场效应管与(yu)BJT管工作原理在线视频详解与(yu)基本知识(shi)概述-KIA MOS管
信息(xi)来源:本(ben)站 日期:2019-01-10
场(chang)效应(ying)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(Field Effect Transistor缩(suo)写(FET))简称(cheng)场(chang)效应(ying)管(guan)(guan)。主(zhu)要有两种类型(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导(dao)体(ti)(ti)场(chang)效应(ying)管(guan)(guan)(metal-oxide semiconductor FET,简称(cheng)MOS-FET)。由多数载流子(zi)参与导(dao)电(dian)(dian),也(ye)称(cheng)为单(dan)极(ji)(ji)型晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)。它属于(yu)电(dian)(dian)压控(kong)制型半导(dao)体(ti)(ti)器(qi)件。具有输(shu)入电(dian)(dian)阻高(107~1015Ω)、噪声小、功(gong)耗低、动态范(fan)围大、易(yi)于(yu)集成、没有二次击穿(chuan)现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极(ji)(ji)型晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)和功(gong)率晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)的强大竞争(zheng)者。
场效应管(FET)是(shi)利用控制(zhi)输入回路的(de)电(dian)场效应来控制(zhi)输出回路电(dian)流(liu)的(de)一种半导体器件,并以此命(ming)名。由于它(ta)仅靠半导体中的(de)多数(shu)载流(liu)子导电(dian),又(you)称(cheng)单极型晶体管。
场效应管工(gong)作(zuo)原理用一句话说,就是(shi)“漏(lou)极(ji)-源(yuan)极(ji)间流(liu)经(jing)(jing)沟(gou)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)ID,用以栅极(ji)与沟(gou)道间的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pn结形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)反偏(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)栅极(ji)电(dian)压控制ID”。更正确地说,ID流(liu)经(jing)(jing)通路的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宽度,即沟(gou)道截面积(ji),它(ta)是(shi)由pn结反偏(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)变(bian)化,产生(sheng)耗尽(jin)层(ceng)扩(kuo)展(zhan)变(bian)化控制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)缘故。在VGS=0的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非饱和(he)区域,表示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)过(guo)渡层(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)扩(kuo)展(zhan)因为不(bu)很大,根据漏(lou)极(ji)-源(yuan)极(ji)间所(suo)加(jia)VDS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)场,源(yuan)极(ji)区域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)某些(xie)电(dian)子被(bei)漏(lou)极(ji)拉去,即从漏(lou)极(ji)向源(yuan)极(ji)有电(dian)流(liu)ID流(liu)动。从门极(ji)向漏(lou)极(ji)扩(kuo)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)过(guo)度层(ceng)将(jiang)沟(gou)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一部(bu)分(fen)构成(cheng)堵(du)塞型(xing),ID饱和(he)。将(jiang)这(zhei)种状态(tai)称(cheng)为夹断。这(zhei)意味着(zhe)过(guo)渡层(ceng)将(jiang)沟(gou)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一部(bu)分(fen)阻挡(dang),并不(bu)是(shi)电(dian)流(liu)被(bei)切断。
