三極管的工作原理及特性

三極管之所以運(yùn)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(gè)閥門開關(guān)，閥門開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)與符號

三極管內(nèi)部機(jī)構(gòu)要求：（此處只說結(jié)論，后面介紹原因）

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(fù)合機(jī)會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個(gè)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(guān)。同時(shí)三極管有三個(gè)工作區(qū)間，分別是：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。這三個(gè)區(qū)域的工作原理會在后面詳細(xì)介紹。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(shí)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(shè)置正向偏置、給集電極設(shè)置反向偏置，如下圖所示。

由于發(fā)射極正偏，發(fā)射極的多數(shù)載流子（無論是P的空穴還是N的自由電子）會不斷擴(kuò)散到基極，并不斷從電源補(bǔ)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(kuò)散過來的多子只有很少一部分和基極的多子復(fù)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(kuò)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。

我們可以換一種角度看這個(gè)過程，如果將中間的基極去掉，正偏和反偏的兩個(gè)電源其實(shí)極性是相同的，串聯(lián)成了一個(gè)電壓更高的電源。發(fā)射極和集電極的半導(dǎo)體性質(zhì)也是相同的，成為了一整塊半導(dǎo)體，于是就退化成了下面這個(gè)電路。

于是可以理解成三極管就是人為的在上述電路中加了一個(gè)閘門，用很小的電流IB可以使閘門打開，形成很大的電流IC。有了以上的知識，同時(shí)可以得出三種電流之間的關(guān)系式。

且在放大區(qū)狀態(tài)下工作時(shí)有：

在放大區(qū)工作時(shí)三極管內(nèi)部載流子的傳輸與電流分配示意圖如下圖所示。

三極管的特性曲線以及飽和區(qū)和截止區(qū)

先以之前水庫閘門的例子通俗的說明一下飽和區(qū)和截止區(qū)的含義。無論水庫儲水量有多大，閘門不開（IB=0）水庫的水都沒有辦法從集電極流出，這就是截止區(qū)。當(dāng)水庫的閘門已經(jīng)完全打開之后（IB達(dá)到了一定值），從集電極流出的水量只與集電極和發(fā)射極之間的儲水量（壓差）有關(guān)，已經(jīng)與IB值的大小無關(guān)了，這就是飽和區(qū)。下面就介紹一下三極管的特性曲線，進(jìn)一步強(qiáng)化對于三種工作區(qū)域的理解。測試三極管特征曲線的測試電路如圖下所示。（注：UBB=UBE，UCC=UCE）。

輸入特性曲線：

在UCE一定的情況下，IB與UBE之間的關(guān)系曲線如下：

分析一下輸入特性曲線：

1、就右側(cè)圖中一條線紅色曲線來看，即在UCE恒定的情況下，UBE會經(jīng)歷一個(gè)死區(qū)電壓。這段區(qū)域內(nèi)BE間PN結(jié)還沒有達(dá)到導(dǎo)通電壓，所以基極沒有電流。當(dāng)達(dá)到BE間PN結(jié)導(dǎo)通電壓后，UBE越大其BE結(jié)擴(kuò)散效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致基極電流越大。

2、對于在UBE相同的情況下，UCE越大IB越小的現(xiàn)象可以這樣解釋，UCE的增加相當(dāng)于是增加了集電極的反偏電壓，于是就增大了集電極的耗盡層的寬度，進(jìn)而減小了基極的有效寬度。于是在基極的有效復(fù)合減少，從而電流減小。

3、但是為什么當(dāng)UCE達(dá)到一定值（1V）之后就不再影響IB？

輸出特性曲線：

在一定基極電流IB的情況下，集電極電流IC與集電極電壓UCE之間的關(guān)系曲線如下：

截止區(qū)：（發(fā)射極反向偏置，集電極反向偏置）

此時(shí)IB很小，可以理解成UBE很小，BE之間的PN結(jié)沒有達(dá)到導(dǎo)通電壓，即前面說的閥門沒有打開。所以IC和IE幾乎為0。整個(gè)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。

放大區(qū)：（發(fā)射極正向偏置，集電極反向偏置）

此時(shí)IB已經(jīng)達(dá)到了導(dǎo)通BE之間PN結(jié)的大小，但是此時(shí)IB相對較小，閘門還沒完全打開。閘門的大小收到IB的控制。于是CE之間的電流大小完全與IB成正比。

飽和區(qū)：（發(fā)射極正向偏置，集電極正向偏置）

此時(shí)IB已經(jīng)達(dá)到了完全導(dǎo)通BE之間PN結(jié)的大小，閘門已經(jīng)完全打開。于是CE之間的電流大小受到UCE的影響，已經(jīng)不再受IB的控制。

