雙極結和場效應晶體管（BJT和FET）及PN結二極管等知識詳解

晶體管”是指可以執行開關和放大的半導體器件。 它可以用作開關或放大器的電子設備稱為有源組件。 電開關和放大并不是從1948年晶體管的發明開始的。 但是，本發明是一個新時代的開始，因為與晶體管擴散之前使用的有源組件（稱為真空管）相比，晶體管體積小，效率高且具有機械彈性。下面我們先來看看PN結。

PN結二極管和二極管特性

當我們專注于半導體操作的物理學時，我們使用術語pn結； 當我們專注于電路設計時，我們使用二極管一詞。 但是它們本質上是同一回事：基本的半導體二極管是連接有導電端子的pn結。 首先讓我們看一下圖表，然后我們將簡要探討這個極為重要的電路元件的行為。

左邊的實心圓是空穴，右邊的實心圓是電子。耗盡區由與來自n型半導體的自由電子重新結合的空穴（這些重新結合的空穴由帶圓圈的負號表示）和與來自p型半導體的空穴重新結合的電子（以圓圈正號表示）組成。該復合導致耗盡區的p型部分帶負電，并且耗盡區的n型部分帶正電。

在p型和n型材料的接合處電荷的分離會導致電位差，稱為接觸電位。在硅pn結二極管中，接觸電勢約為0.6V。如上圖所示，該電勢的極性與我們預期的相反：在n型側為正，而在p型側為負。

電流可以通過擴散流過結-由于結兩部分的電荷載流子濃度不同，一些來自p型材料的空穴將擴散到n型材料中，而一些來自n型電子型材料將擴散到p型材料中。但是，幾乎沒有電流流過，因為接觸電勢對該擴散電流起阻擋作用。此時，我們將開始使用術語勢壘電壓代替接觸電勢。

正向和反向偏置

如果我們將二極管連接到電池上，使得電池的電壓與勢壘電壓具有相同的極性，則結點將被反向偏置。 由于我們正在增加勢壘電壓，因此擴散電流進一步受到阻礙。

施加反向偏置電壓會使結的耗盡區變寬。另一方面，如果我們將電池的正極連接到二極管的p型側，而負極將連接到n型側，則我們正在降低勢壘電壓，從而促進電荷載流子在結上的擴散。 但是，在我們克服勢壘電壓并完全耗盡耗盡區之前，電流量將保持相當低的水平。 這在施加的電壓等于勢壘電壓時發生，并且在這些正向偏置條件下，電流開始自由流過二極管。

二極管作為電路組件

首先，當以反向偏壓極性施加電壓時，pn結阻止電流流動，而當以正偏壓極性施加電壓時，pn結允許電流流動。 這就是為什么二極管可以用作電流的單向閥的原因。

其次，當施加的正向偏置電壓接近勢壘電壓時，流過二極管的電流呈指數增長。 這種指數電壓-電流關系使正向偏置二極管的電壓降保持相當穩定，如下圖所示。

二極管的工作量可以近似為一個恒定的電壓降，因為很小的電壓增加對應于很大的電流增加。

下圖闡明了二極管的物理結構，其電路符號以及我們用于其兩個端子的名稱之間的關系。 施加正向偏置電壓會使電流沿藍色箭頭方向流動。

雙極結型晶體管

在上面的講述中，我們了解了pn結的特殊特性。 如果我們將另一部分半導體材料添加到pn結，則將有一個雙極結晶體管（BJT）。 如下圖所示，我們可以添加一部分n型半導體來創建一個npn晶體管，或者我們可以添加一部分p型半導體來形成一個pnp晶體管。

n型和p型半導體的三層組合產生了一個三端子設備，該設備允許流過基極端子的電流較小，從而調節發射極和集電極端子之間的較大電流。在npn晶體管中，控制電流從基極流向發射極，調節電流從集電極流向發射極。 在pnp晶體管中，控制電流從發射極流到基極，調節電流從發射極流到集電極。 下圖中的箭頭表示了這些當前模式。

場效應晶體管

顧名思義，場效應晶體管（FET）使用電場來調節電流。 因此，我們可以將BJT和FET視為半導體放大和開關這一主題的兩個基本變化：BJT允許小電流調節大電流，而FET允許小電壓調節大電流。

場效應晶體管由兩個被溝道隔開的摻雜半導體區域組成，并且以改變溝道的載流特性的方式向器件施加電壓。下圖使您了解其工作原理。

如您所見，被通道隔開的端子稱為源極和漏極，而柵極是施加控制電壓的端子。 盡管此圖有助于介紹一般的FET操作，但實際上是在描述一種相對不常見的器件，稱為結型場效應晶體管（JFET）。如今，絕大多數場效應晶體管是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。

MOSFET具有將柵極與溝道分隔開的絕緣層。 因此，與BJT不同，MOSFET不需要穩態輸入電流。 通過施加電壓可以簡單地調節流過通道的電流。 下圖顯示了n溝道MOSFET（也稱為NMOS晶體管）的物理結構和基本操作。 NMOS晶體管中的多數載流子是電子； 具有空穴作為多數載流子的p型晶體管稱為p溝道MOSFET或PMOS晶體管。

兩個重摻雜的n型區域被p型溝道隔開。 假設源和基板都接地。如果柵極也接地，則電流將無法流過溝道，因為施加到漏極的電壓會導致反向偏置的pn結。然而，施加到柵極的正電壓排斥溝道中的空穴，從而產生耗盡區，并從源極和漏極部分吸引電子。

如果電壓足夠高，則通道將具有足夠的移動電子，以在向漏極施加電壓時允許電流從漏極流向源極。

總結

由于它們允許較小的電流或電壓來調節電流，因此BJT和MOSFET可以用作電子開關和放大器。 開關動作是通過提供在兩種狀態之間轉換的輸入信號來完成的。這些輸入狀態之一導致全電流流動，而另一個導致零電流流動。通過偏置晶體管來實現放大，以便較小的輸入信號變化會在電流中產生相應的較大幅度變化。

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