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

晶體管是指可以執(zhí)行開關(guān)和放大的半導(dǎo)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(shí)代的開始，因?yàn)榕c晶體管擴(kuò)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(jī)械彈性。下面我們先來看看PN結(jié)。

PN結(jié)二極管和二極管特性

當(dāng)我們專注于半導(dǎo)體操作的物理學(xué)時(shí)，我們使用術(shù)語pn結(jié)； 當(dāng)我們專注于電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(dǎo)體二極管是連接有導(dǎo)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(shí)心圓是空穴，右邊的實(shí)心圓是電子。耗盡區(qū)由與來自n型半導(dǎo)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(fù)號表示）和與來自p型半導(dǎo)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(dǎo)致耗盡區(qū)的p型部分帶負(fù)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(dǎo)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(fù)。

電流可以通過擴(kuò)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(kuò)散到n型材料中，而一些來自n型電子型材料將擴(kuò)散到p型材料中。但是，幾乎沒有電流流過，因?yàn)榻佑|電勢對該擴(kuò)散電流起阻擋作用。此時(shí)，我們將開始使用術(shù)語勢壘電壓代替接觸電勢。

正向和反向偏置

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(diǎn)將被反向偏置。 由于我們正在增加勢壘電壓，因此擴(kuò)散電流進(jìn)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(fù)極將連接到n型側(cè)，則我們正在降低勢壘電壓，從而促進(jìn)電荷載流子在結(jié)上的擴(kuò)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(dāng)?shù)偷乃健?這在施加的電壓等于勢壘電壓時(shí)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。

二極管作為電路組件

首先，當(dāng)以反向偏壓極性施加電壓時(shí)，pn結(jié)阻止電流流動，而當(dāng)以正偏壓極性施加電壓時(shí)，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(dāng)施加的正向偏置電壓接近勢壘電壓時(shí)，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(dāng)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?yàn)楹苄〉碾妷涸黾訉?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(lán)色箭頭方向流動。

雙極結(jié)型晶體管

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體來形成一個pnp晶體管。

n型和p型半導(dǎo)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(dāng)前模式。

場效應(yīng)晶體管

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(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)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?fù)诫s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?yàn)槭┘拥铰O的電壓會導(dǎo)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(shí)允許電流從漏極流向源極。

總結(jié)

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(dǎo)致全電流流動，而另一個導(dǎo)致零電流流動。通過偏置晶體管來實(shí)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。