雙極性晶體管

雙極性晶體管和mos區(qū)別到底在哪里呢？本文將雙極性晶體管和mos的基本工作原理、結(jié)構(gòu)等基本知識概述的很清楚。雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動。

這種晶體管的工作，同時(shí)涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應(yīng)管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結(jié)形成。

雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來構(gòu)成放大器電路，或驅(qū)動揚(yáng)聲器、電動機(jī)等設(shè)備，并被廣泛地應(yīng)用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機(jī)器人等應(yīng)用產(chǎn)品中。

雙極性晶體管基本原理

NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結(jié)（稱這個PN結(jié)為“發(fā)射結(jié)”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個PN結(jié)為“集電結(jié)”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時(shí)，發(fā)射結(jié)N區(qū)的電子（這一區(qū)域的多數(shù)載流子）濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴(kuò)散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴(kuò)散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結(jié)上將形成一個空間電荷區(qū)（也成為耗盡層），產(chǎn)生一個內(nèi)在的電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場將阻礙上述擴(kuò)散過程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達(dá)成動態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個正向電壓施加在發(fā)射結(jié)上，上述載流子擴(kuò)散運(yùn)動和耗盡層中內(nèi)在電場之間的動態(tài)平衡將被打破，這樣會使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質(zhì)，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。

從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合，另一方面，由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過漂移運(yùn)動抵達(dá)集電極區(qū)域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達(dá)集電結(jié)之前發(fā)生的復(fù)合，晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴(kuò)散所需的時(shí)間短于半導(dǎo)體少數(shù)載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中，基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。

雙極性晶體管結(jié)構(gòu)

一個雙極性晶體管由三個不同的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域組成，它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。這些區(qū)域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導(dǎo)體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導(dǎo)體。每一個半導(dǎo)體區(qū)域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。

基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區(qū)域，由于集電結(jié)反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區(qū)域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數(shù)值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出，集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)。此外，發(fā)射極具有相當(dāng)高的摻雜濃度。

NPN型

NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種，由兩層N型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層P型摻雜半導(dǎo)體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產(chǎn)生較大的集電極-發(fā)射極電流。當(dāng)NPN型晶體管基極電壓高于發(fā)射極電壓，并且集電極電壓高于基極電壓，則晶體管處于正向放大狀態(tài)。在這一狀態(tài)中，晶體管集電極和發(fā)射極之間存在電流。被放大的電流，是發(fā)射極注入到基極區(qū)域的電子（在基極區(qū)域?yàn)樯贁?shù)載流子），在電場的推動下漂移到集電極的結(jié)果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現(xiàn)在使用的大多數(shù)雙極性晶體管為NPN型。

PNP型

雙極性晶體管的另一種類型為PNP型，由兩層P型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層N型摻雜半導(dǎo)體組成。流經(jīng)基極的微小電流可以在發(fā)射極端得到放大。也就是說，當(dāng)PNP型晶體管的基極電壓低于發(fā)射極時(shí)，集電極電壓低于基極，晶體管處于正向放大區(qū)。

在雙極性晶體管電學(xué)符號中，基極和發(fā)射極之間的箭頭指向電流的方向，這里的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反，PNP型晶體管的箭頭從發(fā)射極指向基極。

異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性晶體管，它具有高速工作的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這種晶體管可以處理頻率高達(dá)幾百GHz的超高頻信號，因此它適用于射頻功率放大、激光驅(qū)動等對工作速度要求苛刻的應(yīng)用。

異質(zhì)結(jié)是PN結(jié)的一種，這種結(jié)的兩端由不同的半導(dǎo)體材料制成。在這種雙極性晶體管中，發(fā)射結(jié)通常采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，即發(fā)射極區(qū)域采用寬禁帶材料，基極區(qū)域采用窄禁帶材料。常見的異質(zhì)結(jié)用砷化鎵（GaAs）制造基極區(qū)域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）制造發(fā)射極區(qū)域。采用這樣的異質(zhì)結(jié)，雙極性晶體管的注入效率可以得到提升，電流增益也可以提高幾個數(shù)量級。

采用異質(zhì)結(jié)的雙極性晶體管基極區(qū)域的摻雜濃度可以大幅提升，這樣就可以降低基極電極的電阻，并有利于降低基極區(qū)域的寬度。在傳統(tǒng)的雙極性晶體管，即同質(zhì)結(jié)晶體管中，發(fā)射極到基極的載流子注入效率主要是由發(fā)射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下，為了得到較高的注入效率，必須對基極區(qū)域進(jìn)行輕摻雜，這樣就不可避免地使增大了基極電阻。

