PN結(jié)的形成

PN結(jié)是三極管以及場效應(yīng)管中最基本的組成部分，要想徹底搞明白三極管以及場效應(yīng)管的工作原理，必須先搞清楚PN結(jié)形成的原理和工作特性。

本征半導體以及空穴對

本征半導體（intrinsic semiconductor)）完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導體稱為本征半導體。主要常見代表有硅、鍺這兩種元素的單晶體結(jié)構(gòu)。硅、鍺都是4價原子，在半導體內(nèi)部形成相對穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

圖 1

在低溫下這種結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，但如果溫度增高，束縛電子獲得足夠能量后會脫離共價鍵形成自由電子。同時在原來共價鍵的位置會留下一個空穴，如圖 2所示。

圖 2

從宏觀上來說，自由電子雖然脫離了共價鍵，但是還是在晶體范圍內(nèi)的，所以宏觀上晶體依舊是電中性。但是從微觀上看自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷。正是由于晶體還是呈現(xiàn)電中性，所以空穴和自由電子的一定是成對出現(xiàn)的，于是稱之為空穴對。

在出現(xiàn)空穴對后，其他位置上的電子有可能填補空穴，從而又形成新的空穴。以此往復就形成了空穴運動，其示意圖如圖 3所示。

圖 3

空穴對的一個很重要的意義在于提高了導電能力。也就是說如果在晶體內(nèi)全部都是完好的共價鍵是沒有辦法導電的。形成了空穴對之后，空穴和自由電子各自都是載流子，都可以運載電荷形成電流。

雜質(zhì)半導體

與完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導體相對，在其中加入一些微量雜質(zhì)就形成了雜質(zhì)半導體。由加入的雜質(zhì)元素不同形成兩種半導體。

在本征半導體中加入五價元素磷、砷后，稱為N型半導體。加入的這些元素原子與周圍的四價原子形成共價鍵之后會多出來一個自由電子，如下圖所示。

圖 4

于是在N型半導體中出現(xiàn)了大量的不受共價鍵束縛的自由電子，同時也沒有出現(xiàn)相應(yīng)的空穴。于是在N型半導體中，用于導電的載流子以自由電子居多，稱為多子；空穴就成為了少數(shù)載流子，又稱為少子。

相應(yīng)的在本征半導體中加入三價元素硼、銦后，稱為P型半導體。加入的這些元素原子與周圍的四價原子形成共價鍵之后會多出來一個自由電子，如圖 5所示。

圖 5

于是在N型半導體中多子為空穴，少子為自由電子。

以下兩點說明對于理解這一部分非常有用：

N型半導體和P型半導體都是電中性的，所謂的P和N不代表電性，代表的是多數(shù)載流子的電性。
加入這些雜質(zhì)元素后就會形成多余載流子（空穴或者自由電子）的更本原因在于在原子內(nèi)部，負電荷可分（每個電子帶一個負電荷），正電荷不可分（全部集中于原子核）。
空穴本身無法運動，所以空穴作為載流子的根本還在于吸收電子。也就是說空穴傳輸電流的本質(zhì)還是電子的移動產(chǎn)生的電流。

擴散與漂移—PN結(jié)的形成

將P型半導體和N型半導體制作在一起，形成一個特殊的交接面時，如圖 6所示，P區(qū)中有很多空穴，N區(qū)中有很多自由電子。于是很自然地自由電子會擴散到P區(qū)，與空穴結(jié)合。這種現(xiàn)象稱之為擴散現(xiàn)象。

圖 6

本來的P區(qū)和N區(qū)都是電中性的，由于自由電子的擴散，必然導致半導體內(nèi)部的電中性被破壞，從而在導體內(nèi)PN結(jié)處形成一個內(nèi)電場，如圖 7所示。

圖 7

從內(nèi)電場的方向可以看出是阻止自由電子進入P區(qū)的，由內(nèi)電場導致的載流子的運動稱為漂移運動。漂移運動與擴散運動是相反的，于是在PN區(qū)連接處兩種運動會形成一種動態(tài)平衡。從而形成了一定寬度的"空間電荷區(qū)"，這個區(qū)域就稱為"PN結(jié)"或者"耗盡層"。

