雙極結(jié)和場效應(yīng)晶體管(BJT和FET)及PN結(jié)二極管等知識詳解-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-08-11
晶體管”是指可以執(zhí)行開關(guān)和放大的半導體器件。 它可以用作開關(guān)或放大器的電子設(shè)備稱為有源組件。 電開關(guān)和放大并不是從1948年晶體管的發(fā)明開始的。 但是,本發(fā)明是一個新時代的開始,因為與晶體管擴散之前使用的有源組件(稱為真空管)相比,晶體管體積小,效率高且具有機械彈性。下面我們先來看看PN結(jié)。
當我們專注于半導體操作的物理學時,我們使用術(shù)語pn結(jié); 當我們專注于電路設(shè)計時,我們使用二極管一詞。 但是它們本質(zhì)上是同一回事:基本的半導體二極管是連接有導電端子的pn結(jié)。 首先讓我們看一下圖表,然后我們將簡要探討這個極為重要的電路元件的行為。
左邊的實心圓是空穴,右邊的實心圓是電子。耗盡區(qū)由與來自n型半導體的自由電子重新結(jié)合的空穴(這些重新結(jié)合的空穴由帶圓圈的負號表示)和與來自p型半導體的空穴重新結(jié)合的電子(以圓圈正號表示)組成。該復(fù)合導致耗盡區(qū)的p型部分帶負電,并且耗盡區(qū)的n型部分帶正電。
在p型和n型材料的接合處電荷的分離會導致電位差,稱為接觸電位。在硅pn結(jié)二極管中,接觸電勢約為0.6V。如上圖所示,該電勢的極性與我們預(yù)期的相反:在n型側(cè)為正,而在p型側(cè)為負。
電流可以通過擴散流過結(jié)-由于結(jié)兩部分的電荷載流子濃度不同,一些來自p型材料的空穴將擴散到n型材料中,而一些來自n型電子型材料將擴散到p型材料中。但是,幾乎沒有電流流過,因為接觸電勢對該擴散電流起阻擋作用。此時,我們將開始使用術(shù)語勢壘電壓代替接觸電勢。
如果我們將二極管連接到電池上,使得電池的電壓與勢壘電壓具有相同的極性,則結(jié)點將被反向偏置。 由于我們正在增加勢壘電壓,因此擴散電流進一步受到阻礙。
施加反向偏置電壓會使結(jié)的耗盡區(qū)變寬。另一方面,如果我們將電池的正極連接到二極管的p型側(cè),而負極將連接到n型側(cè),則我們正在降低勢壘電壓,從而促進電荷載流子在結(jié)上的擴散。 但是,在我們克服勢壘電壓并完全耗盡耗盡區(qū)之前,電流量將保持相當?shù)偷乃健?這在施加的電壓等于勢壘電壓時發(fā)生,并且在這些正向偏置條件下,電流開始自由流過二極管。
首先,當以反向偏壓極性施加電壓時,pn結(jié)阻止電流流動,而當以正偏壓極性施加電壓時,pn結(jié)允許電流流動。 這就是為什么二極管可以用作電流的單向閥的原因。
其次,當施加的正向偏置電壓接近勢壘電壓時,流過二極管的電流呈指數(shù)增長。 這種指數(shù)電壓-電流關(guān)系使正向偏置二極管的電壓降保持相當穩(wěn)定,如下圖所示。
二極管的工作量可以近似為一個恒定的電壓降,因為很小的電壓增加對應(yīng)于很大的電流增加。
下圖闡明了二極管的物理結(jié)構(gòu),其電路符號以及我們用于其兩個端子的名稱之間的關(guān)系。 施加正向偏置電壓會使電流沿藍色箭頭方向流動。
在上面的講述中,我們了解了pn結(jié)的特殊特性。 如果我們將另一部分半導體材料添加到pn結(jié),則將有一個雙極結(jié)晶體管(BJT)。 如下圖所示,我們可以添加一部分n型半導體來創(chuàng)建一個npn晶體管,或者我們可以添加一部分p型半導體來形成一個pnp晶體管。
n型和p型半導體的三層組合產(chǎn)生了一個三端子設(shè)備,該設(shè)備允許流過基極端子的電流較小,從而調(diào)節(jié)發(fā)射極和集電極端子之間的較大電流。在npn晶體管中,控制電流從基極流向發(fā)射極,調(diào)節(jié)電流從集電極流向發(fā)射極。 在pnp晶體管中,控制電流從發(fā)射極流到基極,調(diào)節(jié)電流從發(fā)射極流到集電極。 下圖中的箭頭表示了這些當前模式。
顧名思義,場效應(yīng)晶體管(FET)使用電場來調(diào)節(jié)電流。 因此,我們可以將BJT和FET視為半導體放大和開關(guān)這一主題的兩個基本變化:BJT允許小電流調(diào)節(jié)大電流,而FET允許小電壓調(diào)節(jié)大電流。
場效應(yīng)晶體管由兩個被溝道隔開的摻雜半導體區(qū)域組成,并且以改變溝道的載流特性的方式向器件施加電壓。下圖使您了解其工作原理。
如您所見,被通道隔開的端子稱為源極和漏極,而柵極是施加控制電壓的端子。 盡管此圖有助于介紹一般的FET操作,但實際上是在描述一種相對不常見的器件,稱為結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)。如今,絕大多數(shù)場效應(yīng)晶體管是金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
MOSFET具有將柵極與溝道分隔開的絕緣層。 因此,與BJT不同,MOSFET不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流。 通過施加電壓可以簡單地調(diào)節(jié)流過通道的電流。 下圖顯示了n溝道MOSFET(也稱為NMOS晶體管)的物理結(jié)構(gòu)和基本操作。 NMOS晶體管中的多數(shù)載流子是電子; 具有空穴作為多數(shù)載流子的p型晶體管稱為p溝道MOSFET或PMOS晶體管。
兩個重摻雜的n型區(qū)域被p型溝道隔開。 假設(shè)源和基板都接地。如果柵極也接地,則電流將無法流過溝道,因為施加到漏極的電壓會導致反向偏置的pn結(jié)。然而,施加到柵極的正電壓排斥溝道中的空穴,從而產(chǎn)生耗盡區(qū),并從源極和漏極部分吸引電子。
如果電壓足夠高,則通道將具有足夠的移動電子,以在向漏極施加電壓時允許電流從漏極流向源極。
由于它們允許較小的電流或電壓來調(diào)節(jié)電流,因此BJT和MOSFET可以用作電子開關(guān)和放大器。 開關(guān)動作是通過提供在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的輸入信號來完成的。這些輸入狀態(tài)之一導致全電流流動,而另一個導致零電流流動。通過偏置晶體管來實現(xiàn)放大,以便較小的輸入信號變化會在電流中產(chǎn)生相應(yīng)的較大幅度變化。
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