双极结和场效应晶体管（BJT和FET）及PN结二极管等知识详解

晶体(ti)(ti)管”是(shi)(shi)指可以执行开(kai)关(guan)和放(fang)大的(de)(de)半(ban)导(dao)体(ti)(ti)器(qi)件(jian)。 它可以用作开(kai)关(guan)或放(fang)大器(qi)的(de)(de)电子设备称(cheng)为有源组(zu)件(jian)。 电开(kai)关(guan)和放(fang)大并不是(shi)(shi)从(cong)1948年晶体(ti)(ti)管的(de)(de)发明开(kai)始的(de)(de)。 但是(shi)(shi)，本(ben)发明是(shi)(shi)一个新时代的(de)(de)开(kai)始，因为与晶体(ti)(ti)管扩散之前(qian)使用的(de)(de)有源组(zu)件(jian)（称(cheng)为真(zhen)空管）相(xiang)比，晶体(ti)(ti)管体(ti)(ti)积(ji)小，效率(lv)高(gao)且具有机械弹性。下面我们先来看(kan)看(kan)PN结。

PN结二极管和二极管特性

当我们专注(zhu)于半导体操作的物理学(xue)时，我们使用(yong)术语pn结(jie)； 当我们专注(zhu)于电路(lu)设(she)计时，我们使用(yong)二极管一词。 但(dan)是(shi)它们本质(zhi)上(shang)是(shi)同一回事：基本的半导体二极管是(shi)连接有导电端子的pn结(jie)。 首先让我们看一下(xia)图表，然后我们将简要探讨这个(ge)极为重要的电路(lu)元件的行为。

左边的(de)实心圆(yuan)是(shi)空(kong)(kong)穴，右边的(de)实心圆(yuan)是(shi)电(dian)(dian)(dian)子。耗尽(jin)区由(you)与(yu)来(lai)自(zi)n型半导(dao)体的(de)自(zi)由(you)电(dian)(dian)(dian)子重新(xin)结(jie)(jie)合的(de)空(kong)(kong)穴（这些重新(xin)结(jie)(jie)合的(de)空(kong)(kong)穴由(you)带圆(yuan)圈(quan)(quan)的(de)负(fu)号表示）和(he)与(yu)来(lai)自(zi)p型半导(dao)体的(de)空(kong)(kong)穴重新(xin)结(jie)(jie)合的(de)电(dian)(dian)(dian)子（以圆(yuan)圈(quan)(quan)正号表示）组成。该复合导(dao)致耗尽(jin)区的(de)p型部(bu)(bu)分(fen)带负(fu)电(dian)(dian)(dian)，并且耗尽(jin)区的(de)n型部(bu)(bu)分(fen)带正电(dian)(dian)(dian)。

在p型和n型材料的接(jie)合(he)处电荷的分离会导致电位差，称(cheng)为(wei)(wei)接(jie)触电位。在硅pn结二极管(guan)中，接(jie)触电势约为(wei)(wei)0.6V。如(ru)上图所示，该电势的极性与我(wo)们(men)预期的相反：在n型侧(ce)为(wei)(wei)正(zheng)，而在p型侧(ce)为(wei)(wei)负。

电流可以通过扩散流过结-由于结两部分的(de)电荷载流子浓度不同，一些来自(zi)(zi)p型(xing)材(cai)(cai)料(liao)的(de)空穴将(jiang)扩散到(dao)n型(xing)材(cai)(cai)料(liao)中，而一些来自(zi)(zi)n型(xing)电子型(xing)材(cai)(cai)料(liao)将(jiang)扩散到(dao)p型(xing)材(cai)(cai)料(liao)中。但(dan)是(shi)，几乎(hu)没有(you)电流流过，因(yin)为(wei)接(jie)触电势对(dui)该扩散电流起阻挡作用(yong)。此时，我们将(jiang)开始使用(yong)术语势垒(lei)电压代替接(jie)触电势。

正向和反向偏置

如果我(wo)们将(jiang)二(er)极(ji)管连接到电(dian)(dian)(dian)池(chi)上，使得电(dian)(dian)(dian)池(chi)的电(dian)(dian)(dian)压与势垒(lei)电(dian)(dian)(dian)压具有相同的极(ji)性，则(ze)结点将(jiang)被反(fan)向偏(pian)置(zhi)。 由于我(wo)们正在增加势垒(lei)电(dian)(dian)(dian)压，因此扩散电(dian)(dian)(dian)流进一步受到阻碍(ai)。