如左邊的示意圖中，代表空穴從基極區(qū)域到達(dá)發(fā)射極區(qū)域跨越的勢差；而則代表電子從發(fā)射極區(qū)域到達(dá)基極區(qū)域跨越的勢差。由于發(fā)射結(jié)具有異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以使，從而提高了發(fā)射極的注入效率。在基極區(qū)域里，半導(dǎo)體材料的組分分布不均，造成緩變的基極區(qū)域禁帶寬度，其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度，可以為少數(shù)載流子提供一個內(nèi)在電場，使它們加速通過基極區(qū)域。這個漂移運(yùn)動將與擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生協(xié)同作用，減少電子通過基極區(qū)域的渡越時(shí)間，從而改善雙極性晶體管的高頻性能。

盡管有許多不同的半導(dǎo)體可用來構(gòu)成異質(zhì)結(jié)晶體管，硅-鍺異質(zhì)結(jié)晶體管和鋁-砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管更常用。制造異質(zhì)結(jié)晶體管的工藝為晶體外延技術(shù)，例如金屬有機(jī)物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。

雙極性晶體管應(yīng)用詳情

集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制，這相當(dāng)于將雙極性晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)射結(jié)電壓的控制，即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實(shí)上，這兩種思考方式可以通過基極-發(fā)射極結(jié)上的電流電壓關(guān)系相互關(guān)聯(lián)起來，而這種關(guān)系可以用PN結(jié)的電流-電壓曲線表示。

人們曾經(jīng)建立過多種數(shù)學(xué)模型，用來描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布來精確地解釋晶體管的行為。上述有關(guān)電荷控制的觀點(diǎn)可以處理有關(guān)光電二極管的問題，這種二極管基極區(qū)域的少數(shù)載流子是通過吸收光子（即上一段提到的光注入）產(chǎn)生的。電荷控制模型還能處理有關(guān)關(guān)斷、恢復(fù)時(shí)間等動態(tài)問題，這些問題都與基極區(qū)域電子和空穴的復(fù)合密切相關(guān)。然而，由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀察，因此，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)、分析中，電流、電壓控制的觀點(diǎn)應(yīng)用更為普遍。

在模擬電路設(shè)計(jì)中，有時(shí)會采用電流控制的觀點(diǎn)，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，雙極性晶體管具有近似線性的特征。在這個范圍（下文將提到，這個范圍叫做“放大區(qū)”）內(nèi)，集電極電流近似等于基極電流的倍，這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設(shè)計(jì)有的基本電路時(shí)，人們假定發(fā)射極-基極電壓為近似恒定值（如），這時(shí)集電極電流近似等于基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。

然而，在真實(shí)的情況中，雙極性晶體管是一種較為復(fù)雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當(dāng)，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內(nèi)的因素影響。為了設(shè)計(jì)出精確、可靠的雙極性晶體管電路，必須采用電壓控制的觀點(diǎn)（例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個指數(shù)函數(shù)來描述電壓、電流關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，函數(shù)關(guān)系為近似線性，可以將晶體管視為一個電導(dǎo)元件。這樣，諸如差動放大器等電路的設(shè)計(jì)就簡化為了線性問題，所以近似的電壓控制觀點(diǎn)也常被選用。對于跨導(dǎo)線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對于分析器件工作十分關(guān)鍵，因此通常將它視為一個跨導(dǎo)與集電極電流成比例的電壓控制模型。

晶體管級別的電路設(shè)計(jì)主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進(jìn)行，因此對于設(shè)計(jì)者來說，模型的復(fù)雜程度并不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時(shí)，并不總能像處理經(jīng)典的電路分析那樣采取精確計(jì)算的方法，因而采用近似的方法是十分必要的。

mos概述

mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。

mos場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理詳解

N溝道MOS管結(jié)構(gòu)示意圖和符號

MOS場效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；

電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；

電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。

N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，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,作為柵極g。襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強(qiáng)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)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

MOS管導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。

MOS開關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

MOS管應(yīng)用電路

MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源，也有照明調(diào)光。

現(xiàn)在的MOS驅(qū)動，有幾個特別的需求。1，低壓應(yīng)用當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。 同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。