在(zai)过(guo)渡层(ceng)由于(yu)没有电(dian)(dian)子(zi)、空穴的(de)(de)自由移(yi)动,在(zai)理想(xiang)状(zhuang)态下(xia)几(ji)乎具(ju)有绝缘特性(xing),通(tong)常电(dian)(dian)流(liu)(liu)也难(nan)流(liu)(liu)动。但是此(ci)时(shi)漏极-源极间的(de)(de)电(dian)(dian)场(chang),实际上是两(liang)个过(guo)渡层(ceng)接(jie)触漏极与门极下(xia)部(bu)附(fu)近,由于(yu)漂(piao)移(yi)电(dian)(dian)场(chang)拉(la)去(qu)的(de)(de)高速(su)电(dian)(dian)子(zi)通(tong)过(guo)过(guo)渡层(ceng)。因(yin)漂(piao)移(yi)电(dian)(dian)场(chang)的(de)(de)强度(du)几(ji)乎不变产生ID的(de)(de)饱和现象(xiang)。其次,VGS向(xiang)负的(de)(de)方向(xiang)变化(hua),让VGS=VGS(off),此(ci)时(shi)过(guo)渡层(ceng)大致成为覆(fu)盖全区域的(de)(de)状(zhuang)态。而且VDS的(de)(de)电(dian)(dian)场(chang)大部(bu)分加到过(guo)渡层(ceng)上,将电(dian)(dian)子(zi)拉(la)向(xiang)漂(piao)移(yi)方向(xiang)的(de)(de)电(dian)(dian)场(chang),只有靠近源极的(de)(de)很短部(bu)分,这更使电(dian)(dian)流(liu)(liu)不能流(liu)(liu)通(tong)。
MOS场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)也被称为金属氧化物半导体场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一(yi)般有(you)(you)耗(hao)尽型(xing)(xing)(xing)(xing)和增强型(xing)(xing)(xing)(xing)两(liang)种。增强型(xing)(xing)(xing)(xing)MOS场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)可分为NPN型(xing)(xing)(xing)(xing)PNP型(xing)(xing)(xing)(xing)。NPN型(xing)(xing)(xing)(xing)通常称为N沟(gou)道(dao)(dao)型(xing)(xing)(xing)(xing),PNP型(xing)(xing)(xing)(xing)也叫(jiao)P沟(gou)道(dao)(dao)型(xing)(xing)(xing)(xing)。对于(yu)N沟(gou)道(dao)(dao)的场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)其源极(ji)(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)(ji)接在N型(xing)(xing)(xing)(xing)半导体上,同(tong)样对于(yu)P沟(gou)道(dao)(dao)的场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)其源极(ji)(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)(ji)则(ze)接在P型(xing)(xing)(xing)(xing)半导体上。场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)的输出电流(liu)是由(you)输入的电压(或(huo)称电场(chang)(chang)(chang))控制,可以认为输入电流(liu)极(ji)(ji)(ji)小或(huo)没有(you)(you)输入电流(liu),这使(shi)得该器件有(you)(you)很(hen)高的输入阻(zu)抗,同(tong)时(shi)这也是我们称之(zhi)为场(chang)(chang)(chang)效应(ying)(ying)管(guan)(guan)的原因(yin)。
在(zai)二极(ji)(ji)管(guan)加上正向(xiang)电压(P端(duan)接(jie)正极(ji)(ji),N端(duan)接(jie)负极(ji)(ji))时(shi),二极(ji)(ji)管(guan)导通,其(qi)PN结有电流通过。
这是(shi)因为在(zai)(zai)P型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan)为正电(dian)(dian)压(ya)时,N型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)内的负(fu)电(dian)(dian)子(zi)被(bei)吸引而(er)涌向加有(you)(you)正电(dian)(dian)压(ya)的P型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan),而(er)P型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan)内的正电(dian)(dian)子(zi)则(ze)朝N型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan)运(yun)动,从而(er)形成导(dao)(dao)(dao)通电(dian)(dian)流。同(tong)理,当二(er)极(ji)管加上(shang)反向电(dian)(dian)压(ya)(P端(duan)接负(fu)极(ji),N端(duan)接正极(ji))时,这时在(zai)(zai)P型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan)为负(fu)电(dian)(dian)压(ya),正电(dian)(dian)子(zi)被(bei)聚集在(zai)(zai)P型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan),负(fu)电(dian)(dian)子(zi)则(ze)聚集在(zai)(zai)N型(xing)半(ban)(ban)(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)体(ti)端(duan),电(dian)(dian)子(zi)不移动,其PN结(jie)没(mei)有(you)(you)电(dian)(dian)流通过,二(er)极(ji)管截(jie)止。
