数电补充1——三极管和MOS管

1. PN结

1.1 P/N型半导体

1. N型半导体：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。
2. P型半导体：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

	P型	N型
多子	空穴	电子
少子	电子	空穴

记忆：P（Postive）多正（空穴），N（negtive）多负（电子）

1.2 PN 结的形成

1.2.1 电子与空穴的运动

1. 漂移运动：在外加电场的情况下，会作定向运动。这种运动成为电子与空穴（统称“载流子”）的“漂移运动”，并产生“漂移电流”。
2. 扩散运动：由于某些外部条件而使半导体内部的载流子存在浓度梯度的时候，将产生扩散运动，即载流子由浓度高的位置向浓度低的位置运动

1.2.2 PN结形成原理

可以将上述的P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起。在二者的接触面的位置形成一个PN结。

P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，所以二者之间将产生扩散运动。即：

• 自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散
• 空穴由P型半导体向N型半导体的方向扩散

载流子经过扩散的过程后，扩散的自由电子和空穴相互结合，使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少，同时原有P型半导体的空穴浓度也减少。
在两种半导体中间位置形成一个由N型半导体指向P型半导体的电场，称为“内电场”（N为正极的内电场）

1.3 PN结的性质

1.3.1 平衡状态

PN结的n区的电子向p区扩散，留下了正电荷在n区。类似地，p型空穴从p区向n区扩散，留下了负电荷在p区。进入了p区的电子与空穴复合，进入了n区的空穴与电子复合。其效果是扩散到对方的多数载流子（自由电子与空穴）都耗尽了，结区只剩下不可移动的带电离子，失去了电中性变为带电，形成了耗尽层（space charge region）（见图A）。

图A

耗尽区的电场扩散运动的方向相反

1.3.2 正向偏置

若施加在P区的电压高于N区的电压，称为正向偏置（forward bias）
外加电压与内电压的方向相反，可以理解成源源不断的电子注入P极，不断地压缩着耗尽层，耗尽层变薄，内电场不足以组织PN结的扩散运动，因而降低了PN 结的电阻。

正向偏置下，跨PN结的电流强度取决于多数载流子的密度，这一密度随正向偏置电压的大小成指数增加。这使得二极管可以导通正向大电流

1.3.3 反向偏置

若施加在N区的电压高于P区的电压，这种状态称为PN结反向偏置（reverse bias）。
由于p区连接电源负极，多数载流子(空穴)被外电场拉向负极，因而耗尽层变厚。n区也发生类似变化。并且随反向偏置电压的增加，耗尽层的厚度增加。
从而，多数载流子扩散过PN结的势垒增大，PN结的电阻变大，宏观看二极管成为绝缘体。

1.3.4 反向崩溃

当反向电压逐渐增大时，反向饱和电流不变。
但是当反向电压达到一定值时，PN结将被击穿。

1.3.5 伏安特性

2. 三极管

1. 三极管，全称半导体三极管，也叫作双极型晶体管，晶体三极管。主要的作用有两个：放大电流和作为开关。
2. 常见的三极管有PNP，NPN两种。

2.1 符号：

B（base）：基极
C（colection）：集电极
E（emission）：发射集

左：NPN；右：PNP

（箭头在be间，P->N）

2.2 三极管的各区域的掺杂浓度

区域	浓度	目的
发射区	浓度最高	可以提供更多的载流子来发射
基区	浓度很低，很薄	减少载流子与基区的符合机会
集电区	浓度在前两者之间，体积很大	方便收集边缘载流子

2.3 三极管的三种工作状态

PN结的偏执方式决定了晶体管的导通与截止，晶体管有三种工作状态：放大，截止，饱和。

晶体管用于模拟电路时工作在放大状态
在数字电路中交替工作在饱和和截止状态，起开关作用

2.3.1 放大状态

1. 条件：发射结正偏，集电结反偏
   NPN：VEVB
   PNP: VE>VB,VC
2. 载流子运动过程：
   发射区发射载流子形成Ie，少部分被基区复合形成Ib，大部分被集电极收集形成Ic
   $I_E=I_B+I_C$
   放大系数$\beta =\frac{I_C}{I_B}$
   