耗盡層的寬度由擴散運動的強度確定的。耗盡層的電阻率很高，為高阻區(qū)。這是由于電阻的大小反映的是導電性能的高低，耗盡層已經(jīng)達到動態(tài)平衡，基本不導電，自然電阻就很大。

雖然無論是擴散運動還是漂移運動，實際運動的都是電子。但是為了區(qū)別擴散運動和漂移運動，常常會將擴散運動運動稱為多子運動，因為擴散是本區(qū)域中的多子進入對方區(qū)域的過程；相應(yīng)的漂移運動就成為少子運動。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h2>
當給PN結(jié)加正向電壓，即與內(nèi)電場方向相反的外加電場時，內(nèi)電場被削弱，最終的結(jié)果是N區(qū)的電子不斷的進入P區(qū)，且N區(qū)可以從外加的電源中源源不斷的汲取電子，于是就形成了較大的正向電流，如圖 8所示。
圖 8
如果反過來加反向電壓，即外電場與內(nèi)電場方向相同，導致的是多子難以擴散，少子的漂移運動加強。但是由于少子數(shù)量極少，所以無法形成持續(xù)不斷的電流，此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)。
單向?qū)щ娦允荘N結(jié)最為重要的特性，也是后面所以討論的基礎(chǔ)。

三極管的工作原理及特性

三極管之所以運用如此廣泛，其主要原因在于它可以通過小電流控制大電流。形象地說就是基極其是是一個閥門開關(guān)，閥門開關(guān)控制的是集電極到發(fā)射極之間的電流大小，而本身控制閥門開關(guān)的基極的電流要求很小。更加形象的圖形說明如下所示：

圖 9

三極管的結(jié)構(gòu)與符號

圖 10

三極管內(nèi)部機構(gòu)要求：（此處只說結(jié)論，后面介紹原因）

發(fā)射區(qū)參雜濃度很高，以便有足夠的載流子供發(fā)射。
為減少載流子在基區(qū)的復合機會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個微米，且參雜濃度極低。
集電區(qū)體積較大，且為了順利收集邊緣載流子，參雜濃度介于發(fā)射極與基極之間。

三極管基本工作原理

三極管的主要功能有：交流信號放大、直流信號放大和電路開關(guān)。同時三極管有三個工作區(qū)間，分別是：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。這三個區(qū)域的工作原理會在后面詳細介紹。這里首先介紹的就是交流信號放大、直流信號放大的放大功能，此時三極管工作在放大區(qū)。

工作在放大區(qū)的三極管需要給發(fā)射極設(shè)置正向偏置、給集電極設(shè)置反向偏置，如圖 11所示。

圖 11

由于發(fā)射極正偏，發(fā)射極的多數(shù)載流子（無論是P的空穴還是N的自由電子）會不斷擴散到基極，并不斷從電源補充多子，形成發(fā)射極電流I_E。由于基極很薄，且基極的多子濃度很低，所以從發(fā)射極擴散過來的多子只有很少一部分和基極的多子復合形成基極電流I_B（發(fā)射極和基極的極性一定是相反的，所以各自的多子極性相反）。而剩余的大部分發(fā)射極傳來的多子會繼續(xù)擴散到集電極邊緣。由于集電極反偏，所以反偏電壓會將在集電極邊緣的來自發(fā)射極的多子拉入集電極，形成較大的集電極電流I_C。

我們可以換一種角度看這個過程，如果將中間的基極去掉，正偏和反偏的兩個電源其實極性是相同的，串聯(lián)成了一個電壓更高的電源。發(fā)射極和集電極的半導體性質(zhì)也是相同的，成為了一整塊半導體，于是就退化成了下面這個電路。

圖 12

于是可以理解成三極管就是人為的在上述電路中加了一個閘門，用很小的電流I_B可以使閘門打開，形成很大的電流I_C。

有了以上的知識，同時可以得出三種電流之間的關(guān)系式了。

且在放大區(qū)狀態(tài)下工作時有：

在放大區(qū)工作時三極管內(nèi)部載流子的傳輸與電流分配示意圖如圖 13所示。

圖 13

三極管的特性曲線以及飽和區(qū)和截止區(qū)

