二极管,三极管,MOS管的原理详情

发布时间：2021-09-01 18:45:47
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二极管,三极管,MOS管的原理详情
PN结二极管三极管 MOS管

导体：很容易导电的物体，如金、银、铜、铁等。

绝缘体：不容易导电或者完全不导电的物体，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)、金属氧化物等。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。

N型半导体：在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在一个多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。

P型半导体：在纯净半导体硅或锗（4价）中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。

PN结

PN结：将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层。

半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。

在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散

扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结，形成空间电荷区产生内电场

外加正向电压-正向偏置

外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于低阻导通状态。

PN 结加反向电压（反向偏置）

电流方向相反，导通截止

晶体二极管

• 概念

一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。符号用VD表示。

半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。

面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，允許通过电流大，多用在低频整流、检波等电路中。

• 特性

正向特性（导通）

反向特性（截止）

反向击穿

晶体三极管

概念

半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。重要特性是具有电流放大作用和开关作用，常见的有平面型和合金型两类。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。

两个PN结，把半导体分成三个区域（三区二结）。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，双极型三极管有两种类型：NPN型和PNP型。

NPN型

PNP型

工作于放大状态的半导体三极管

条件：

内部：发射区高掺杂，基区很薄，集电结面积大

外部：发射结正偏，集电结反偏

大量电子N2通过很薄的基极被集电极吸收，少量电子N1在基极与空穴复合。N2和N1的比例由三极管内部结构决定。在不考虑ICBO时：

IC/IB=N2/N1=β

MOS晶体管

概念

NMOS，指的是利用电子来传导电性信号的金氧半晶体管。NMOS的电路符号如下图，而其结构图如左图所示，是由负型掺杂形成的漏极与源极，与在氧化层上的闸极所构成。

PMOS，指的是利用空穴來传导电性信号的金氧半导体。PMOS的电路符号如下图，而其结构则如右图所示，是由正型掺杂形成的漏极(drain)及源极(source)，与闸极(gate)及闸极下面的氧化层所构成。

NMOS

N沟道增强型MOSFET的结构

取一块P型半导体作为衬底，用B表示。

用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。

然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。

扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）

从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。

N沟道增强型MOSFET的工作原理

对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。

栅源电压UGS的控制作用

先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生。当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS ，也不能形成ID 。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。