qu)(qu)和(he)(he)发射(she)区(qu)(qu)组(zu)成的(de)pn结为(wei)(wei)阻(zu)止(zhi)多子(基(ji)区(qu)(qu)为(wei)(wei)空穴，发射(she)区(qu)(qu)为(wei)(wei)电(dian)(dian)(dian)子)的(de)扩(kuo)散(san)运动，在(zai)此pn结处(chu)会感应出由发射(she)区(qu)(qu)指(zhi)(zhi)向(xiang)基(ji)区(qu)(qu)的(de)静(jing)电(dian)(dian)(dian)场(chang)(即内(nei)建电(dian)(dian)(dian)场(chang))，当基(ji)极(ji)(ji)外加正电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)指(zhi)(zhi)向(xiang)为(wei)(wei)基(ji)区(qu)(qu)指(zhi)(zhi)向(xiang)发射(she)区(qu)(qu)，当基(ji)极(ji)(ji)外加电(dian)(dian)(dian)压(ya)产(chan)生的(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)大于(yu)内(nei)建电(dian)(dian)(dian)场(chang)时(shi)，基(ji)区(qu)(qu)的(de)载(zai)流(liu)子(电(dian)(dian)(dian)子)才(cai)有可能从基(ji)区(qu)(qu)流(liu)向(xiang)发射(she)区(qu)(qu)，此电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)最小(xiao)值(zhi)即pn结的(de)正导游通电(dian)(dian)(dian)压(ya)(工程上普通以为(wei)(wei)0.7v)。
但此(ci)时每个(ge)pn结(jie)的(de)两侧(ce)都会有(you)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷存在(zai)(zai)，此(ci)时假设集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)-发射极(ji)加正电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)作(zuo)用下，发射区(qu)(qu)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)往基(ji)区(qu)(qu)运动(理论上都是电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)反方向运动)，由于(yu)基(ji)区(qu)(qu)宽度很小，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)很容易越(yue)过基(ji)区(qu)(qu)抵达集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)区(qu)(qu)，并与(yu)此(ci)处(chu)的(de)PN的(de)空穴复合(靠近集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji))，为维(wei)持平衡(heng)，在(zai)(zai)正电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的(de)作(zuo)用下集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)区(qu)(qu)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)加速外集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)运动，而空穴则为pn结(jie)处(chu)运动，此(ci)过程类似一个(ge)雪崩过程。
集电极的电子(zi)经过(guo)电源回到发射极，这就(jiu)是晶体(ti)管(guan)的工作(zuo)原理。三(san)极管(guan)工作(zuo)时(shi)，两个pn结都会(hui)感(gan)应(ying)出电荷，当开关管(guan)处于(yu)导(dao)通状(zhuang)(zhuang)态时(shi)，三(san)极管(guan)处于(yu)饱和状(zhuang)(zhuang)态，假设这时(shi)三(san)极管(guan)截至，pn结感(gan)应(ying)的电荷要恢复(fu)到平衡状(zhuang)(zhuang)态，这个过(guo)程需求(qiu)时(shi)间。而(er)MOS与(yu)三(san)极管(guan)工作(zuo)方式不同，没(mei)有(you)这个恢复(fu)时(shi)间，因此(ci)可(ke)以(yi)用作(zuo)高(gao)速开关管(guan)。
下面(mian)针对一些电路设计当中会呈现(xian)的(de)情况，列出了(le)几种MOS管和(he)三级(ji)管的(de)选择规律：
(1)MOS管(guan)是电(dian)压控制元件(jian)，而三级管(guan)是电(dian)流控制元件(jian)。在只允(yun)许(xu)从信号源取较少(shao)电(dian)流的情况下，应选用MOS管(guan);而在信号电(dian)压较低，又允(yun)许(xu)从信号源取较多(duo)电(dian)流的条件(jian)下，应选用三极管(guan)。
(2)电(dian)力电(dian)子(zi)技(ji)术中提及的(de)(de)单(dan)极(ji)器件(jian)是(shi)(shi)(shi)指(zhi)只靠一种载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)子(zi)导电(dian)的(de)(de)器件(jian)，双极(ji)器件(jian)是(shi)(shi)(shi)指(zhi)靠两种载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)子(zi)导电(dian)的(de)(de)器件(jian)。MOS管是(shi)(shi)(shi)应用(yong)一种多(duo)(duo)数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)子(zi)导电(dian)，所(suo)以称(cheng)之(zhi)(zhi)为单(dan)极(ji)型器件(jian)，而三极(ji)管是(shi)(shi)(shi)既有多(duo)(duo)数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)子(zi)，也(ye)应用(yong)少数载(zai)(zai)(zai)流(liu)(liu)子(zi)导电(dian)。被称(cheng)之(zhi)(zhi)为双极(ji)型器件(jian)。
(3)有(you)些MOS管的源极(ji)和漏(lou)极(ji)可(ke)以(yi)互换运用，栅压也可(ke)正可(ke)负，灵活性比三极(ji)管好。
(4)MOS管(guan)(guan)能在(zai)很(hen)小电流和很(hen)低电压的(de)条件下工作，而且它的(de)制造工艺可(ke)以很(hen)便(bian)当地把很(hen)多MOS管(guan)(guan)集成在(zai)一块硅片(pian)上，因此MOS管(guan)(guan)在(zai)大范围集成电路中得(de)到了(le)普(pu)遍(bian)的(de)应用。
(5)MOS管具(ju)有较高输(shu)入阻抗和低噪声等优点，因而也被普遍应用(yong)于(yu)各种电(dian)(dian)子(zi)设备中。特别用(yong)MOS管做(zuo)整个(ge)电(dian)(dian)子(zi)设备的(de)输(shu)入级，可以获得普通(tong)三极(ji)管很难(nan)抵达的(de)性能(neng)。
(6)MOS管(guan)分红(hong)结型和绝(jue)缘栅(zha)型两大类(lei)，其控(kong)制(zhi)原理都(dou)是一样的(de)。
本(ben)篇文章与(yu)众(zhong)不同的(de)(de)是，并没有用(yong)过多的(de)(de)篇幅对MOS管和(he)三极管在概(gai)念上(shang)的(de)(de)区别进(jin)行对比。而是从实践(jian)出发，用(yong)实际发生(sheng)的(de)(de)情(qing)况和(he)现象来对两者进(jin)行区分，比单(dan)纯概(gai)念性上(shang)的(de)(de)讲解更加容易理解并方便(bian)记忆。
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