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二極管,三極管,MOS管的原理詳情

發布時間：2021-09-01 18:45:47
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二極管,三極管,MOS管的原理詳情
PN結二極管三極管 MOS管

導體：很容易導電的物體，如金、銀、銅、鐵等。

絕緣體：不容易導電或者完全不導電的物體，如塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等。

半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅(Si)、鍺(Ge)、金屬氧化物等。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。

N型半導體：在純凈半導體硅或鍺（4價）中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于存在一個多余的價電子而產生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數載流子，熱激發形成的空穴為少數載流子。

P型半導體：在純凈半導體硅或鍺（4價）中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數載流子，熱激發形成的自由電子是少數載流子。

PN結

PN結：將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層。

半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。

在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區域向濃度低的區域運動，這種運動稱為擴散

擴散與漂移達到動態平衡形成一定寬度的PN結，形成空間電荷區產生內電場

外加正向電壓-正向偏置

外加電場與內電場方向相反，內電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區電子不斷擴散到P區，P區空穴不斷擴散到N區，形成較大的正向電流，這時稱PN結處于低阻導通狀態。

PN 結加反向電壓（反向偏置）

電流方向相反，導通截止

晶體二極管

• 概念

一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了半導體二極管，簡稱二極管。符號用VD表示。

半導體二極管按其結構不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。

點接觸型二極管PN結面積很小，結電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數字電路中的開關元件。

面接觸型二極管PN結面積大，結電容也小，允許通過電流大，多用在低頻整流、檢波等電路中。

• 特性

正向特性（導通）

反向特性（截止）

反向擊穿

晶體三極管

概念

半導體三極管是由兩個背靠背的PN結構成的。重要特性是具有電流放大作用和開關作用，常見的有平面型和合金型兩類。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。

兩個PN結，把半導體分成三個區域（三區二結）。這三個區域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，雙極型三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。

NPN型

PNP型

工作于放大狀態的半導體三極管

條件：

內部：發射區高摻雜，基區很薄，集電結面積大

外部：發射結正偏，集電結反偏

大量電子N2通過很薄的基極被集電極吸收，少量電子N1在基極與空穴復合。N2和N1的比例由三極管內部結構決定。在不考慮ICBO時：

IC/IB=N2/N1=β

MOS晶體管

概念

NMOS，指的是利用電子來傳導電性信號的金氧半晶體管。NMOS的電路符號如下圖，而其結構圖如左圖所示，是由負型摻雜形成的漏極與源極，與在氧化層上的閘極所構成。

PMOS，指的是利用空穴來傳導電性信號的金氧半導體。PMOS的電路符號如下圖，而其結構則如右圖所示，是由正型摻雜形成的漏極(drain)及源極(source)，與閘極(gate)及閘極下面的氧化層所構成。

NMOS

N溝道增強型MOSFET的結構

取一塊P型半導體作為襯底，用B表示。

用氧化工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。

然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。

擴散兩個高摻雜的N型區。從而形成兩個PN結。（綠色部分）

從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。

在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。

N溝道增強型MOSFET的符號如左圖所示。左面的一個襯底在內部與源極相連，右面的一個沒有連接，使用時需要在外部連接。

N溝道增強型MOSFET的工作原理

對N溝道增強型MOS場效應三極管的工作原理，分兩個方面進行討論，一是柵源電壓UGS對溝道會產生影響，二是漏源電壓UDS也會對溝道產生影響，從而對輸出電流，即漏極電流ID產生影響。

柵源電壓UGS的控制作用

先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。UGS帶給柵極正電荷，會將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負離子層，即耗盡層，用綠色的區域表示。同時會在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數量較多，從而在漏源之間可形成導電溝道。溝道中的電子和P型襯底的多子導電性質相反，稱為反型層。此時若加上UDS ，就會有漏極電流ID產生。當UGS較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS ，也不能形成ID 。當增加UGS，使ID剛剛出現時，對應的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。