第 8 课。晶体管
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1. 晶体管
2. 双极结型晶体管
3. 场效应晶体管
a. 晶体管实验
b. 半导体相关问题
1.晶体管
⑴ 概述
① “反式”和“电阻器”的复合词
② 第一个晶体管专利：J. E. Lilienfeld (1926)
③功能：信号放大、开关
④ 结构1： 发射器、源头 - 类似于管道中的进水口
⑤ 结构 2： 底座、闸门 - 类似于管道中的水龙头
⑥ 结构3： 收集器、排水管——类似于管道中的出水口
⑵ 类型 1： 双极结型晶体管 (BJT) - 构成 TTL 存储器
① 由n型和p型半导体组合而成
② 用电流控制电流
③两极性
⑶ 类型 2: 场效应晶体管 (FET) - 构成 MOS 存储器
① 由导体、绝缘体、半导体组合而成
② 用电压控制电流
③ 单极性
2.双极结型晶体管 (BJT)
⑴ 概述
①定义：由n型和p型半导体组合而成
② 最早理论建立：Bardeen、Brattain、Shockley
③ 首次实验阐明：Gordon Teal
⑵ 结构
①晶体管有NPN和PNP之分
○ 一般以NPN三极管为参考
○ NPN 晶体管偏置相反，PNP 晶体管完全相同
② BJT三极管由Base、Emitter、Collector组成
○ 发射极：部分发射载流子
○ 集电极：接收电荷载体的部分
○ 发射极掺杂浓度高于集电极掺杂浓度
○ 碱基轻掺杂
③ 电荷从发射极(E)→基极(B)→集电极(C)流动
图。 1. NPN晶体管（左）和PNP晶体管（右）的符号[脚注：1]
○ B-E结、B-C结可以看成二极管
○ NPN晶体管符号：电子从发射极→基极→集电极移动。电流方向相反
○ PNP 晶体管符号：空穴从发射极→基极→集电极移动。电流方向相同
⑶ 区域1：活动区域
① 条件（对于NPN晶体管）
○ B-E结正向偏置
○ B-C 结反向偏置
○ 因此，VE < VB < VC
② 机制
图。 2. 有源区NPN晶体管的工作原理[脚注：2]
（红点代表电子）
○ 第一步：施加到 E-B 的正向偏压将电子从发射极移动到基极，形成 IE
○ 第二步：碱基轻度掺杂，通常 5% 或更少的电子形成 IE 与空穴结合
○ 第三步：剩余95%的电子从基极移动到集电极，形成IC
○ 第四步：大部分电流流向集电极 - 集电极电流受基极传入电荷影响较大，电场影响较小
○ 第 5 步：BJT 晶体管中出现类似的扩散电流 - 不是由于电场导致的漂移电流
○ 以下等式成立
③配方
图。 3. 晶体管B-E结分析
○ B-E结：可以看作是二极管。少数载流子密度：电子多于空穴
○ B-C 结：可以看作是二极管。可以认为处于平衡状态
○ 基极电流：使用正向偏置二极管的公式
○ 集电极电流：以扩散电流为主。仅取决于VBE（WB、Base厚度除外）
○ 基极电流不为零的原因
○ 存在从基极移动到发射极以创建 pB-E 边界的空穴»> ○ 基底中电子与空穴的结合
○ 结论
④ 等效电路：B-E 结建模为具有阈值电压的二极管。 B-C 结被依赖电流源取代
图。 4. 有源区等效电路[脚注:3]
○ 相关电流源：IC = βIB
○ 通常β是整数，而不是α，所以常用β
○ 电流只能从集电极流向发射极，不能反向流动
○ 放大倍数β随Base物理尺寸和掺杂浓度的不同而变化，一般在100左右
○ 洞察：尽管有大电流要流过Collector，但只有与IB成比例的部分才能进入Collector
○ 维持晶体管处于活动状态所需的连续基极电流
○ 解题方法：计算基极电流→集电极电流→发射极电流→VCE→VCB
⑷ 区域2： 饱和区域
① 条件（对于NPN晶体管）
○ B-E结正向偏置
