本文大概讲述了不同三极管的类型与工作原理
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应晶体管)
1.端子:分为G(栅极)S(源极)D(漏极)
2.种类:根据参杂的方式分别是以电子为载流子的“nMOS”(负:negative),以空穴为载流子的“pMOS”(正:positive)
3.工作区:1.饱和区 2.截止区 3.线性工作区(可变电阻区)
4.作用:一般用作放大信号和对信号进行开关控制
(bipolar junction transistor, BJT)双极性结型晶体管
1.端子:B,base(基极)E,emitter(发射极)C,collector(集电极)
2.种类:PNP型和NPN型
3.工作区:截止区(cut-off region)、线性放大区(acitve region)、饱和区(saturation region)
4.作用:和MOSFET相似,也用作放大和开关
(unction Field-Effect Transistor,FET)结型场效应晶体管
1.端子:栅极(G)与源极(S)和漏极(D)
2.种类:N沟道和P沟道
4.作用:可用作测试和测量模拟前端、电流感测放大器、模数转换器(ADC)驱动器、光电二极管跨阻放大器,或通过多路复用器用作多通道传感器接口
在P或N型半导体(也称为衬底)中掺入N或P的两个半导体,分别形成了如图所示的P沟道和N沟道。控制栅极的电压,当达到一定的幅值时(一般称为VT,由材料特性决定),可以将P型衬底或N型衬底中的空穴(可以理解为正电子)或是电子吸引上来,从而和DS导通。
而当VGS>VT时,根据VDS的幅值不同,会出现如图所示的两种状态
可变电阻区:当VDS
饱和区:当VDS>VGS-VT,此时满足公式 IDS= K 2 \frac{K}{2} 2K*(VGS-VT)2
在该区域中,器件的漏极至源极电流值将保持恒定,而无需考虑漏极至源极两端的电压升高。在这种情况下,该设备用作闭合开关,流过漏极到源极端子的电流达到饱和水平。因此,当设备应该进行切换时,选择饱和区域。
所以,MOSFET可以视为电压控制的电流源,VGS控制了其是否可以导通
根据这个输入VIN和输出VOUT关系可以画出图像:
可以看出其以指数形式放大
MOSFET工作区域 :https://blog.csdn.net/weixin_51621643/article/details/122831201
DC-DC开关电源 :https://blog.csdn.net/qq_41451521/article/details/100925249
因为BJT就是两个PN结接在一起形成的,理解PN结有助于我们看懂BJT
PN结的结构:
这是一个PN结的模型,P区是由于参杂了+3价的元素而形成空穴,N区则是参杂了+5价元素存在大量自由电子。此时由于电子的扩散运动会在中间形成一个耗尽层,耗尽层的空穴和自由电子一一配对,参杂的元素由于电子或空穴的消失而产生了一定的电性(如上图,P区参杂的+3价元素少了空穴即为负电性,N区参杂的+5价元素少了电子呈正电性),那么此时耗尽层就会形成一个内电场,阻止电子的扩散运动。耗尽层此时维持一定的宽度。
扩散运动和漂移运动:
上述电子与空穴的结合即为扩散运动,意为电子自发的从N区高浓度跑到了P区。而此时产生的内电场由于扩散运动后,P区留下负极粒子,N去留下正极粒子,会在之间形成内建电场,方向为N区指向P区,内建电场会使少子向多子方向运动,即P区的自由电子向N区移动,N区的空穴向P区移动。这种由内建电场使载流子漂移运动形成的电流称为漂移电流。
PN结的单向导电性:
当外加正向导通电压(即内电场与外电场方向相反),外电场与电子自身扩散运动的方向相同,这会抵消一部分内电场的宽度,即表现为耗尽层宽度变窄。此时扩散运动大于漂移运动,所以内部电子顺着电源外加电场方向运动,形成的电流称作扩散电流。
而当外加反向电压时,外电场与电子扩散方向相反,会增加耗尽层的宽度,使得电子扩散运动更加困难。相反的,漂移运动更为容易。但是,由于在内电场漂移的粒子是P区的电子与N区的空穴(空穴实际上不会运动,但是这样可以帮助我们理解),他们的含量在本是由大量空穴组成的P极与大量电子组成的N极尤为稀少,所以此时的漂移电流可以忽略不计。反向即为截至状态。
视频更直观的讲述了这个原理 : https://www.bilibili.com/video/BV1QY411s78J/?spm_id_from=333.788&vd_source=1cb0531b25720f8b7430744365abec0f
如图这个NPN型三极管是由两个PN结,也就是两个二极管构成的。e(发射极)是高浓度参杂的N型半导体,有大量的自由电子存在,b(基极)是低浓度参杂并且很薄的P型半导体,c(接收极)是有自由电子存在的N型半导体。
当B极有电流流过时,ce极才会导通,所以BJT又可以视为电流控制的元件,这一点与电压控制的MOSFET大有不同,也是这两个器件的区别之一
视频更直观的讲述了这个过程 https://www.bilibili.com/video/BV1fB4y147Gn/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=1cb0531b25720f8b7430744365abec0f
BJT的工作原理 https://www.bilibili.com/video/BV1kv411574Y/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click
参考文章 https://zhuanlan.zhihu.com/p/496662178
由于FET使用较少,只做了简要说明
参考文章 https://blog.csdn.net/weixin_45882303/article/details/106008695
本文缺少了对多子,少子的说明,感兴趣的朋友可以自行理解
对于重要的BJT和MOSFET他们的工作特性似乎有些相似,这里给出了他们的区别。还有这三种元件的对比分析
MOSFET和三极管对比
三极管器件属于双极型流控器件,为获得大的集电极电流,相应地需要注入大的基极电流,且三极管的响应速度在很大程度上受到其内部少数载流子(少子)的影响。而MOSFET属于单极型压控器件,工作时,在栅极上消耗的电流极小,且其工作原理只涉及多数载流子(多子),不受少子的影响,因此其响应速度和功率效率都远高于三极管;
由于三极管的导通电阻具有负的温度系数,不利于均流,而MOSFET的导通电阻具有正温度系数,当多个MOSFET并联使用时,通流较多的MOSFET上功耗较大,温度上升,导致其导通电阻相应增大,而导通电阻的增大,又可促使电流分配到其他导通电阻相对较小的MOSFET上,从而实现均流。MOSFET比三极管更易于实现并联应用,适用于大输出电流的场合。
三种晶体管的综合理解: https://www.zhihu.com/question/529389129
为什么MOSFET取代了三极管 https://www.bilibili.com/video/BV1YP4y147TF/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=1cb0531b25720f8b7430744365abec0f