輸出特性曲線飽和區(qū)詳解

在上面的描述中無論是截止區(qū)還是放大區(qū)都相對容易理解，但是對于飽和區(qū)就不太容易理解了。

首先三極管導(dǎo)電的原理是：射極和基極之間正偏，發(fā)射極有電子可以注入基極。其中極少部分與基極的多子復(fù)合后仍有大量的電子處于基極邊緣。此時(shí)集電極和基極之間反偏，于是集電極有足夠的吸引電子的能力。此時(shí)只要基極電流增大就意味著有更多的電子處于基極和集電極邊緣，此時(shí)這些電子全部可以被集電極吸走。于是此時(shí)的IC只受到IB的控制。

但是當(dāng)UCE逐漸減小，吸引電子的能力逐漸下降。當(dāng)在IB的作用下注入基極和集電極之間的電子沒有辦法被集電極全部吸走的時(shí)候，也就是隨著IB的增大，IC的增大量與對應(yīng)放大區(qū)相比減小或者不再增大的時(shí)候，就進(jìn)入了飽和區(qū)。所以所謂的飽和區(qū)指的是集電極的吸收電子能力的飽和。

工程上近似認(rèn)為UCE=UBE時(shí)為臨界飽和，但飽和曲線的真正物理意義應(yīng)該是要得到某一數(shù)值的IC，至少需要加上多大的UCE。

為什么IB小電流可以拉出IC大電流：

其實(shí)這個(gè)問題在之前的介紹中已經(jīng)有所解釋，這里再集中強(qiáng)調(diào)一下。在三極管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下。

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性（發(fā)射區(qū)參雜濃度很高；基區(qū)做得很薄且參雜濃度極低；集電區(qū)體積較大，參雜濃度介于發(fā)射極與基極之間）從而形成了一種特殊的結(jié)構(gòu)，就是基極相當(dāng)于在一塊導(dǎo)體（發(fā)射極加集電極）之間加了一層薄薄的阻隔柵，而只需要很小的驅(qū)動(dòng)力（UBE=0.7V，由于基極很薄，驅(qū)動(dòng)電流也在uA量級）就可以將阻隔柵打開。而一旦打開這層阻隔，真正的驅(qū)動(dòng)電流是由UCE驅(qū)動(dòng)的。

場效應(yīng)管的工作原理及特性

場效應(yīng)管（FET）分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體。下面以增強(qiáng)型NMOS為例，介紹MOS管的工作原理。

MOS管的基本結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型NMOS的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，在參雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高參雜濃度的N型溝槽。分別用鋁從兩個(gè)N型溝槽中引出兩個(gè)電極分別作為源極S和漏極D（此時(shí)的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上沒有區(qū)別是可以互換的）。然后在半導(dǎo)體的表面覆蓋一層很薄的SiO2絕緣層。在漏源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極；作為柵極G。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B。

在出廠前大多數(shù)MOS管的襯底已經(jīng)和源極連在了一起，此時(shí)源極S和漏極D就有了區(qū)別，不能再互換了。

MOS管出現(xiàn)導(dǎo)電溝道（反型層的形成）：

在UGS=0時(shí)，無論UDS的大小和極性，都會使得2個(gè)GS和DG這兩個(gè)PN結(jié)中一個(gè)正偏，另一個(gè)反偏。但是由于兩個(gè)N區(qū)之間被P襯底隔離，所以沒有辦法形成電流，情況如下圖所示。

當(dāng)在柵源極之間加上正向電壓（所謂的正向電壓永遠(yuǎn)是指電場方向是從P區(qū)指向N區(qū)）后，則在柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場，這個(gè)電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的少子電子被吸引到襯底表面。當(dāng)UGS增加大一定大小時(shí)，隨著SiO2絕緣層中電場的增強(qiáng)，會將更多的電子吸引到P襯底的表面，于是柵極附近會形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N區(qū)聯(lián)通。此時(shí)就形成了導(dǎo)電溝道，于是在DS之間就有電流可以通過了，其情況如下圖所示：

在這個(gè)階段，如果UDS保持不變，UGS增加會導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變厚，從而ID變大。

MOS管預(yù)夾斷的形成

（預(yù)夾斷的形成是在理解初期的一個(gè)難點(diǎn)，這里的描述是參考了一些文獻(xiàn)之后自己的理解，正確性還需要考證）。當(dāng)UGS>UGSTH時(shí)，導(dǎo)電溝道形成，與S和D極連在一起形成了一個(gè)大的N型半導(dǎo)體。所以當(dāng)在DS間加上正電壓之后，電流可以在N型半導(dǎo)體中流動(dòng)。

設(shè)想U(xiǎn)DS=0時(shí)，ID=0，SiO2絕緣層與導(dǎo)電溝道之間的電場是均勻分布的，即從D到S的導(dǎo)電溝道一樣厚。但是導(dǎo)電溝道作為導(dǎo)體的一部分，一定是有電阻的。隨著UDS的增加，ID的增大，靠近S端的電勢會比靠近N處的電勢要低。這里很重要的一點(diǎn)是在這個(gè)過程中SiO2平面上各個(gè)點(diǎn)的電勢是均勻的，所以在導(dǎo)電溝道不同點(diǎn)與SiO2之間的電場強(qiáng)度是不一樣的。