在栅(zha)(zha)极(ji)(ji)没(mei)有(you)电(dian)(dian)压时(shi)(shi),由(you)前(qian)面分析可知,在源(yuan)极(ji)(ji)与漏极(ji)(ji)之间(jian)不会有(you)电(dian)(dian)流(liu)流(liu)过,此(ci)时(shi)(shi)场效(xiao)应(ying)管(guan)处与截止状态。当有(you)一(yi)个正电(dian)(dian)压加在N沟道(dao)的(de)(de)MOS场效(xiao)应(ying)管(guan)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)上时(shi)(shi),由(you)于(yu)电(dian)(dian)场的(de)(de)作用,此(ci)时(shi)(shi)N型(xing)半(ban)导体的(de)(de)源(yuan)极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)的(de)(de)负电(dian)(dian)子(zi)被吸引出来(lai)而涌向栅(zha)(zha)极(ji)(ji),但由(you)于(yu)氧化膜的(de)(de)阻挡(dang),使得电(dian)(dian)子(zi)聚集在两个N沟道(dao)之间(jian)的(de)(de)P型(xing)半(ban)导体,从(cong)而形成电(dian)(dian)流(liu),使源(yuan)极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)之间(jian)导通。可以(yi)想(xiang)像为两个N型(xing)半(ban)导体之间(jian)为一(yi)条沟,栅(zha)(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)压的(de)(de)建立相当于(yu)为它们(men)之间(jian)搭了(le)一(yi)座桥梁,该桥的(de)(de)大(da)小由(you)栅(zha)(zha)压的(de)(de)大(da)小决定。
电(dian)(dian)(dian)(dian)路将一(yi)个增强型P沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)和一(yi)个增强型N沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)组合在一(yi)起(qi)使用。当输(shu)入端(duan)为(wei)(wei)低电(dian)(dian)(dian)(dian)平时(shi)(shi),P沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)导(dao)通,输(shu)出(chu)端(duan)与电(dian)(dian)(dian)(dian)源正极(ji)接(jie)通。当输(shu)入端(duan)为(wei)(wei)高电(dian)(dian)(dian)(dian)平时(shi)(shi),N沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)导(dao)通,输(shu)出(chu)端(duan)与电(dian)(dian)(dian)(dian)源地(di)接(jie)通。在该电(dian)(dian)(dian)(dian)路中,P沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)和N沟(gou)(gou)道(dao)MOS场效应(ying)(ying)管(guan)总是(shi)在相反的(de)(de)状态下(xia)工作(zuo),其相位输(shu)入端(duan)和输(shu)出(chu)端(duan)相反。通过这种工作(zuo)方(fang)式我们可以(yi)获(huo)得(de)较大的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流输(shu)出(chu)。同(tong)时(shi)(shi)由于(yu)漏(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)影响,使得(de)栅压(ya)(ya)(ya)在还没有到0V,通常(chang)在栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)小于(yu)1到2V时(shi)(shi),MOS场效应(ying)(ying)管(guan)既被关断。不(bu)(bu)同(tong)场效应(ying)(ying)管(guan)其关断电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)略有不(bu)(bu)同(tong)。也正因为(wei)(wei)如此,使得(de)该电(dian)(dian)(dian)(dian)路不(bu)(bu)会因为(wei)(wei)两(liang)管(guan)同(tong)时(shi)(shi)导(dao)通而(er)造成电(dian)(dian)(dian)(dian)源短路。
MOS管,在(zai)一(yi)块掺杂浓度较(jiao)低的(de)(de)(de)P型半导(dao)体硅(gui)衬底上,用(yong)半导(dao)体光刻、扩散(san)工艺制(zhi)作两个高(gao)掺杂浓度的(de)(de)(de)N+区(qu),并用(yong)金(jin)属铝引出(chu)两个电极(ji)(ji)(ji)(ji),分别作为漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)D和源极(ji)(ji)(ji)(ji)S。然(ran)后在(zai)漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)(ji)之(zhi)间(jian)的(de)(de)(de)P型半导(dao)体表面复(fu)盖一(yi)层(ceng)很薄的(de)(de)(de)二氧化硅(gui)(Si02)绝缘层(ceng)膜(mo),在(zai)再这个绝缘层(ceng)膜(mo)上装上一(yi)个铝电极(ji)(ji)(ji)(ji),作为栅极(ji)(ji)(ji)(ji)G。这就(jiu)构成了(le)一(yi)个N沟(gou)道(NPN型)增强型MOS管。显(xian)然(ran)它(ta)的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)(ji)(ji)和其(qi)它(ta)电极(ji)(ji)(ji)(ji)间(jian)是(shi)绝缘的(de)(de)(de)。下图所示分别是(shi)它(ta)的(de)(de)(de)结(jie)构图和代表符(fu)号。