先以之前水庫閘門的例子通俗的說明一下飽和區(qū)和截止區(qū)的含義。無論水庫儲水量有多大，閘門不開（I_B=0）水庫的水都沒有辦法從集電極流出，這就是截止區(qū)。

當水庫的閘門已經(jīng)完全打開之后（I_B達到了一定值），從集電極流出的水量只與集電極和發(fā)射極之間的儲水量（壓差）有關(guān)，已經(jīng)與I_B值的大小無關(guān)了，這就是飽和區(qū)。

下面就介紹一下三極管的特性曲線，進一步強化對于三種工作區(qū)域的理解。

測試三極管特征曲線的測試電路如圖 14所示。（注：U_BB=U_BE，U_CC=U_CE）

圖 14

輸入特性曲線：

在U_CE一定的情況下，I_B與U_BE之間的關(guān)系曲線如下：

圖 15

分析一下輸入特性曲線：

就右側(cè)圖中一條線紅色曲線來看，即在U_CE恒定的情況下，U_BE會經(jīng)歷一個死區(qū)電壓。這段區(qū)域內(nèi)BE間PN結(jié)還沒有達到導通電壓，所以基極沒有電流。當達到BE間PN結(jié)導通電壓后，U_BE越大其BE結(jié)擴散效應(yīng)越強，導致基極電流越大。
對于在U_BE相同的情況下，U_CE越大I_B越小的現(xiàn)象可以這樣解釋，U_CE的增加相當于是增加了集電極的反偏電壓，于是就增大了集電極的耗盡層的寬度，進而減小了基極的有效寬度。于是在基極的有效復合減少，從而電流減小。
但是為什么當U_CE達到一定值（1V）之后就不再影響I_B？

輸出特性曲線：

在一定基極電流I_B的情況下，集電極電流I_C與集電極電壓U_CE之間的關(guān)系曲線如下：

圖 16

截止區(qū)：（發(fā)射極反向偏置，集電極反向偏置）

此時I_B很小，可以理解成U_BE很小，BE之間的PN結(jié)沒有達到導通電壓，即前面說的閥門沒有打開。所以I_C和I_E幾乎為0。整個開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。

放大區(qū)：（發(fā)射極正向偏置，集電極反向偏置）

此時I_B已經(jīng)達到了導通BE之間PN結(jié)的大小，但是此時I_B相對較小，閘門還沒完全打開。閘門的大小收到I_B的控制。于是CE之間的電流大小完全與I_B成正比。

飽和區(qū)：（發(fā)射極正向偏置，集電極正向偏置）

此時I_B已經(jīng)達到了完全導通BE之間PN結(jié)的大小，閘門已經(jīng)完全打開。于是CE之間的電流大小受到U_CE的影響，已經(jīng)不再受I_B的控制。

輸出特性曲線飽和區(qū)詳解

在上面的描述中無論是截止區(qū)還是放大區(qū)都相對容易理解，但是對于飽和區(qū)就不太容易理解了。

首先三極管導電的原理是：射極和基極之間正偏，發(fā)射極有電子可以注入基極。其中極少部分與基極的多子復合后仍有大量的電子處于基極邊緣。此時集電極和基極之間反偏，于是集電極有足夠的吸引電子的能力。此時只要基極電流增大就意味著有更多的電子處于基極和集電極邊緣，此時這些電子全部可以被集電極吸走。于是此時的I_C只受到I_B的控制。

但是當UCE逐漸減小，吸引電子的能力逐漸下降。當在I_B的作用下注入基極和集電極之間的電子沒有辦法被集電極全部吸走的時候，也就是隨著I_B的增大，I_C的增大量與對應(yīng)放大區(qū)相比減小或者不再增大的時候，就進入了飽和區(qū)。所以所謂的飽和區(qū)指的是集電極的吸收電子能力的飽和。

工程上近似認為U_CE=U_BE時為臨界飽和，但飽和曲線的真正物理意義應(yīng)該是要得到某一數(shù)值的I_C，至少需要加上多大的U_CE。

為什么I_B小電流可以拉出I_C大電流

其實這個問題在之前的介紹中已經(jīng)有所解釋，這里再集中強調(diào)一下。在三極管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下。