施(shi)加反向偏(pian)置电(dian)压(ya)(ya)会使(shi)结(jie)的(de)(de)耗尽(jin)区变宽。另一方面，如果我(wo)(wo)(wo)们(men)将电(dian)池的(de)(de)正(zheng)极(ji)连接到(dao)二极(ji)管(guan)的(de)(de)p型侧，而(er)负极(ji)将连接到(dao)n型侧，则(ze)我(wo)(wo)(wo)们(men)正(zheng)在(zai)降低(di)势垒(lei)(lei)电(dian)压(ya)(ya)，从而(er)促(cu)进电(dian)荷载流(liu)子在(zai)结(jie)上(shang)的(de)(de)扩散(san)。 但是，在(zai)我(wo)(wo)(wo)们(men)克服势垒(lei)(lei)电(dian)压(ya)(ya)并(bing)(bing)完(wan)全耗尽(jin)耗尽(jin)区之前，电(dian)流(liu)量(liang)将保持相当低(di)的(de)(de)水平。 这在(zai)施(shi)加的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)等于势垒(lei)(lei)电(dian)压(ya)(ya)时发(fa)生，并(bing)(bing)且在(zai)这些正(zheng)向偏(pian)置条(tiao)件下，电(dian)流(liu)开(kai)始自(zi)由流(liu)过二极(ji)管(guan)。

二极管作为电路组件

首先(xian)，当以(yi)反向(xiang)(xiang)偏(pian)压极(ji)性施加(jia)电压时(shi)，pn结阻(zu)止电流(liu)流(liu)动(dong)(dong)，而当以(yi)正(zheng)偏(pian)压极(ji)性施加(jia)电压时(shi)，pn结允许电流(liu)流(liu)动(dong)(dong)。 这就是为什么二极(ji)管(guan)可以(yi)用作电流(liu)的单向(xiang)(xiang)阀(fa)的原(yuan)因。

其(qi)次(ci)，当(dang)施加的正向偏(pian)置电(dian)压(ya)接近势(shi)垒(lei)电(dian)压(ya)时(shi)，流(liu)过二(er)极管的电(dian)流(liu)呈(cheng)指数增长。 这种指数电(dian)压(ya)-电(dian)流(liu)关(guan)系(xi)使正向偏(pian)置二(er)极管的电(dian)压(ya)降(jiang)保持相当(dang)稳定，如下图所示(shi)。

二极管的(de)(de)工作量可以近似为一个恒定的(de)(de)电压(ya)降，因为很小的(de)(de)电压(ya)增加对应于很大的(de)(de)电流(liu)增加。

下图阐明了二(er)极管(guan)的(de)物理结构，其电(dian)路符号以及我们用于其两个(ge)端子的(de)名称之间的(de)关(guan)系(xi)。 施(shi)加正向偏置电(dian)压会(hui)使电(dian)流沿(yan)蓝色(se)箭头方(fang)向流动。

双极结型晶体管

在上面的讲述(shu)中，我们了(le)解了(le)pn结的特(te)殊特(te)性。 如果我们将另一部(bu)分(fen)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)材料添(tian)(tian)加到pn结，则将有一个双极结晶(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)（BJT）。 如下图所(suo)示(shi)，我们可以(yi)添(tian)(tian)加一部(bu)分(fen)n型(xing)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)来创(chuang)建一个npn晶(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)，或者我们可以(yi)添(tian)(tian)加一部(bu)分(fen)p型(xing)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)来形成一个pnp晶(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)。

n型和p型半导体(ti)的三层组(zu)合产生了一个三端(duan)(duan)子(zi)设备(bei)，该设备(bei)允(yun)许流(liu)过基极(ji)(ji)(ji)端(duan)(duan)子(zi)的电(dian)(dian)流(liu)较小(xiao)，从(cong)而调节(jie)(jie)发射(she)极(ji)(ji)(ji)和集电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)端(duan)(duan)子(zi)之间(jian)的较大电(dian)(dian)流(liu)。在npn晶体(ti)管(guan)(guan)中(zhong)，控制电(dian)(dian)流(liu)从(cong)基极(ji)(ji)(ji)流(liu)向发射(she)极(ji)(ji)(ji)，调节(jie)(jie)电(dian)(dian)流(liu)从(cong)集电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)流(liu)向发射(she)极(ji)(ji)(ji)。 在pnp晶体(ti)管(guan)(guan)中(zhong)，控制电(dian)(dian)流(liu)从(cong)发射(she)极(ji)(ji)(ji)流(liu)到基极(ji)(ji)(ji)，调节(jie)(jie)电(dian)(dian)流(liu)从(cong)发射(she)极(ji)(ji)(ji)流(liu)到集电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)。 下(xia)图(tu)中(zhong)的箭(jian)头表示了这些当前模(mo)式。

