双极结和场效应晶体管（BJT和FET）及PN结二极管等知识详解

双极结和场效应晶体管（BJT和FET）及PN结二极管等常识详解

晶体管”是指可以实施开关和扩展的半导体器材。它可以用作开关或扩展器的电子设备称为有源组件。电开关和扩展并不是从1948年晶体管的发明开始的。但是，本发明是一个新时代的开始，由于与晶体管松懈之前运用的有源组件（称为真空管）比较，晶体管体积小，效率高且具有机械弹性。下面我们先来看看PN结。

PN结二极管和二极管特性

当我们专注于半导体操作的物理学时，我们运用术语pn结；当我们专注于电路设计时，我们运用二极管一词。但是它们本质上是同一回事：根柢的半导体二极管是连接有导电端子的pn结。首要让我们看一下图表，然后我们将简明评论这个极为重要的电路元件的行为。

左边的实心圆是空穴，右边的实心圆是电子。耗尽区由与来自n型半导体的清闲电子从头结合的空穴（这些从头结合的空穴由带圆圈的负号标明）和与来自p型半导体的空穴从头结合的电子（以圆圈正号标明）组成。该复合导致耗尽区的p型部分带负电，并且耗尽区的n型部分带正电。

在p型和n型材料的接合处电荷的别离会导致电位差，称为触摸电位。在硅pn结二极管中，触摸电势约为0.6V。如上图所示，该电势的极性与我们预期的相反：在n型侧为正，而在p型侧为负。

电流可以通过松懈流过结-由于结两部分的电荷载流子浓度不同，一些来自p型材料的空穴将松懈到n型资材中，而一些来自n型电子型材料将松懈到p型资材中。但是，几乎没有电流流过，由于触摸电势对该松懈电流起阻挠作用。此刻，我们将开始运用术语势垒电压代替触摸电势。

正向和反向偏置

假定我们将二极管联接到电池上，使得电池的电压与势垒电压具有相同的极性，则结点将被反向偏置。由于我们正在添加势垒电压，因此松懈电流进一步受到阻挠。

施加反向偏置电压会使结的耗尽区变宽。另一方面，假定我们将电池的正极联接到二极管的p型侧，而负极将联接到n型侧，则我们正在下降势垒电压，然后促进电荷载流子在结上的松懈。但是，在我们战胜势垒电压并彻底耗尽耗尽区之前，电流量将坚持恰当低的水平。这在施加的电压等于势垒电压时发生，并且在这些正向偏置条件下，电流开始清闲流过二极管。

二极管作为电路组件

首要，当以反向偏压极性施加电压时，pn结阻挠电流活动，而当以正偏压极性施加电压时，pn结容许电流活动。这便是为什么二极管可以用作电流的单向阀的原因。

其次，当施加的正向偏置电压挨近势垒电压时，流过二极管的电流呈指数添加。这种指数电压-电流联络使正向偏置二极管的电压降坚持恰当安稳，如下图所示。

二极管的作业量可以近似为一个安稳的电压降，由于很小的电压添加对应于很大的电流添加。

下图阐清楚二极管的物理结构，其电路符号以及我们用于其两个端子的称号之间的联络。施加正向偏置电压会使电流沿蓝色箭头方向活动。

双极结型晶体管

在上面的叙说中，我们了解了pn结的特殊特性。假定我们将另一部分半导体材料添加到pn结，则将有一个双极结晶体管（BJT）。如下图所示，我们可以添加一部分n型半导体来创建一个npn晶体管，或许我们可以添加一部分p型半导体来构成一个pnp晶体管。

n型和p型半导体的三层组合发生了一个三端子设备，该设备容许流过基极端子的电流较小，然后调度发射极和集电极端子之间的较大电流。在npn晶体管中，操控电流从基极流向发射极，调度电流从集电极流向发射极。在pnp晶体管中，操控电流从发射极流到基极，调度电流从发射极流到集电极。下图中的箭头标清楚这些其时方式。

场效应晶体管

望文生义，场效应晶体管（FET）运用电场来调度电流。因此，我们可以将BJT和FET视为半导体扩展和开关这一主题的两个根柢改动：BJT容许小电流调度大电流，而FET容许小电压调度大电流。

场效应晶体管由两个被沟道离隔的掺杂半导体区域组成，并且以改动沟道的载流特性的办法向器材施加电压。下图使您了解其作业原理。

如您所见，被通道离隔的端子称为源极和漏极，而栅极是施加操控电压的端子。虽然此图有助于介绍一般的FET操作，但实际上是在描绘一种相对不常见的器材，称为结型场效应晶体管（JFET）。现在，绝大大都场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

MOSFET具有将栅极与沟道别离隔的绝缘层。因此，与BJT不同，MOSFET不需要稳态输入电流。通过施加电压可以简略地调度流过通道的电流。下图闪现了n沟道MOSFET（也称为NMOS晶体管）的物理结构和根柢操作。NMOS晶体管中的大都载流子是电子；具有空穴作为大都载流子的p型晶体管称为p沟道MOSFET或PMOS晶体管。

两个重掺杂的n型区域被p型沟道离隔。假定源和基板都接地。假定栅极也接地，则电流将无法流过沟道，由于施加到漏极的电压会导致反向偏置的pn结。但是，施加到栅极的正电压架空沟道中的空穴，然后发生耗尽区，并从源极和漏极部分招引电子。

假定电压满足高，则通道将具有满足的移动电子，以在向漏极施加电压时容许电流从漏极流向源极。

总结

由于它们容许较小的电流或电压来调度电流，因此BJT和MOSFET可以用作电子开关和扩展器。开关动作是通过提供在两种情况之间转化的输入信号来完毕的。这些输入情况之一导致全电流活动，而另一个导致零电流活动。通过偏置晶体管来完毕扩展，以便较小的输入信号改动会在电流中发生相应的较大崎岖改动。

审核编辑：汤梓红