同(tong)样用上述相同(tong)的(de)方法(fa)在一(yi)块掺(chan)杂浓(nong)度较低(di)的(de)N型半导体硅衬底(di)上,用半导体光刻(ke)、扩散工(gong)艺制作两个高掺(chan)杂浓(nong)度的(de)P+区,及上述相同(tong)的(de)栅极(ji)制作过程,就制成为一(yi)个P沟道(dao)(PNP型)增强型MOS管。如上图(tu)所示分别是P沟道(dao)MOS管道(dao)结构图(tu)和代表符(fu)号。
N沟道(dao)MOS管的符号,图中D是(shi)(shi)漏极,S是(shi)(shi)源极,G是(shi)(shi)栅极,中间的箭头(tou)表示衬底,如果(guo)箭头(tou)向里表示是(shi)(shi)N沟道(dao)的MOS管,箭头(tou)向外表示是(shi)(shi)P沟道(dao)的MOS管。
在(zai)(zai)实际MOS管生产的(de)过程(cheng)中(zhong)衬底(di)在(zai)(zai)出厂前就和(he)源极连接,所以(yi)在(zai)(zai)符号的(de)规(gui)则(ze)中(zhong);表(biao)示衬底(di)的(de)箭头也必须和(he)源极相连接,以(yi)区别漏极和(he)源极。上图(tu)是P沟(gou)道MOS管的(de)符号。
大功率MOS管(guan)应用电压(ya)(ya)的极(ji)(ji)(ji)性和我们普通的晶(jing)体(ti)三极(ji)(ji)(ji)管(guan)相(xiang)同,N沟(gou)道(dao)(dao)的类似(si)NPN晶(jing)体(ti)三极(ji)(ji)(ji)管(guan),漏极(ji)(ji)(ji)D接(jie)正(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji),源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S接(jie)负极(ji)(ji)(ji),栅极(ji)(ji)(ji)G正(zheng)(zheng)电压(ya)(ya)时导电沟(gou)道(dao)(dao)建立(li),N沟(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)开(kai)(kai)始(shi)工作,如下图所示。同样P道(dao)(dao)的类似(si)PNP晶(jing)体(ti)三极(ji)(ji)(ji)管(guan),漏极(ji)(ji)(ji)D接(jie)负极(ji)(ji)(ji),源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S接(jie)正(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji),栅极(ji)(ji)(ji)G负电压(ya)(ya)时,导电沟(gou)道(dao)(dao)建立(li),P沟(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)开(kai)(kai)始(shi)工作,如下图所示。
(1) 场效应管(guan)的参数(shu)
① 开启电压VGS(th) (或VT)
开启电(dian)(dian)压(ya)是MOS增强型管的参数,栅源电(dian)(dian)压(ya)小于(yu)开启电(dian)(dian)压(ya)的绝对值,场效应管不能导通
② 夹断电(dian)压VGS(off) (或(huo)VP)
夹(jia)断电压是耗尽型FET的参数,当VGS=VGS(off) 时(shi),漏极电流为(wei)零
③ 饱和漏极电流IDSS
耗尽型场效应三极管(guan),当VGS=0时所对应的漏极电流
④ 输入(ru)电阻RGS
场效(xiao)应三(san)极(ji)管的(de)栅源输入电阻(zu)的(de)典型(xing)值,对于结(jie)型(xing)场效(xiao)应三(san)极(ji)管,反偏时RGS约大于107Ω,对于绝缘(yuan)栅场型(xing)效(xiao)应三(san)极(ji)管,RGS约是109~1015Ω
⑤ 低频跨导gm
低(di)频跨(kua)导(dao)反映了栅压(ya)对(dui)漏极电流的控(kong)制(zhi)作用(yong),这一点与电子(zi)管的控(kong)制(zhi)作用(yong)十(shi)分相像。gm可以(yi)在转移特(te)性(xing)曲线上求取,单位(wei)是mS(毫西门子(zi))
⑥ 最(zui)大漏(lou)极功(gong)耗PDM
最大(da)漏极功(gong)耗可由PDM= VDS ID决定,与(yu)双极型三极管的PCM相当(dang)
(二)型(xing)号
BJT是(shi)双极结型晶(jing)体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的(de)缩写,又常(chang)称为双载子晶(jing)体管。它是(shi)通过一(yi)定的(de)工艺(yi)将两(liang)个PN结结合在一(yi)起的(de)器(qi)件,有PNP和NPN两(liang)种组合结构。
一类是双(shuang)极性晶体(ti)管,BJT;BJT是电流(liu)控(kong)制器件;
一类是场效(xiao)应(ying)晶体管,FET;FET是电压控制器件。
