对于三极管的理解

文章目录

  • 前言
  • 一、对于硅型半导体的分类概述
    • 1. MOSFET
    • 2. BJT
    • 3. FET
  • 二、具体阐述不同晶体管的作用原理
    • 1.MOSFET
      • (1)MOSFET结构
      • (2)工作区
      • (3)实际应用
    • 2.BJT
      • (1)PN结的形成
      • (2)BJT的结构
      • (3)BJT工作原理
      • (4)实际应用
    • 3.FET
      • (1)JFET的结构
      • FET的工作原理
      • FET的应用
  • 总结&对于三种元件的对比与分析

前言

本文大概讲述了不同三极管的类型与工作原理


一、对于硅型半导体的分类概述

1. MOSFET

(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应晶体管)
对于三极管的理解_第1张图片

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

2. BJT

(bipolar junction transistor, BJT)双极性结型晶体管
对于三极管的理解_第2张图片
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

3. FET

(unction Field-Effect Transistor,FET)结型场效应晶体管对于三极管的理解_第3张图片
1.端子:栅极(G)与源极(S)和漏极(D)

2.种类:N沟道和P沟道

3.三种状态:对于三极管的理解_第4张图片
UG电压决定了JFET的导通状态

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


二、具体阐述不同晶体管的作用原理

1.MOSFET

(1)MOSFET结构

对于三极管的理解_第5张图片
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。

(2)工作区

对于三极管的理解_第6张图片

  1. 截至区:由上述可知,当VGST时,MOSFET处于截至区,此时MOSFET不会导通

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

  1. 可变电阻区:当VDSGS-VT,该区域是漏极至源极两端的电流随漏极至源极路径两端电压的增加而增强的区域。这里的ID与VDS成线性变化,类似于一个电阻,所以又称为线性电阻区。MOSFET器件在此线性区域中起作用时,它们将执行放大器功能。

  2. 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

对于三极管的理解_第7张图片
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根据这个输入VIN和输出VOUT关系可以画出图像:
对于三极管的理解_第9张图片
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

(3)实际应用

  1. 由于MOSFET具有电压变化时,电流恒定的区域(饱和区)场效应管可以方便地用作恒流源。
  2. 因导通内阻低、开关速度快等优点而广泛应用于开关电源中

DC-DC开关电源 :https://blog.csdn.net/qq_41451521/article/details/100925249

2.BJT

(1)PN结的形成

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
对于三极管的理解_第10张图片

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。
    对于三极管的理解_第11张图片

对于三极管的理解_第12张图片
PN结V-i图像(正向导通和反向截至)

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

(2)BJT的结构

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

对于三极管的理解_第13张图片

(3)BJT工作原理

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

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  1. be两极我们可以理解为一个PN结,当外加正向电压时,耗尽层变窄,自由电子从e极到b极扩散加剧,但是由于e时高浓度参杂,而b为低浓度参杂,所以只会有一小部分自由电子与空穴复合,还有大量自由电子飘散在b区
  2. 我们知道bc极也相当于一个PN结,我们也已经知道,此时有大量自由电子聚集在b区,这时我们给ec加一个反向电压,由上述PN结的知识,我们可以知道bc会发生自由电子的漂移运动
  3. 但是也许你会问我,PN结中加反向电压,电子的漂移运动是忽略不计吗?此时不是没有电流存在吗?但这时我们的条件是,be端的正向电压已经给我们提供了源源不断的自由电子聚集在b区,所以此时的漂移运动便可以顺利的进行
  4. 控制be端的电压,使其有一个恒定的电流经过,那么ce就可以导通。我们可以用 IE=IB+IC 来表达这个电流关系

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该图描述了BJT的不同工作区间

(4)实际应用

参考文章 https://zhuanlan.zhihu.com/p/496662178

  1. 用作电子开关
    晶体管(BJT)最基本的功能就是开关,通过在基极施加小电流,可以获得更大的电流在集电极/发射极之间通过。
    因为晶体管通常不会消耗太多的电流,因此可以制作出很好的电子开关,而不需要机械开关。
  2. 放大作用—晶体管一级放大器
    晶体管(BJT)是一种电流放大器件,如下图所示,为晶体管(BJT)电流放大功能图。
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3.FET

由于FET使用较少,只做了简要说明

(1)JFET的结构

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FET的工作原理

与MOSFET类似,也是由电压控制的电流源
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对于三极管的理解_第20张图片
对于三极管的理解_第21张图片

参考文章 https://blog.csdn.net/weixin_45882303/article/details/106008695

FET的应用

  1. JFET用作开关
  2. 结型场效应晶体管用作放大器.
  3. 可以用作缓冲区
  4. 结型场效应晶体管 (JFET) 用于 数码电子 电路,因为它的大小和适用性。

总结&对于三种元件的对比与分析

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

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