如果以S端的電勢為0的話，隨著ID的不斷增大，D點(diǎn)的電勢會達(dá)到UGS-UGSTH。此時(shí)UG與UD之間的電勢差為UGSTH，此時(shí)靠近D點(diǎn)處的電勢差恰好達(dá)到可以產(chǎn)生導(dǎo)電溝道的情況，于是在D極處就開始出現(xiàn)如下圖所示的預(yù)夾斷。

隨著ID的繼續(xù)增大，預(yù)夾斷的點(diǎn)會不斷往左移動(dòng)，如下圖所示。但是無論如何移動(dòng)，預(yù)夾斷點(diǎn)與G之間的電壓差保持為|UGSTH|。

另外非常重要的一點(diǎn)是，在預(yù)夾斷的區(qū)域內(nèi)，縱向的電勢差不足以出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，但是由于DS間的電勢差都落在了這段預(yù)夾斷區(qū)域內(nèi)（即D極至夾斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，且方向是從D極橫向指向夾斷點(diǎn)），于是夾斷區(qū)內(nèi)有很強(qiáng)的橫向電場。于是當(dāng)載流子到達(dá)夾斷區(qū)邊沿時(shí)，會被電場拉出，從D極輸出。所以預(yù)夾斷并不是不能導(dǎo)電，反而可以很好地完成導(dǎo)電。

預(yù)夾斷的過程中ID為什么不變：

有了以上認(rèn)識就可以解釋為什么在預(yù)夾斷過程中UDS繼續(xù)增大，ID的值可以保持不變。在進(jìn)入預(yù)夾斷之后，UDS繼續(xù)增大的過程中，夾斷點(diǎn)不斷向S極移動(dòng)，但是保持了夾斷點(diǎn)和S極之間的電壓保持不變（數(shù)值上等于|UGSTH|）。即增加的UDS的電壓全部落在了夾斷區(qū)內(nèi)。（這里有一點(diǎn)沒法從原理上解釋，但是可以從結(jié)果反推，就是雖然導(dǎo)電溝道的長度在縮短，但是電阻值沒有什么變化）于是ID的值保持不變。

當(dāng)反向電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候就出現(xiàn)了反向擊穿，場效應(yīng)管就壞了。

場效應(yīng)管的特性曲線

圖23和圖24的左側(cè)為漏極輸出特性曲線，右側(cè)為轉(zhuǎn)移特性曲線。

特性曲線中在VGS=-4V的曲線下方可以成為截止區(qū)，該區(qū)域的情況是VGS還沒有到達(dá)導(dǎo)電溝道導(dǎo)通電壓，整個(gè)MOS管還沒有開始導(dǎo)電?？勺冸娮鑵^(qū)又稱為放大區(qū)，在VDS一定的的情況下ID的大小直接受到VGS的控制，且基本為線性關(guān)系。注意三極管中的放大區(qū)和MOS管的放大區(qū)有很大區(qū)別，不能覺得是相似的。恒流區(qū)又稱為飽和區(qū)，此時(shí)ID大小只收到VGS的控制，VDS變化過程中ID的大小不變。

場效應(yīng)管的符號

1、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵性場效應(yīng)管（MOSFET）的區(qū)別

本文中詳細(xì)介紹的是絕緣柵型場效應(yīng)管，如上圖右側(cè)圖所示。而左側(cè)這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)型場效應(yīng)管，其工作原理大致如下：

在UGS沒有電壓的情況下，在兩個(gè)P區(qū)之間形成N區(qū)通道，連接著D極和S極。當(dāng)UDS有電壓時(shí)在N型半導(dǎo)體內(nèi)形成電流。當(dāng)G、S間加上反向電壓UGS后（所謂反向電壓是指從N區(qū)指向P區(qū)的電壓），在電場力作用下N區(qū)通道逐漸變窄，直至消失，從而ID減為0。其特性曲線如圖 27所示。

1、增強(qiáng)型絕緣柵晶體管和耗盡型絕緣柵晶體管

本文中詳細(xì)介紹的是增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管，耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管在SiO2絕緣層中摻雜了大量的金屬正離子，所以在UGS沒有電壓的情況下這些正離子感應(yīng)出反型層，形成導(dǎo)電溝道；于是UGS的作用就是抑制導(dǎo)電溝道。

1、P溝道還是N溝道

就是中間的半導(dǎo)體類型是P還是N。

2、符號的說明

只有一根垂直線的為結(jié)型場效應(yīng)管；兩個(gè)線的為絕緣柵型晶體管。第二根線為虛線，為增強(qiáng)型絕緣柵型晶體管；為實(shí)線的為耗盡型晶體管。箭頭永遠(yuǎn)從P指向N，而且永遠(yuǎn)是從G（漏）極輸出。結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型晶體管箭頭作用看起來有點(diǎn)反的原因是G極的位置不同了。
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