圖 17

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性（發(fā)射區(qū)參雜濃度很高；基區(qū)做得很薄且參雜濃度極低；集電區(qū)體積較大，參雜濃度介于發(fā)射極與基極之間）從而形成了一種特殊的結(jié)構(gòu)，就是基極相當于在一塊導體（發(fā)射極加集電極）之間加了一層薄薄的阻隔柵，而只需要很小的驅(qū)動力（U_BE=0.7V，由于基極很薄，驅(qū)動電流也在uA量級）就可以將阻隔柵打開。而一旦打開這層阻隔，真正的驅(qū)動電流是由U_CE驅(qū)動的。

場效應(yīng)管的工作原理及特性

場效應(yīng)管（FET）分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管，即金屬-氧化物-半導體。下面以增強型NMOS為例，介紹MOS管的工作原理。

MOS管的基本結(jié)構(gòu)

增強型NMOS的結(jié)構(gòu)圖如圖 18所示，在參雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高參雜濃度的N型溝槽。分別用鋁從兩個N型溝槽中引出兩個電極分別作為源極S和漏極D（此時的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上沒有區(qū)別是可以互換的）。然后在半導體的表面覆蓋一層很薄的SiO₂絕緣層。在漏源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極；作為柵極G。另外在襯底上也引出一個電極B。

圖 18

在出廠前大多數(shù)MOS管的襯底已經(jīng)和源極連在了一起，此時源極S和漏極D就有了區(qū)別，不能再互換了。

MOS管出現(xiàn)導電溝道（反型層的形成）

在U_GS=0時，無論U_DS的大小和極性，都會使得2個GS和DG這兩個PN結(jié)中一個正偏，另一個反偏。但是由于兩個N區(qū)之間被P襯底隔離，所以沒有辦法形成電流，情況如圖 19所示。

圖 19

當在柵源極之間加上正向電壓（所謂的正向電壓永遠是指電場方向是從P區(qū)指向N區(qū)）后，則在柵極和襯底之間的SiO₂絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的少子電子被吸引到襯底表面。當U_GS增加大一定大小時，隨著SiO₂絕緣層中電場的增強，會將更多的電子吸引到P襯底的表面，于是柵極附近會形成一個N型薄層，且與兩個N區(qū)聯(lián)通。此時就形成了導電溝道，于是在DS之間就有電流可以通過了，其情況如圖 20所示。

圖 20

在這個階段，如果U_DS保持不變，U_GS增加會導致導電溝道變厚，從而I_D變大。

MOS管預夾斷的形成

（預夾斷的形成是在理解初期的一個難點，這里的描述是參考了一些文獻之后自己的理解，正確性還需要考證）

當U_GS>U_GSTH時，導電溝道形成，與S和D極連在一起形成了一個大的N型半導體。所以當在DS間加上正電壓之后，電流可以在N型半導體中流動。

設(shè)想U_DS=0時，I_D=0，SiO2絕緣層與導電溝道之間的電場是均勻分布的，即從D到S的導電溝道一樣厚。但是導電溝道作為導體的一部分，一定是有電阻的。隨著U_DS的增加，I_D的增大，靠近S端的電勢會比靠近N處的電勢要低。這里很重要的一點是在這個過程中SiO2平面上各個點的電勢是均勻的，所以在導電溝道不同點與SiO2之間的電場強度是不一樣的。

如果以S端的電勢為0的話，隨著ID的不斷增大，D點的電勢會達到UGS-UGSTH。此時UG與UD之間的電勢差為UGSTH，此時靠近D點處的電勢差恰好達到可以產(chǎn)生導電溝道的情況，于是在D極處就開始出現(xiàn)如圖 21所示的預夾斷。

圖 21

隨著I_D的繼續(xù)增大，預夾斷的點會不斷往左移動，如圖 22所示。但是無論如何移動，預夾斷點與G之間的電壓差保持為|U_GSTH|。

圖 22

另外非常重要的一點是，在預夾斷的區(qū)域內(nèi)，縱向的電勢差不足以出現(xiàn)導電溝道，但是由于DS間的電勢差都落在了這段預夾斷區(qū)域內(nèi)（即D極至夾斷點區(qū)域內(nèi)，且方向是從D極橫向指向夾斷點），于是夾斷區(qū)內(nèi)有很強的橫向電場。于是當載流子到達夾斷區(qū)邊沿時，會被電場拉出，從D極輸出。所以預夾斷并不是不能導電，反而可以很好地完成導電。