○ B-C 结正向偏置
○ 因此，VE、VC < VB
○ 如果VBC < 400 mV，则称为软饱和；如果 VBC > 400 mV，则称为深度饱和
② 与 B-E 和 C-E 处有正向二极管类似
○ 在内部，载流子聚集在基极区域并饱和 → 增加基极电流不会显着改变集电极电流
○ B-E 的阈值电压与典型二极管相同：约 0.7 V
○ C-E 处的阈值电压表示为 VCE(sat)，约为 0.2 V
○ 由于基极端子较窄，C-B 正向偏压与 C-E 正向偏压相同
③ 等效电路
图。 5. 饱和区等效电路[脚注:4]
○ IC随着VCE的增加呈指数增长（肖克利二极管模型）
○ 从工作点考虑，正向二极管可以近似为恒压源和理想二极管（特性曲线）
○ VCE(sat) 是常数，类似于 VBE - simpl
特性曲线化
○ βforced 定义为集电极电流 ÷ 基极电流
○ βforced 与 VCE 成比例增加 - 并非完全成比例
○ 当βforced增加到βdc时，有源区的电流放大倍数，发生向有源区的转变
⑸ 区域3：截止区域
① 条件（对于NPN晶体管）
○ B-E结反向偏置
○ B-C 结反向偏置
○ 因此，VB < VE, VC
② 等效电路
图。 6. 截止区等效电路
⑹ 区域4： Reverse Active Region（反向活动区域，击穿区域）
① 条件（NPN晶体管基础）
○ B-E 结反向偏置。
○ B-C 结正向偏置。
○ 换句话说，VE > VB > VC 成立。
② 由于信号劣化，不常用区域。
⑺ 晶体管的电流-电压特性曲线：也称为集电极电流-电压特性曲线
① 理想晶体管电流电压特性曲线 : 集电极电流电压特性曲线
图。 7. 晶体管的电流-电压特性曲线【注：6】
图。 8. 简化晶体管的电流-电压特性曲线[注：7]
图。 9. 集热器特性曲线实验及工作点【注：8】
○ 饱和区域 ： A ~ B。换句话说，当在有斜率的线段上时
○ VB = 0.7V
○ 保持VBB固定，增加VCC，使VCE从0逐渐升高到0.7V。
○ VC = VCE < VB = 0.7，因此 BC 结正向偏置。
○ 随着 VCC 增加，VCE 增加，IC 也逐渐增加（肖克利二极管模型）：呈指数增长。
○ 增加 IB 不会显着影响 IC : BE 和 BC 结都是正向偏置，因此没有控制功能（ Switch ON ）»> ○ 在等效电路中，VCE 保持恒定，类似于将实际二极管表示为理想二极管 + 电压源。虽然图表中存在实际差异，但计算出的工作点并没有太大差异。
○ 等效电路中IC与IB无关，导致线路重叠。在实际电路中，IB 越大，集电极电流越平滑。
○ 活跃区域 ： B ~ C。换句话说，在平行线段上
○ VB = 0.7V
○ 增加 VCC 以设置 VCE > 0.7 V
○ VC = VCE > VB = 0.7，因此 BC 结反向偏置。
○ 即使 VCC 增加，IC 仍保持恒定：IC = β × IB，其中 β 是常数。
○ 增加 IB 会导致 IC 增加。
○ 饱和区域 ：在C之后。换句话说，又是在有斜率的线段上
○ 如果VCC不断增加，使BC结过度反向偏压，就会出现击穿现象，类似于二极管。
○ 在饱和区，晶体管被破坏，因此应工作在VCC < VCE(max)。
○ 截止区域 : IB = 0
○ 当 VBB = 0 且 IB = 0 时，增加 VCC 会使 BC 和 BE 结都反向偏置。
○ 有轻微漏电流：IC ≒ 0
○ 所谓BJT晶体管由IB控制，是指其特性曲线是在IB固定的情况下绘制的。
② 早期效应
图。 10. 实际晶体管的电流-电压特性曲线[注：9]
○ 也称为基宽调制效果。
○ 随着VCE增大，集电极-基极反偏压结的耗尽区增大，有效基极厚度WB减小。