雙極性晶體管和mos區(qū)別詳解

首先，所謂的雙極性晶體管就是三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動。

在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中假設(shè)我們想要對電流中止控制，那就少不了三極管的幫助。我們俗稱的三極管其全稱為半導(dǎo)體三極管，它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著許多相近的地方，這就使得一些新手不斷無法明白兩者之間的區(qū)別，本篇文章就

將為大家引見三極管和MOS管的一些不同。

關(guān)于三極管和MOS管的區(qū)別，我們簡單總結(jié)了幾句話便當(dāng)大家理解。

從性質(zhì)上來說：三極管用電流控制，MOS管屬于電壓控制。

從本錢上來說：三極管低價(jià)，MOS管貴。

關(guān)于功耗問題：三極管損耗大。

驅(qū)動能力上的的不同：MOS管常用于電源開關(guān)以及大電流地方開關(guān)電路。

理論上，就是三極管操作便當(dāng)且價(jià)錢低廉，經(jīng)常用于數(shù)字電路的開關(guān)控制當(dāng)中。而MOS管用于高頻高速電路，大電流場所，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央。所以普通來說低本錢場所，普通應(yīng)用的先思索用三極管，不行的話建議用MOS管。

理論上說電流控制慢，電壓控制快這種理解是不對的。要真正理解得了解雙極晶體管和mos晶體管的工作方式才干明白。三極管是靠載流子的運(yùn)動來工作的，以npn管射極跟隨器為例，當(dāng)基極加不加電壓時(shí)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)組成的pn結(jié)為阻止多子(基區(qū)為空穴，發(fā)射區(qū)為電子)的擴(kuò)散運(yùn)動，在此pn結(jié)處會感應(yīng)出由發(fā)射區(qū)指向基區(qū)的靜電場(即內(nèi)建電場)，當(dāng)基極外加正電壓的指向?yàn)榛鶇^(qū)指向發(fā)射區(qū)，當(dāng)基極外加電壓產(chǎn)生的電場大于內(nèi)建電場時(shí)，基區(qū)的載流子(電子)才有可能從基區(qū)流向發(fā)射區(qū)，此電壓的最小值即pn結(jié)的正導(dǎo)游通電壓(工程上普通以為0.7v)。

但此時(shí)每個pn結(jié)的兩側(cè)都會有電荷存在，此時(shí)假設(shè)集電極-發(fā)射極加正電壓，在電場作用下，發(fā)射區(qū)的電子往基區(qū)運(yùn)動(理論上都是電子的反方向運(yùn)動)，由于基區(qū)寬度很小，電子很容易越過基區(qū)抵達(dá)集電區(qū)，并與此處的PN的空穴復(fù)合(靠近集電極)，為維持平衡，在正電場的作用下集電區(qū)的電子加速外集電極運(yùn)動，而空穴則為pn結(jié)處運(yùn)動，此過程類似一個雪崩過程。

集電極的電子經(jīng)過電源回到發(fā)射極，這就是晶體管的工作原理。三極管工作時(shí)，兩個pn結(jié)都會感應(yīng)出電荷，當(dāng)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，假設(shè)這時(shí)三極管截至，pn結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個過程需求時(shí)間。而MOS與三極管工作方式不同，沒有這個恢復(fù)時(shí)間，因此可以用作高速開關(guān)管。

下面針對一些電路設(shè)計(jì)當(dāng)中會呈現(xiàn)的情況，列出了幾種MOS管和三級管的選擇規(guī)律：

(1)MOS管是電壓控制元件，而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用MOS管;而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用三極管。

(2)電力電子技術(shù)中提及的單極器件是指只靠一種載流子導(dǎo)電的器件，雙極器件是指靠兩種載流子導(dǎo)電的器件。MOS管是應(yīng)用一種多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而三極管是既有多數(shù)載流子，也應(yīng)用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件。

(3)有些MOS管的源極和漏極可以互換運(yùn)用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。

(4)MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很便當(dāng)?shù)匕押芏郙OS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應(yīng)用。

(5)MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而也被普遍應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。特別用MOS管做整個電子設(shè)備的輸入級，可以獲得普通三極管很難抵達(dá)的性能。

(6)MOS管分紅結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其控制原理都是一樣的。

本篇文章與眾不同的是，并沒有用過多的篇幅對MOS管和三極管在概念上的區(qū)別進(jìn)行對比。而是從實(shí)踐出發(fā)，用實(shí)際發(fā)生的情況和現(xiàn)象來對兩者進(jìn)行區(qū)分，比單純概念性上的講解更加容易理解并方便記憶。
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