双极结和场效应晶体管(BJT和FET)及PN结二极管等知识详解
衡丽科技 2024-06-13

双极结和场效应晶体管(BJT和FET)及PN结二极管等常识详解


晶体管”是指可以实施开关和扩展的半导体器材。它可以用作开关或扩展器的电子设备称为有源组件。电开关和扩展并不是从1948年晶体管的发明开始的。但是,本发明是一个新时代的开始,由于与晶体管松懈之前运用的有源组件(称为真空管)比较,晶体管体积小,效率高且具有机械弹性。下面我们先来看看PN结。


PN结二极管和二极管特性


当我们专注于半导体操作的物理学时,我们运用术语pn结;当我们专注于电路设计时,我们运用二极管一词。但是它们本质上是同一回事:根柢的半导体二极管是连接有导电端子的pn结。首要让我们看一下图表,然后我们将简明评论这个极为重要的电路元件的行为。



左边的实心圆是空穴,右边的实心圆是电子。耗尽区由与来自n型半导体的清闲电子从头结合的空穴(这些从头结合的空穴由带圆圈的负号标明)和与来自p型半导体的空穴从头结合的电子(以圆圈正号标明)组成。该复合导致耗尽区的p型部分带负电,并且耗尽区的n型部分带正电。


在p型和n型材料的接合处电荷的别离会导致电位差,称为触摸电位。在硅pn结二极管中,触摸电势约为0.6V。如上图所示,该电势的极性与我们预期的相反:在n型侧为正,而在p型侧为负。


电流可以通过松懈流过结-由于结两部分的电荷载流子浓度不同,一些来自p型材料的空穴将松懈到n型资材中,而一些来自n型电子型材料将松懈到p型资材中。但是,几乎没有电流流过,由于触摸电势对该松懈电流起阻挠作用。此刻,我们将开始运用术语势垒电压代替触摸电势。


正向和反向偏置

假定我们将二极管联接到电池上,使得电池的电压与势垒电压具有相同的极性,则结点将被反向偏置。由于我们正在添加势垒电压,因此松懈电流进一步受到阻挠。





施加反向偏置电压会使结的耗尽区变宽。另一方面,假定我们将电池的正极联接到二极管的p型侧,而负极将联接到n型侧,则我们正在下降势垒电压,然后促进电荷载流子在结上的松懈。但是,在我们战胜势垒电压并彻底耗尽耗尽区之前,电流量将坚持恰当低的水平。这在施加的电压等于势垒电压时发生,并且在这些正向偏置条件下,电流开始清闲流过二极管。






二极管作为电路组件

首要,当以反向偏压极性施加电压时,pn结阻挠电流活动,而当以正偏压极性施加电压时,pn结容许电流活动。这便是为什么二极管可以用作电流的单向阀的原因。


其次,当施加的正向偏置电压挨近势垒电压时,流过二极管的电流呈指数添加。这种指数电压-电流联络使正向偏置二极管的电压降坚持恰当安稳,如下图所示。



二极管的作业量可以近似为一个安稳的电压降,由于很小的电压添加对应于很大的电流添加。


下图阐清楚二极管的物理结构,其电路符号以及我们用于其两个端子的称号之间的联络。施加正向偏置电压会使电流沿蓝色箭头方向活动。



双极结型晶体管

在上面的叙说中,我们了解了pn结的特殊特性。假定我们将另一部分半导体材料添加到pn结,则将有一个双极结晶体管(BJT)。如下图所示,我们可以添加一部分n型半导体来创建一个npn晶体管,或许我们可以添加一部分p型半导体来构成一个pnp晶体管。



n型和p型半导体的三层组合发生了一个三端子设备,该设备容许流过基极端子的电流较小,然后调度发射极和集电极端子之间的较大电流。在npn晶体管中,操控电流从基极流向发射极,调度电流从集电极流向发射极。在pnp晶体管中,操控电流从发射极流到基极,调度电流从发射极流到集电极。下图中的箭头标清楚这些其时方式。





场效应晶体管

望文生义,场效应晶体管(FET)运用电场来调度电流。因此,我们可以将BJT和FET视为半导体扩展和开关这一主题的两个根柢改动:BJT容许小电流调度大电流,而FET容许小电压调度大电流。


场效应晶体管由两个被沟道离隔的掺杂半导体区域组成,并且以改动沟道的载流特性的办法向器材施加电压。下图使您了解其作业原理。



如您所见,被通道离隔的端子称为源极和漏极,而栅极是施加操控电压的端子。虽然此图有助于介绍一般的FET操作,但实际上是在描绘一种相对不常见的器材,称为结型场效应晶体管(JFET)。现在,绝大大都场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。


MOSFET具有将栅极与沟道别离隔的绝缘层。因此,与BJT不同,MOSFET不需要稳态输入电流。通过施加电压可以简略地调度流过通道的电流。下图闪现了n沟道MOSFET(也称为NMOS晶体管)的物理结构和根柢操作。NMOS晶体管中的大都载流子是电子;具有空穴作为大都载流子的p型晶体管称为p沟道MOSFET或PMOS晶体管。



两个重掺杂的n型区域被p型沟道离隔。假定源和基板都接地。假定栅极也接地,则电流将无法流过沟道,由于施加到漏极的电压会导致反向偏置的pn结。但是,施加到栅极的正电压架空沟道中的空穴,然后发生耗尽区,并从源极和漏极部分招引电子。

假定电压满足高,则通道将具有满足的移动电子,以在向漏极施加电压时容许电流从漏极流向源极。


总结

由于它们容许较小的电流或电压来调度电流,因此BJT和MOSFET可以用作电子开关和扩展器。开关动作是通过提供在两种情况之间转化的输入信号来完毕的。这些输入情况之一导致全电流活动,而另一个导致零电流活动。通过偏置晶体管来完毕扩展,以便较小的输入信号改动会在电流中发生相应的较大崎岖改动。


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