2.3.2 饱和状态

1. 条件：发射结正偏，集电结正偏，实际上$U_{CE}<U_{BE}$就饱和啦
2. 特征：
   a. $I_B$增加时，$I_C$基本不变
   b.$U_{CE}\approx 0$
   c. 晶体管相当于短路
   

2.3.3 截止状态

1. 发射结反偏，集电结反偏
2. 特征：
   a. 基极电流$I_B=0$
   b. 集电极电流$I_C=0$
   c. $U_{CE}=U_{CC}$
   d. 晶体管相当于开路
   

3. MOS管

• MOS管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Seminconductor Feild-Effect Transistor）。
• 根据沟槽的材料分成NMOS管，PMOS管；
• 根据$V_{GS}=0$时电流为不为0分为增强型和耗尽型。

3.1 MOS管的基本结构

以NMOS管为例子讲解一下MOS管的结构

在P型半导体衬底上，制作两个高掺杂浓度的N型区，再在其上面覆盖一层二氧化硅绝缘层。最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做三个电极：分别是栅极（gate），源极（source）和漏极（drain）

与衬底连接的N极是源极，在源极还未与衬底连接时，源极和漏极是可以互换的。

3.2 MOS管的工作原理

• 截止状态
  在源极和漏极之间加上电压$v_{DS}$,而零栅极与源极的电压$V_{GS}=0$,由于漏极与源极之间相当于两个PN 结背向串联，所以D-S间不导通
• 沟道形成，$i_D$产生
  当$V_{GS}=0$大于某个电压值$V_{GS(th)}$时，由于栅极与衬底间的电场的吸引，使衬底中少数载流子——电子被吸引到衬底表面，在栅极附近形成一个N极薄层，与两个N极连通，形成了到店购岛，于是D-S间就有电流导通。
  
  在这个时候，$U_{DS}$保持不变，$U_{GS}$增加会导致沟道变厚,$i_D$增加

备注：因为D与S的电势不同，导致导电沟道的宽度不同；因为时间精力的原因，暂时不对预夹断做了解

3.3 MOS管的开关特性

• 增强型NMOS管：
  

1. 当$v_{GS}<V_{GS}(TH)$，管子截止，$i_D=0$,$R_{OFF}>10^9\Omega$
2. 当$v_{GS}>V_{GS}(TH)$，管子导通，$i_D\propto V_{GS}^2$,$R_{ON}<10^3\Omega$

• 增强型PMOS：
  

1. 当$v_{GS}>V_{GS}(TH)$，管子截止，$i_D=0$
2. 当$v_{GS}<V_{GS}(TH)$，管子导通，$i_D\propto V_{GS}^2$

• 耗尽型NMOS
  

1. 当$v_{GS}<V_{GS}(OFF)(V_{GS}(OFF)<0)$，管子截止，$i_D=0$
2. 当$v_{GS}>V_{GS}(OFF)$，管子导通
   备注：因为h耗尽型$v_{GS}=0$时电流$i_D\ne 0$，

• 耗尽型PMOS
  

1. 当$v_{GS}>V_{GS}(OFF)(V_{GS}(OFF)>0)$，管子截止，$i_D=0$
2. 当$v_{GS}<V_{GS}(OFF)$，管子导通

3.4 MOS小总结

• 符号辨别：

1. D-S相连是耗尽型，D-S断开是增强型
2. 箭头方向是电子流动方向，流向栅极的是N型

• 截止导通条件

1. 增强型有一个临界电压$V_{GS(th)}$，N大于他，P小于他导通
2. 耗尽型有一个截止电压，N为负数，P为正数

3.5 与三极管的对比

MOS管	三极管
源极S	发射极E
栅极G	基极B
漏极D	集电极C
电压控电流，栅极电流0	电流控电流，基极电流小
高输入电阻	输入电阻小
只多子导电，温度稳定性好	多子少子都参与导电

参考：

1. 维基百科
2. 百度百科
3. 博客：https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/71430330
4. 王老师课件
5. 《数字电子技术基础.(阎石.第5版)》