○ 结果，集电极电流增加。
○ 早期电压： 当延伸各种倾斜特性曲线时，它们会交于一个点，即该点的大小。
③ 负载线和工作点
图。 11. 工作点示例 [注：10]
○ 基极电流-电压和集电极电流-电压特性曲线与负载线的交点称为工作点（Q 点）。
○ 基极电流-电压特性曲线与二极管类似。
○ 上述电流电压特性曲线忽略了IC在饱和区轻微受IB影响的事实。
⑻ 应用 ： 晶体管开关
① 定义： 偏置设置为在截止区域和饱和区域之间振荡。
② 了解集电极的饱和电压有助于确定饱和区工作所需的最小基极电流（参考：⑼-③）。
⑼ 应用 ： 光电晶体管
① 它不是将导体连接到晶体管的基极，而是让光感应光电流。
⑽ 总结
① 解决问题应按照活跃区域→截止区域→饱和区域的顺序进行。
② 接近方法一： 通过电压偏置来确定。
数字。 12. 晶体管工作区域（Transistor Region of Operating）
③ 接近方法2： 根据集电极电流与基极电流的比值来区分饱和区和有源区。
○ βforced < βdc，因此观察到的关系如下。
○ 根据上述关系判断运行区域是接近方法1，也是充要条件。
○ 上述关系也可用于通过将电流源连接到基极来控制饱和区和有源区。
○ 上述关系可用于计算在饱和区工作所需的 I B 最小值。
3。场效应晶体管 (FET)
⑴ 定义： 由导体、绝缘体、半导体组合而成。⑵ 与BJT晶体管的比较
① 术语
○ BJT 晶体管的发射极、基极和集电极分别对应于 FET 晶体管的源极、栅极和漏极。
○ 正如 BJT 晶体管基于 NPN，FET 晶体管基于 n 沟道 FET。
○ 在 FET 中，电流从源极流向漏极：n 沟道 FET 基础，电流流向漏极 → 源极，电子流向源极 → 漏极。
② BJT 晶体管的控制 ： 由基极电流控制。
○ 传导电流 ： 电解质中电子、空穴、离子等带负电荷的粒子的流动。
③ FET 晶体管的控制 ： 由栅极和源极之间的电压控制。
○ 传导电流 : 导体内部电场作用引起的自由电子的运动。
○ 电子比空穴具有更高的迁移率。
○ 在掺杂半导体中，仅关注多数载流子。
④ 优点： 开关速度非常快。
⑤ 缺点： 低电容，因此可以在相对较小的功率范围内运行。
⑶ 类型 1: J-FET（结型 FET）
图。 13. J-FET 示意图和符号 [注：11]
① N沟道J-FET
○ 在栅极上施加负电压会导致 P 型半导体中的正空穴移动到边缘，从而增加漏极电流。
○ 在栅极上施加正电压会导致 P 型半导体中的空穴向中心移动，从而减少漏极电流。
② P 沟道 J-FET : 与 N 沟道 J-FET 类似，但施加电压相反。
⑷ 类型 2： MOS-FET（金属氧化物硅 FET）： 比 J-FET 更常用
① 栅极与漏极、源极之间通过SiO2 绝缘。
○ 功能： 提供绝缘。防止电荷流向栅极。
○ 作为一种电容器 : 请参阅下面的机制
② SiO2 附有多晶硅或金属 : 允许栅极电压均匀分布
③ 分为增强型和耗尽型
④ CMOS（互补MOS）
○ 大多数数字系统都是基于 CMOS 技术
○ C代表互补 : 因为有p型和n型
○ n沟道MOS也称为n型MOS或nMOS
○ p沟道MOS也称为p型MOS或pMOS
○ nMOS 必须连接到 GND，pMOS 必须连接到电压源
⑸ 类型 2-1. 增强型 MOS-FET (E MOS-FET)
图。 14. 增强型 MOS-FET
图。 15. 增强型MOS-FET的符号
①以n沟道E MOS-FET为参考进行说明
② 第一第一。默认情况下，漏极和源极之间有一个 NPN 半导体，可防止电流流动
③ 第二第二。 沟道形成 ：当向栅电极施加比源极更高的电压时，电子聚集在氧化层下方，形成反型层
