一文解析三極管和MOS管工作原理、特性、符號(hào)等知識(shí)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-06-17
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(guò)小電流控制大電流。形象地說(shuō)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(shuō)明如下所示：
三極管內(nèi)部機(jī)構(gòu)要求：（此處只說(shuō)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(huì)，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。
三極管的主要功能有：交流信號(hào)放大、直流信號(hào)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(huì)在后面詳細(xì)介紹。這里首先介紹的就是交流信號(hào)放大、直流信號(hào)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(wú)論是P的空穴還是N的自由電子）會(huì)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(guò)來(lái)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(lái)的多子會(huì)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(huì)將在集電極邊緣的來(lái)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(guò)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(shí)，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。
先以之前水庫(kù)閘門的例子通俗的說(shuō)明一下飽和區(qū)和截止區(qū)的含義。無(wú)論水庫(kù)儲(chǔ)水量有多大，閘門不開（IB=0）水庫(kù)的水都沒(méi)有辦法從集電極流出，這就是截止區(qū)。當(dāng)水庫(kù)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(chǔ)水量（壓差）有關(guān)，已經(jīng)與IB值的大小無(wú)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(duì)于三種工作區(qū)域的理解。測(cè)試三極管特征曲線的測(cè)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(lái)看，即在UCE恒定的情況下，UBE會(huì)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(méi)有達(dá)到導(dǎo)通電壓，所以基極沒(méi)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(duì)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(méi)有達(dá)到導(dǎo)通電壓，即前面說(shuō)的閥門沒(méi)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(duì)較小，閘門還沒(méi)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。
在上面的描述中無(wú)論是截止區(qū)還是放大區(qū)都相對(duì)容易理解，但是對(duì)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(méi)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(duì)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(wèn)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(jí)）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(chǎng)效應(yīng)管（FET）分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)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。
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(méi)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(wú)論UDS的大小和極性，都會(huì)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(méi)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(chǎng)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(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)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(chǎng)的增強(qiáng)，會(huì)將更多的電子吸引到P襯底的表面，于是柵極附近會(huì)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(guò)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(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變厚，從而ID變大。
（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(chǎng)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(shì)會(huì)比靠近N處的電勢(shì)要低。這里很重要的一點(diǎn)是在這個(gè)過(guò)程中SiO2平面上各個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)是均勻的，所以在導(dǎo)電溝道不同點(diǎn)與SiO2之間的電場(chǎng)強(qiáng)度是不一樣的。
如果以S端的電勢(shì)為0的話，隨著ID的不斷增大，D點(diǎn)的電勢(shì)會(huì)達(dá)到UGS-UGSTH。此時(shí)UG與UD之間的電勢(shì)差為UGSTH，此時(shí)靠近D點(diǎn)處的電勢(shì)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(huì)不斷往左移動(dòng)，如下圖所示。但是無(wú)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(shì)差不足以出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，但是由于DS間的電勢(shì)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(chǎng)。于是當(dāng)載流子到達(dá)夾斷區(qū)邊沿時(shí)，會(huì)被電場(chǎng)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(guò)程中ID為什么不變：
有了以上認(rèn)識(shí)就可以解釋為什么在預(yù)夾斷過(guò)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(guò)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(méi)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(zhǎng)度在縮短，但是電阻值沒(méi)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(chǎng)效應(yīng)管就壞了。
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(méi)有到達(dá)導(dǎo)電溝道導(dǎo)通電壓，整個(gè)MOS管還沒(méi)有開始導(dǎo)電。可變電阻區(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(guò)程中ID的大小不變。
1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵性場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的區(qū)別
本文中詳細(xì)介紹的是絕緣柵型場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管，其工作原理大致如下：
在UGS沒(méi)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管，耗盡型絕緣柵型場(chǎng)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(méi)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(hào)的說(shuō)明
只有一根垂直線的為結(jié)型場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型晶體管箭頭作用看起來(lái)有點(diǎn)反的原因是G極的位置不同了。
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