NPN型双(shuang)极(ji)性晶体管可以视为(wei)(wei)共用阳(yang)极(ji)的(de)(de)两个(ge)二极(ji)管接合(he)在一(yi)起。在双(shuang)极(ji)性晶体管的(de)(de)正(zheng)常工作状态(tai)(tai)下,基极(ji)-发射(she)(she)(she)极(ji)结(jie)(jie)(jie)(jie)(称这(zhei)个(ge)PN结(jie)(jie)(jie)(jie)为(wei)(wei)“发射(she)(she)(she)结(jie)(jie)(jie)(jie)”)处于(yu)(yu)正(zheng)向偏置(zhi)状态(tai)(tai),而(er)基极(ji)-集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(称这(zhei)个(ge)PN结(jie)(jie)(jie)(jie)为(wei)(wei)“集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)结(jie)(jie)(jie)(jie)”)则处于(yu)(yu)反向偏置(zhi)状态(tai)(tai)。在没有外加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)时,发射(she)(she)(she)结(jie)(jie)(jie)(jie)N区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(这(zhei)一(yi)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)多数载(zai)流子(zi)(zi))浓度(du)大于(yu)(yu)P区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)浓度(du),部分电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)将(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)扩散到P区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)。同理,P区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)部分空穴也将(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)扩散到N区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)。这(zhei)样(yang),发射(she)(she)(she)结(jie)(jie)(jie)(jie)上(shang)(shang)将(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)形成一(yi)个(ge)空间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(也成为(wei)(wei)耗尽层),产生(sheng)一(yi)个(ge)内(nei)在的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang),其方向由N区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)指向P区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),这(zhei)个(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)将(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)阻(zu)碍上(shang)(shang)述(shu)扩散过程的(de)(de)进(jin)一(yi)步发生(sheng),从而(er)达(da)成动(dong)态(tai)(tai)平(ping)衡(heng)。这(zhei)时,如果(guo)把一(yi)个(ge)正(zheng)向电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)施加(jia)在发射(she)(she)(she)结(jie)(jie)(jie)(jie)上(shang)(shang),上(shang)(shang)述(shu)载(zai)流子(zi)(zi)扩散运动(dong)和耗尽层中内(nei)在电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)之间(jian)的(de)(de)动(dong)态(tai)(tai)平(ping)衡(heng)将(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)被打(da)破,这(zhei)样(yang)会使(shi)热(re)激发电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)注入基极(ji)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)。在NPN型晶体管里,基区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)为(wei)(wei)P型掺杂,这(zhei)里空穴为(wei)(wei)多数掺杂物质,因此在这(zhei)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)被称为(wei)(wei)“少数载(zai)流子(zi)(zi)”。
从发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)被注入到基极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi),一方(fang)面与这里的(de)(de)多数(shu)(shu)载流(liu)子(zi)空穴发(fa)生复合,另一方(fang)面,由(you)于基极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)掺杂(za)程度(du)低、物理(li)尺(chi)寸(cun)薄,并且(qie)集(ji)(ji)电(dian)(dian)结(jie)处于反(fan)向(xiang)偏置状态,大部分电(dian)(dian)子(zi)将(jiang)(jiang)通过(guo)漂移运(yun)动抵(di)达(da)集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu),形成集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)。