○ 电容器操作 : 对于电容器，请记住，如果一侧为 (+)，则另一侧为 (-)
④ E MOS-FET 阈值电压 (VT, VTH)
○ E MOS-FET 中形成沟道所需的最低栅极电压
○ 身体效应 ： 导致 VT 增加的因素。对于PMOS，表示体效应的表达式如下
⑤ 饱和区
○ 条件1. VGS - VT ＜ 漏极电压 (VDS)
○ 条件2. 栅极电压(VGS) - 阈值电压(VT) ＞ 0
○ 这些条件类似于栅极和源极正向偏置、栅极和漏极反向偏置的情况
○ 电流特性 : 电流常数 K 在制造过程中已确定
○ 漏极电压不仅影响电子的运动，还影响沟道的形状
图。 16. 漏极电压施加对沟道形状的影响» ○ 夹断现象： 沟道中的电子向漏极移动，直到沟道被夹断
图。 17. 夹断现象
○ (注) 当沟道被夹断时，表示没有电流流过
○ (注) 调整夹断条件可以独立于漏源电压控制电流
○ 沟道长度调制 : 由于有效沟道长度较短而导致漏极电流增加
○ BJT晶体管的有源区对应FET晶体管的饱和区
⑥ 不饱和区（欧姆区）
○ 条件1. 漏极电压(VDS) ＜ VGS - VT
○ 条件2. 栅极电压(VGS) - 阈值电压(VT) ＞ 0
○ 这些条件类似于栅极和源极正向偏置的情况，栅极和漏极正向偏置的情况
○ 电流特性 : 电流常数 K 在制造过程中已确定
○ 电流方程的推导
○ 载波速度饱和 : 当 L 很小时或 E 很大时，电流方程变为这样
○ BJT晶体管的饱和区对应FET晶体管的非饱和区
⑦ 截止区域
○ 条件 : 栅极电压 (VGS) - 阈值电压 (VT) ＜ 0
○ 这种情况类似于栅极和源极反向偏置的情况
○ 栅极电压不能超过 E MOS-FET 阈值电压，因此不会形成沟道 → 无电流流动
⑧ 特性曲线
图。 18. E MOS-FET 特性曲线
○ 不饱和区域 : 倾斜线段上的点
○ 饱和区域 ： 几乎平行的直线段上的点，但由于早期效应而观察到轻微的倾斜
○ 截止区域 : ID = 0
○ 漏极电流 ID 对应 BJT 晶体管的集电极电流 IC
○ 漏源电压VDS对应BJT晶体管的集电极发射极电压VCE
○ 转变点 : 不饱和区域和饱和区域之间的边界
○ FET晶体管受VGS控制的说法是指特性曲线是在VGS固定的情况下绘制的
⑨ 总结：当给定一个问题时，按照饱和区→非饱和区→截止区的顺序假设情况
⑹ 类型 2-2. 耗尽型 MOS-FET（D MOS-FET）
图。 19. 耗尽型 MOS-FET [脚注：16]
图。 20. 耗尽型 MOS-FET 的符号 [脚注：17]
①以n沟道D MOS-FET为参考进行说明
② 第一第一。从结构上看，沟道已经形成 : 即使没有栅极电压，漏极电流也会流动
○ n型半导体薄薄地沉积在氧化硅层下
③ 第二第二。当栅极电压为正时，n型半导体中的电子聚集在氧化层下方
○ 电容器操作 : 对于电容器，请记住，如果一侧为 (-)，则另一侧为 (+)
○ 由于电子在氧化层下聚集，沟道变厚 → 电流增强
○ 增加电流模式操作是当电流增加时
④ 第三第。当栅极电压为负时，n型半导体中的电子向边缘散射
○ 电容器操作 : 对于电容器，请记住，如果一侧为 (+)，则另一侧为 (-)
○ 随着电子从氧化层下方向边缘散射，沟道变薄 → 电流减弱
○ 耗尽模式操作是电流减小时
⑤ D MOS-FET 阈值电压 : 使漏极电流为 0 的电压
○ 即使VGS = 0，漏极电流也不为0 : 该电流称为IDSS
⑥ 特性曲线
图。 21. D MOS-FET 特性曲线 (1)数字。 22. D MOS-FET 特性曲线 (2)
输入： 2018.02.15 14:33
修改： 2022.09.11 21:48