預夾斷的過程中I_D為什么不變

有了以上認識就可以解釋為什么在預夾斷過程中U_DS繼續(xù)增大，I_D的值可以保持不變。在進入預夾斷之后，U_DS繼續(xù)增大的過程中，夾斷點不斷向S極移動，但是保持了夾斷點和S極之間的電壓保持不變（數(shù)值上等于|U_GSTH|）。即增加的U_DS的電壓全部落在了夾斷區(qū)內(nèi)。（這里有一點沒法從原理上解釋，但是可以從結(jié)果反推，就是雖然導電溝道的長度在縮短，但是電阻值沒有什么變化）于是I_D的值保持不變。

當反向電壓達到一定程度的時候就出現(xiàn)了反向擊穿，場效應(yīng)管就壞了。

場效應(yīng)管的特性曲線

圖 23

圖 24

圖 23和圖 24的左側(cè)為漏極輸出特性曲線，右側(cè)為轉(zhuǎn)移特性曲線。

特性曲線中在V_GS=-4V的曲線下方可以成為截止區(qū)，該區(qū)域的情況是V_GS還沒有到達導電溝道導通電壓，整個MOS管還沒有開始導電。

可變電阻區(qū)又稱為放大區(qū)，在V_DS一定的的情況下I_D的大小直接受到V_GS的控制，且基本為線性關(guān)系。注意三極管中的放大區(qū)和MOS管的放大區(qū)有很大區(qū)別，不能覺得是相似的。

恒流區(qū)又稱為飽和區(qū)，此時I_D大小只收到V_GS的控制，V_DS變化過程中I_D的大小不變。

場效應(yīng)管的符號

場效應(yīng)管的分類列表如下:

圖 25

結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵性場效應(yīng)管（MOSFET）的區(qū)別

圖 26

本文中詳細介紹的是絕緣柵型場效應(yīng)管，如圖 26右側(cè)圖所示。而左側(cè)這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)型場效應(yīng)管，其工作原理大致如下：

在U_GS沒有電壓的情況下，在兩個P區(qū)之間形成N區(qū)通道，連接著D極和S極。當U_DS有電壓時在N型半導體內(nèi)形成電流。當G、S間加上反向電壓U_GS后（所謂反向電壓是指從N區(qū)指向P區(qū)的電壓），在電場力作用下N區(qū)通道逐漸變窄，直至消失，從而I_D減為0。其特性曲線如圖 27所示。

圖 27

增強型絕緣柵晶體管和耗盡型絕緣柵晶體管

圖 28

本文中詳細介紹的是增強型絕緣柵型場效應(yīng)管，耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管在SiO2絕緣層中摻雜了大量的金屬正離子，所以在U_GS沒有電壓的情況下這些正離子感應(yīng)出反型層，形成導電溝道；于是U_GS的作用就是抑制導電溝道。

P溝道還是N溝道
就是中間的半導體類型是P還是N。
符號的說明

只有一根垂直線的為結(jié)型場效應(yīng)管；兩個線的為絕緣柵型晶體管。

第二根線為虛線，為增強型絕緣柵型晶體管；為實線的為耗盡型晶體管。

箭頭永遠從P指向N，而且永遠是從G（漏）極輸出。結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型晶體管箭頭作用看起來有點反的原因是G極的位置不同了。

MOS管與三極管的區(qū)別

場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b和集電極c，作用相似。
場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，場效應(yīng)管的柵極基本不需要電流；而三極管的基極總是需要一些電流的。所以在希望控制端基本沒有電流的情況下應(yīng)該是一場效應(yīng)管；而在允許一定量電流時，選取三極管進行放大可以得到較場效應(yīng)管更大的放大倍數(shù)。
場效應(yīng)管是利用多子導電，三極管是即利用多子又利用少子。少子的濃度收到溫度、輻射等外界條件影響場效應(yīng)管相比于三極管溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。
當場效應(yīng)管的源極和襯底沒有連接在一起時，源極和漏極可以互換使用。而三極管的集電極和設(shè)計差異很大，不能互換。
場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)小，在信噪比是主要矛盾時選擇場效應(yīng)管。