三極管和MOS管的工作原理

在前面我們講了，半導(dǎo)體器件主要可以分為二極管類和三極管類。本文主要講解三極管類器件的原理，以及它們在工程學(xué)上的基本應(yīng)用。毫無疑問，二極管和三極管類器件的出現(xiàn)，拉開了邏輯電路的序幕。那么，三極管類器件和邏輯電路由有什么關(guān)系呢？在探討這個話題之前，我們有必要先學(xué)習(xí)下三極管類器件的基本原理的學(xué)習(xí)。

三極管和MOS管的工作原理

前面的知識，我們可以簡單總結(jié)為2部分：

1.電子存在于萬物之中，自然狀態(tài)下，物體是否導(dǎo)電，取決于它內(nèi)部自由電子的多少。自由電子多，導(dǎo)電性能良好的物體稱為導(dǎo)體。自由電子少，導(dǎo)電性能差的物體，稱為絕緣體。導(dǎo)電性能既可以好，又可以不好的物體，稱為半導(dǎo)體。注意：導(dǎo)體和絕緣體的定義永遠(yuǎn)都是相對的。物體A通流1mA，物體B通流1uA。我們可以定義物體A為導(dǎo)體，物體B為絕緣體。同樣地，物體A通流1mA，物體B可通流1A。則物體B為導(dǎo)體，物體A為絕緣體。

2.半導(dǎo)體器件是否導(dǎo)電，取決于其內(nèi)部載流子的多少，而半導(dǎo)體器件內(nèi)部載流子有2類，分別為電子（自由電子）和空穴（離子）。自由電子的運動方向與電場方向相反，空穴的運動方向與電場方向相同。電子數(shù)量遠(yuǎn)多于空穴數(shù)量的半導(dǎo)體，因電子帶負(fù)電，稱為N型半導(dǎo)體（Negative）。空穴數(shù)量遠(yuǎn)多于電子數(shù)量的半導(dǎo)體，因空穴帶正電，稱為P型半導(dǎo)體（Positive）。

NPN三極管的工作原理

對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成（摻雜工藝一體成型，并非拼接），發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e （Emitter）、基極b (Base)和集電極c (Collector)。如下圖所示：

在制作時，C區(qū)摻雜低濃度自由電子，B區(qū)摻雜中量的空穴，而且要做的很薄，E區(qū)摻雜高濃度的自由電子。三極管導(dǎo)通的條件是B相對E極加正電壓（發(fā)射結(jié)正偏）。 C極相對B極加正電壓（集電結(jié)反偏）。如下圖所示：

A．接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）通過外部偏置電源E1和導(dǎo)線流入基區(qū)，而基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）通過外部電源和導(dǎo)線流入發(fā)射區(qū)。

B．由于發(fā)射區(qū)電子的的濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)空穴的濃度，所以在基區(qū)和發(fā)射區(qū)，空穴和電子復(fù)合（帶負(fù)電的電子和帶正電的離子結(jié)合成不帶電的分子，稱為復(fù)合）后，還剩余很多自由電子，在基區(qū)集結(jié)了大量自由電子后，由于集電結(jié)反偏，只要基區(qū)內(nèi)有靠近集電結(jié)的自由電子，都會被反向集電結(jié)的強電場作用，掃入到集區(qū)。

我們發(fā)現(xiàn)大量的發(fā)射區(qū)的電子經(jīng)過外部電源E1和導(dǎo)線流入基區(qū)，由于發(fā)射結(jié)正向?qū)?，形?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流回路，這股電子流稱為發(fā)射極電流IE（Emitter Current）。

這些電子中的一少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合消失，同時又不斷產(chǎn)生，所以，等效復(fù)合掉又產(chǎn)生的電子，形成的電流回路，稱為基極電流IB。

即使復(fù)合掉一部分，還剩余的大部分電子在基區(qū)，這些電子經(jīng)過集電結(jié)的反偏電壓，被集電結(jié)的電場力掃入到集區(qū)內(nèi)，到達(dá)集電區(qū)，由于集電區(qū)本身自由電子濃度高，可以形成擴(kuò)散電流，再經(jīng)過E2和導(dǎo)線，形成電流回路。這個電流稱為集極電流IC。

從電子的形成過程，我們可以看出：

IE=IC+IB，且IC遠(yuǎn)大于IB。

此處一定要關(guān)注電流的定義：電流由電子移動時產(chǎn)生，且必須有回路。正偏的發(fā)射結(jié)電壓，使得大量的電子從發(fā)射區(qū)到達(dá)基區(qū)，但是只有少數(shù)電子從基區(qū)到達(dá)了發(fā)射區(qū)（經(jīng)過擴(kuò)散和重新產(chǎn)生）。所以我們發(fā)現(xiàn)，到達(dá)基區(qū)的電子很多，但是發(fā)射結(jié)電流卻很小。剩余的大部分電子只有在集電結(jié)增加足夠的反偏電壓后，才能形成回路，重新到達(dá)發(fā)射區(qū)。

所以以上過程又可以等效描述為：產(chǎn)生很小的IB，伴隨產(chǎn)生著很多的自由電子，這些電子只有在集電結(jié)增加反偏電壓后，才能形成回路，產(chǎn)生真正的大電流IC。所以我們稱晶體管器件為電流控制型放大器件。

為了表征這一放大特征，我們定義兩個直流放大倍數(shù)：β=IC/IB，α=IC/IE。這兩個值決定了晶體管的電流放大能力。

如上即為NPN三極晶體管的工作原理。 PNP型三極管原理類似。

N型MOS管的工作原理

NMOS全稱為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體。其結(jié)構(gòu)如下：在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底（提供大量可以動空穴）上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)(N+區(qū)域中有大量為電流流動提供自由電子的電子源)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極D和源極S。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極（通常是多晶硅），作為柵極G。在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管。 MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好，也可以不連接，作為模擬開關(guān)使用)。

通過以上結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，

NMOS管在默認(rèn)狀態(tài)下，由于漏極和源極（N型）之間隔著P型半導(dǎo)體，會形成由P指向N的2圈PN結(jié)，阻止自由電子的流動，我們稱為NMOS管是截止?fàn)顟B(tài)。

在柵極相對S極（或者B極）增加正向電壓后，此時N型半導(dǎo)體的源極和漏極的電子，由于電場作用，想流向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中（見圖b），使得P型半導(dǎo)體中產(chǎn)生了一部分N溝道，使源極和漏極之間導(dǎo)通了。我們也可以想像為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。

所以以上過程又可以描述為：在G極相對S極（或B極）增加電壓后，會使得原本隔離開的兩個N型半導(dǎo)體之間形成一段N型溝道，大量的自由電子聚集在N型半導(dǎo)體區(qū)域后，通過在D極和S極增加電壓，就可以使得原本不導(dǎo)通的MOS管導(dǎo)通。所以我們稱MOS管器件為電壓控制型放大器件。

我們定義MOS管溝道剛剛形成時的GS極（或者GB）電壓為開啟電壓Vgsth。 Vgs越大，溝道越厚，D極與S極導(dǎo)電能力越強。

為了表征放大特征，常使用GS與電流的關(guān)系式表達(dá)MOS管的放大能力。