场效应晶体管

顾(gu)名(ming)思义(yi)，场(chang)效应晶体(ti)管（FET）使用电(dian)场(chang)来调节电(dian)流(liu)(liu)。 因(yin)此，我们可以(yi)将(jiang)BJT和(he)FET视为(wei)半导体(ti)放大和(he)开关这一主题的两个基(ji)本变化(hua)：BJT允许小电(dian)流(liu)(liu)调节大电(dian)流(liu)(liu)，而FET允许小电(dian)压调节大电(dian)流(liu)(liu)。

场效应晶体管由(you)两个(ge)被沟(gou)道(dao)隔开的(de)掺杂(za)半导体区域组(zu)成，并且(qie)以(yi)改变沟(gou)道(dao)的(de)载(zai)流特(te)性的(de)方式向器件施加电压。下图使您了(le)解其工(gong)作(zuo)原理。

如您所见，被通道隔开的(de)端子称为源极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)，而栅极(ji)(ji)是施(shi)加控制(zhi)电压的(de)端子。 尽管(guan)此(ci)图有助于介绍一般的(de)FET操作，但实际上是在描述一种相(xiang)对不(bu)常见的(de)器件(jian)，称为结(jie)型场(chang)效(xiao)应(ying)晶(jing)体(ti)管(guan)（JFET）。如今，绝(jue)大多(duo)数(shu)场(chang)效(xiao)应(ying)晶(jing)体(ti)管(guan)是金属氧(yang)化物(wu)半导体(ti)场(chang)效(xiao)应(ying)晶(jing)体(ti)管(guan)（MOSFET）。

MOSFET具(ju)有将栅极与沟(gou)(gou)道分(fen)隔开的绝缘(yuan)层。 因此，与BJT不同，MOSFET不需要(yao)稳态输入电流(liu)(liu)。 通过(guo)施加电压可(ke)以简单地调(diao)节流(liu)(liu)过(guo)通道的电流(liu)(liu)。 下(xia)图显示了n沟(gou)(gou)道MOSFET（也(ye)称(cheng)为(wei)NMOS晶(jing)体(ti)管(guan)）的物理结构和基本操作(zuo)。 NMOS晶(jing)体(ti)管(guan)中的多(duo)数载流(liu)(liu)子(zi)是(shi)电子(zi)； 具(ju)有空穴作(zuo)为(wei)多(duo)数载流(liu)(liu)子(zi)的p型晶(jing)体(ti)管(guan)称(cheng)为(wei)p沟(gou)(gou)道MOSFET或PMOS晶(jing)体(ti)管(guan)。

两个重(zhong)掺(chan)杂的n型区域(yu)被p型沟道隔开(kai)。 假设源(yuan)和基板都接地。如果栅极(ji)也(ye)接地，则电(dian)流(liu)将(jiang)无(wu)法流(liu)过沟道，因为(wei)施加(jia)到漏极(ji)的电(dian)压会导(dao)致反向偏置的pn结。然而，施加(jia)到栅极(ji)的正电(dian)压排斥(chi)沟道中的空穴，从而产生耗尽区，并从源(yuan)极(ji)和漏极(ji)部(bu)分吸(xi)引电(dian)子。

如果电压(ya)足够(gou)高，则通(tong)道将具有足够(gou)的移(yi)动(dong)电子，以在(zai)向(xiang)漏极施(shi)加电压(ya)时允许(xu)电流从漏极流向(xiang)源极。

总结

由(you)于它们允许较小(xiao)的(de)电流(liu)或电压来调节电流(liu)，因此(ci)BJT和MOSFET可(ke)以用作(zuo)(zuo)电子开(kai)关(guan)和放大(da)器。 开(kai)关(guan)动作(zuo)(zuo)是通(tong)过提供(gong)在两(liang)种(zhong)状态(tai)之(zhi)间转换的(de)输(shu)入信(xin)(xin)号(hao)来完成(cheng)的(de)。这些输(shu)入状态(tai)之(zhi)一导致全电流(liu)流(liu)动，而另一个导致零电流(liu)流(liu)动。通(tong)过偏置晶体管(guan)来实现放大(da)，以便较小(xiao)的(de)输(shu)入信(xin)(xin)号(hao)变化(hua)会在电流(liu)中产(chan)生相应的(de)较大(da)幅度(du)变化(hua)。

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