双极结和场效应晶体管（BJT和FET）及PN结二极管等知识详解

晶体管是指可以执行开关和放大的半导体器件。 它可以用作开关或放大器的电子设备称为有源组件。 电开关和放大并不是从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，因为与晶体管扩散之前使用的有源组件（称为真空管）相比，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，我们使用术语pn结； 当我们专注于电路设计时，我们使用二极管一词。 但是它们本质上是同一回事：基本的半导体二极管是连接有导电端子的pn结。 首先让我们看一下图表，然后我们将简要探讨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型半导体的自由电子重新结合的空穴（这些重新结合的空穴由带圆圈的负号表示）和与来自p型半导体的空穴重新结合的电子（以圆圈正号表示）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分离会导致电位差，称为接触电位。在硅pn结二极管中，接触电势约为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。

电流可以通过扩散流过结-由于结两部分的电荷载流子浓度不同，一些来自p型材料的空穴将扩散到n型材料中，而一些来自n型电子型材料将扩散到p型材料中。但是，几乎没有电流流过，因为接触电势对该扩散电流起阻挡作用。此时，我们将开始使用术语势垒电压代替接触电势。

正向和反向偏置

如果我们将二极管连接到电池上，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。 由于我们正在增加势垒电压，因此扩散电流进一步受到阻碍。

施加反向偏置电压会使结的耗尽区变宽。另一方面，如果我们将电池的正极连接到二极管的p型侧，而负极将连接到n型侧，则我们正在降低势垒电压，从而促进电荷载流子在结上的扩散。 但是，在我们克服势垒电压并完全耗尽耗尽区之前，电流量将保持相当低的水平。 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，电流开始自由流过二极管。

二极管作为电路组件

首先，当以反向偏压极性施加电压时，pn结阻止电流流动，而当以正偏压极性施加电压时，pn结允许电流流动。 这就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接近势垒电压时，流过二极管的电流呈指数增长。 这种指数电压-电流关系使正向偏置二极管的电压降保持相当稳定，如下图所示。

二极管的工作量可以近似为一个恒定的电压降，因为很小的电压增加对应于很大的电流增加。

下图阐明了二极管的物理结构，其电路符号以及我们用于其两个端子的名称之间的关系。 施加正向偏置电压会使电流沿蓝色箭头方向流动。

双极结型晶体管

在上面的讲述中，我们了解了pn结的特殊特性。 如果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，或者我们可以添加一部分p型半导体来形成一个pnp晶体管。

n型和p型半导体的三层组合产生了一个三端子设备，该设备允许流过基极端子的电流较小，从而调节发射极和集电极端子之间的较大电流。在npn晶体管中，控制电流从基极流向发射极，调节电流从集电极流向发射极。 在pnp晶体管中，控制电流从发射极流到基极，调节电流从发射极流到集电极。 下图中的箭头表示了这些当前模式。

场效应晶体管

顾名思义，场效应晶体管（FET）使用电场来调节电流。 因此，我们可以将BJT和FET视为半导体放大和开关这一主题的两个基本变化：BJT允许小电流调节大电流，而FET允许小电压调节大电流。

场效应晶体管由两个被沟道隔开的掺杂半导体区域组成，并且以改变沟道的载流特性的方式向器件施加电压。下图使您了解其工作原理。

如您所见，被通道隔开的端子称为源极和漏极，而栅极是施加控制电压的端子。 尽管此图有助于介绍一般的FET操作，但实际上是在描述一种相对不常见的器件，称为结型场效应晶体管（JFET）。如今，绝大多数场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

MOSFET具有将栅极与沟道分隔开的绝缘层。 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单地调节流过通道的电流。 下图显示了n沟道MOSFET（也称为NMOS晶体管）的物理结构和基本操作。 NMOS晶体管中的多数载流子是电子； 具有空穴作为多数载流子的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型沟道隔开。 假设源和基板都接地。如果栅极也接地，则电流将无法流过沟道，因为施加到漏极的电压会导致反向偏置的pn结。然而，施加到栅极的正电压排斥沟道中的空穴，从而产生耗尽区，并从源极和漏极部分吸引电子。

如果电压足够高，则通道将具有足够的移动电子，以在向漏极施加电压时允许电流从漏极流向源极。

总结

由于它们允许较小的电流或电压来调节电流，因此BJT和MOSFET可以用作电子开关和放大器。 开关动作是通过提供在两种状态之间转换的输入信号来完成的。这些输入状态之一导致全电流流动，而另一个导致零电流流动。通过偏置晶体管来实现放大，以便较小的输入信号变化会在电流中产生相应的较大幅度变化。