为了尽量缓解电(dian)(dian)子(zi)在到达(da)集(ji)(ji)电(dian)(dian)结(jie)之(zhi)前发(fa)生的(de)(de)复合,晶(jing)体(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)基极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)必(bi)须制造得足够薄,以至于载流(liu)子(zi)扩(kuo)散所需的(de)(de)时间短于半导体(ti)少数(shu)(shu)载流(liu)子(zi)的(de)(de)寿命,同时,基极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)厚(hou)度(du)必(bi)须远小于电(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)扩(kuo)散长度(du)(diffusion length,参见(jian)菲克(ke)定律)。在现代的(de)(de)双极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)(guan)中,基极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)厚(hou)度(du)的(de)(de)典型值为十分之(zhi)几微米。需要注意的(de)(de)是(shi)(shi),集(ji)(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)、发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)虽(sui)然都是(shi)(shi)N型掺杂(za),但(dan)是(shi)(shi)二(er)者掺杂(za)程度(du)、物理(li)属性并不相同,因此必(bi)须将(jiang)(jiang)双极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)(guan)与两个相反(fan)方(fang)向(xiang)二(er)极(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)串联在一起(qi)的(de)(de)形式区(qu)分开来。
一(yi)个(ge)BJT管由三个(ge)不(bu)同的掺杂半(ban)导(dao)体区(qu)域(yu)组成,它们(men)分(fen)(fen)别(bie)是发射极(ji)(ji)区(qu)域(yu)、基极(ji)(ji)区(qu)域(yu)和(he)(he)(he)集电极(ji)(ji)区(qu)域(yu)。这些区(qu)域(yu)在NPN型(xing)(xing)晶(jing)体管中(zhong)分(fen)(fen)别(bie)是N型(xing)(xing)、P型(xing)(xing)和(he)(he)(he)N型(xing)(xing)半(ban)导(dao)体,而在PNP型(xing)(xing)晶(jing)体管中(zhong)则分(fen)(fen)别(bie)是P型(xing)(xing)、N型(xing)(xing)和(he)(he)(he)P型(xing)(xing)半(ban)导(dao)体。每一(yi)个(ge)半(ban)导(dao)体区(qu)域(yu)都有(you)一(yi)个(ge)引脚端接出,通常用字母E、B和(he)(he)(he)C来表示发射极(ji)(ji)(Emitter)、基极(ji)(ji)(Base)和(he)(he)(he)集电极(ji)(ji)(Collector)。
基(ji)极(ji)(ji)的物理(li)位置在发(fa)(fa)射极(ji)(ji)和(he)集(ji)电(dian)极(ji)(ji)之(zhi)间,它由(you)轻掺杂(za)、高电(dian)阻率的材料制成(cheng)。集(ji)电(dian)极(ji)(ji)包围着基(ji)极(ji)(ji)区域,由(you)于集(ji)电(dian)结(jie)反向偏置,电(dian)子(zi)很难从(cong)这(zhei)(zhei)里被注入到基(ji)极(ji)(ji)区域,这(zhei)(zhei)样就(jiu)造成(cheng)共基(ji)极(ji)(ji)电(dian)流增益(yi)约等于1,而共射极(ji)(ji)电(dian)流增益(yi)取得较大的数值(zhi)。从(cong)右边这(zhei)(zhei)个典型(xing)NPN型(xing)双极(ji)(ji)性晶体管(guan)的截(jie)面简(jian)图可以(yi)看出(chu),集(ji)电(dian)结(jie)的面积大于发(fa)(fa)射结(jie)。此外,发(fa)(fa)射极(ji)(ji)具(ju)有相当(dang)高的掺杂(za)浓(nong)度。
NPN型(xing)
NPN型(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)是(shi)两(liang)种类型(xing)双(shuang)极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)(de)(de)(de)其中一种,由两(liang)层(ceng)N型(xing)掺杂(za)区域(yu)和(he)介于(yu)二者(zhe)之间的(de)(de)(de)(de)一层(ceng)P型(xing)掺杂(za)半导(dao)体(ti)(基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji))组(zu)成。输入(ru)到(dao)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)微小电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)将被放大(da),产生较大(da)的(de)(de)(de)(de)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)-发(fa)射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)。