三極管和MOS管的工作原理

在前面我們講了，半導體器件主要可以分為二極管類和三極管類。本文主要講解三極管類器件的原理，以及它們在工程學上的基本應用。毫無疑問，二極管和三極管類器件的出現，拉開了邏輯電路的序幕。那么，三極管類器件和邏輯電路由有什么關系呢？在探討這個話題之前，我們有必要先學習下三極管類器件的基本原理的學習。

三極管和MOS管的工作原理

前面的知識，我們可以簡單總結為2部分：

1.電子存在于萬物之中，自然狀態下，物體是否導電，取決于它內部自由電子的多少。自由電子多，導電性能良好的物體稱為導體。自由電子少，導電性能差的物體，稱為絕緣體。導電性能既可以好，又可以不好的物體，稱為半導體。注意：導體和絕緣體的定義永遠都是相對的。物體A通流1mA，物體B通流1uA。我們可以定義物體A為導體，物體B為絕緣體。同樣地，物體A通流1mA，物體B可通流1A。則物體B為導體，物體A為絕緣體。

2.半導體器件是否導電，取決于其內部載流子的多少，而半導體器件內部載流子有2類，分別為電子（自由電子）和空穴（離子）。自由電子的運動方向與電場方向相反，空穴的運動方向與電場方向相同。電子數量遠多于空穴數量的半導體，因電子帶負電，稱為N型半導體（Negative）。空穴數量遠多于電子數量的半導體，因空穴帶正電，稱為P型半導體（Positive）。

NPN三極管的工作原理

對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成（摻雜工藝一體成型，并非拼接），發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發射極e （Emitter）、基極b (Base)和集電極c (Collector)。如下圖所示：

在制作時，C區摻雜低濃度自由電子，B區摻雜中量的空穴，而且要做的很薄，E區摻雜高濃度的自由電子。三極管導通的條件是B相對E極加正電壓（發射結正偏）。 C極相對B極加正電壓（集電結反偏）。如下圖所示：

A．接通電源后，由于發射結正偏，發射區的多數載流子（電子）通過外部偏置電源E1和導線流入基區，而基區的多數載流子（空穴）通過外部電源和導線流入發射區。

B．由于發射區電子的的濃度遠大于基區空穴的濃度，所以在基區和發射區，空穴和電子復合（帶負電的電子和帶正電的離子結合成不帶電的分子，稱為復合）后，還剩余很多自由電子，在基區集結了大量自由電子后，由于集電結反偏，只要基區內有靠近集電結的自由電子，都會被反向集電結的強電場作用，掃入到集區。

我們發現大量的發射區的電子經過外部電源E1和導線流入基區，由于發射結正向導通，形成電流回路，這股電子流稱為發射極電流IE（Emitter Current）。

這些電子中的一少部分與基區的空穴復合消失，同時又不斷產生，所以，等效復合掉又產生的電子，形成的電流回路，稱為基極電流IB。

即使復合掉一部分，還剩余的大部分電子在基區，這些電子經過集電結的反偏電壓，被集電結的電場力掃入到集區內，到達集電區，由于集電區本身自由電子濃度高，可以形成擴散電流，再經過E2和導線，形成電流回路。這個電流稱為集極電流IC。

從電子的形成過程，我們可以看出：

IE=IC+IB，且IC遠大于IB。

此處一定要關注電流的定義：電流由電子移動時產生，且必須有回路。正偏的發射結電壓，使得大量的電子從發射區到達基區，但是只有少數電子從基區到達了發射區（經過擴散和重新產生）。所以我們發現，到達基區的電子很多，但是發射結電流卻很小。剩余的大部分電子只有在集電結增加足夠的反偏電壓后，才能形成回路，重新到達發射區。

所以以上過程又可以等效描述為：產生很小的IB，伴隨產生著很多的自由電子，這些電子只有在集電結增加反偏電壓后，才能形成回路，產生真正的大電流IC。所以我們稱晶體管器件為電流控制型放大器件。

為了表征這一放大特征，我們定義兩個直流放大倍數：β=IC/IB，α=IC/IE。這兩個值決定了晶體管的電流放大能力。

如上即為NPN三極晶體管的工作原理。 PNP型三極管原理類似。

N型MOS管的工作原理

NMOS全稱為N型金屬-氧化物-半導體。其結構如下：在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底（提供大量可以動空穴）上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(N+區域中有大量為電流流動提供自由電子的電子源)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極D和源極S。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極（通常是多晶硅），作為柵極G。在襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。 MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好，也可以不連接，作為模擬開關使用)。

通過以上結構，我們發現，

NMOS管在默認狀態下，由于漏極和源極（N型）之間隔著P型半導體，會形成由P指向N的2圈PN結，阻止自由電子的流動，我們稱為NMOS管是截止狀態。

在柵極相對S極（或者B極）增加正向電壓后，此時N型半導體的源極和漏極的電子，由于電場作用，想流向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中（見圖b），使得P型半導體中產生了一部分N溝道，使源極和漏極之間導通了。我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。