当NPN型(xing)晶(jing)体(ti)管(guan)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压高于(yu)发(fa)射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压,并且(qie)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压高于(yu)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压,则晶(jing)体(ti)管(guan)处于(yu)正向放大(da)状态(tai)。在(zai)这一状态(tai)中,晶(jing)体(ti)管(guan)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)发(fa)射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)之间存在(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)。被放大(da)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu),是(shi)发(fa)射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)(ji)注入(ru)到(dao)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域(yu)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子(在(zai)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域(yu)为(wei)少数(shu)载流(liu)(liu)子),在(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)场的(de)(de)(de)(de)推动下漂移(yi)到(dao)集(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)结果。由于(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)子迁移(yi)率比空穴迁移(yi)率更高,因此现在(zai)使用的(de)(de)(de)(de)大(da)多(duo)数(shu)双(shuang)极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)为(wei)NPN型(xing)。
PNP型
双极(ji)性晶(jing)体(ti)管的(de)另一种(zhong)类型(xing)为PNP型(xing),由两(liang)层P型(xing)掺(chan)杂区域和介于二者之间(jian)的(de)一层N型(xing)掺(chan)杂半导体(ti)组成。流(liu)经(jing)基(ji)(ji)极(ji)的(de)微(wei)小电流(liu)可以在发射(she)极(ji)端得到放大。也就(jiu)是说,当PNP型(xing)晶(jing)体(ti)管的(de)基(ji)(ji)极(ji)电压低(di)于发射(she)极(ji)时,集电极(ji)电压低(di)于基(ji)(ji)极(ji),晶(jing)体(ti)管处于正向(xiang)放大区。
在双极(ji)性晶(jing)体(ti)管电(dian)学符号中(zhong),基(ji)极(ji)和发射(she)(she)极(ji)之(zhi)间(jian)的(de)箭头指向(xiang)电(dian)流(liu)的(de)方(fang)向(xiang),这里的(de)电(dian)流(liu)为(wei)电(dian)子流(liu)动的(de)反方(fang)向(xiang)。与NPN型相反,PNP型晶(jing)体(ti)管的(de)箭头从发射(she)(she)极(ji)指向(xiang)基(ji)极(ji)。
异质结(jie)双极性(xing)晶(jing)体(ti)管(heterojunction bipolar transistor)是一种(zhong)改良的(de)(de)(de)双极性(xing)晶(jing)体(ti)管,它(ta)具有(you)高(gao)速工作(zuo)的(de)(de)(de)能力。研(yan)究发现(xian),这种(zhong)晶(jing)体(ti)管可(ke)以处理频(pin)率(lv)高(gao)达几百GHz的(de)(de)(de)超高(gao)频(pin)信(xin)号,因此(ci)它(ta)适用于射(she)频(pin)功率(lv)放大、激光驱动等对工作(zuo)速度(du)要求苛刻的(de)(de)(de)应用。
异(yi)(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)是PN结(jie)(jie)的(de)一(yi)种,这种结(jie)(jie)的(de)两端(duan)由不同的(de)半导体(ti)材料制(zhi)成。在(zai)这种双极(ji)性晶体(ti)管(guan)中,发射结(jie)(jie)通(tong)常采(cai)用(yong)异(yi)(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)结(jie)(jie)构,即(ji)发射极(ji)区域(yu)(yu)采(cai)用(yong)宽禁带(dai)材料,基极(ji)区域(yu)(yu)采(cai)用(yong)窄禁带(dai)材料。常见的(de)异(yi)(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie)用(yong)砷化(hua)镓(jia)(GaAs)制(zhi)造基极(ji)区域(yu)(yu),用(yong)铝-镓(jia)-砷固溶体(ti)(AlxGa1-xAs)制(zhi)造发射极(ji)区域(yu)(yu)。采(cai)用(yong)这样的(de)异(yi)(yi)(yi)质(zhi)(zhi)结(jie)(jie),双极(ji)性晶体(ti)管(guan)的(de)注入效(xiao)率(lv)可以得到提升,电流增(zeng)益也可以提高(gao)几个数(shu)量级。
采用异质结(jie)的(de)双极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)(guan)基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域的(de)掺杂浓(nong)度可以(yi)大幅提升,这样就可以(yi)降(jiang)低基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)电阻,并有利(li)于降(jiang)低基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域的(de)宽度。在传统的(de)双极(ji)(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管(guan)(guan),即同质结(jie)晶(jing)体(ti)管(guan)(guan)中(zhong),发(fa)射极(ji)(ji)(ji)(ji)到(dao)基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)载流子注(zhu)入效(xiao)率主要是由发(fa)射极(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)掺杂比例决定的(de)。在这种情况下,为了得到(dao)较高的(de)注(zhu)入效(xiao)率,必须对基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)区域进(jin)行轻掺杂,这样就不可避免地使增大了基(ji)极(ji)(ji)(ji)(ji)电阻。
如左边的(de)(de)(de)(de)示意图中,代表(biao)空(kong)穴(xue)从基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)到(dao)达(da)发(fa)射极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)跨越的(de)(de)(de)(de)势(shi)差;而则代表(biao)电子(zi)从发(fa)射极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)到(dao)达(da)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)跨越的(de)(de)(de)(de)势(shi)差。由于发(fa)射结(jie)(jie)具有(you)异(yi)质结(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)结(jie)(jie)构,可以使,从而提高了发(fa)射极(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)注(zhu)入效率。在(zai)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)里,半导体(ti)材料的(de)(de)(de)(de)组分(fen)分(fen)布不均(jun),造成缓变的(de)(de)(de)(de)基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)禁带宽度(du)(du),其梯度(du)(du)为(wei)以表(biao)示。这(zhei)一缓变禁带宽度(du)(du),可以为(wei)少数载流(liu)子(zi)提供(gong)一个内在(zai)电场,使它们(men)加速通(tong)过基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)。这(zhei)个漂移运动将与扩散运动产生(sheng)协同作用,减少电子(zi)通(tong)过基(ji)极(ji)(ji)(ji)区(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)(de)(de)(de)渡(du)越时间,从而改善(shan)双极(ji)(ji)(ji)性晶(jing)体(ti)管的(de)(de)(de)(de)高频(pin)性能(neng)。
尽(jin)管(guan)有许(xu)多不同的(de)(de)半导体(ti)可用来构成异质(zhi)结(jie)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan),硅-锗异质(zhi)结(jie)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)和(he)铝-砷化镓异质(zhi)结(jie)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)更常用。制造异质(zhi)结(jie)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)的(de)(de)工艺为晶(jing)(jing)体(ti)外(wai)(wai)延技术,例如金(jin)属(shu)有机物气相外(wai)(wai)延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和(he)分(fen)子束外(wai)(wai)延。
联系方式:邹先生
联系电话:0755-83888366-8022
手(shou)机:18123972950
QQ:2880195519
联系(xi)地址:深(shen)圳(zhen)市福田(tian)区车(che)公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1
请搜微信(xin)公(gong)众号(hao):“KIA半导体”或(huo)扫(sao)一扫(sao)下图(tu)“关注”官方微信(xin)公(gong)众号(hao)
请“关注(zhu)”官(guan)方微信公众号:提供 MOS管 技(ji)术帮助(zhu)