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雙極性晶體管和mos區別与比较-雙極性晶體管和mos知识概述-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-03 

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雙極性晶體管和mos區別
雙極性晶體管

雙極性晶體管和mos區別到底在哪里呢?本文将雙極性晶體管和mos的基本工作原理、结构等基本知识概述的很清楚。雙極性晶體管(英语:bipolar transistor),全称双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT),俗称三极管,是一种具有三个终端的电子器件,由三部分掺杂程度不同的半导体制成,晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。


这种晶体管的工作,同时涉及电子和空穴两种载流子的流动,因此它被称为双极性的,所以也称双极性载流子晶体管。这种工作方式与诸如場效應管的单极性晶体管不同,后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。


雙極性晶體管能够放大信号,并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用来构成放大器电路,或驱动扬声器、电动机等设备,并被广泛地应用于航空航天工程、医疗器械和机器人等应用产品中。


雙極性晶體管基本原理

NPN型雙極性晶體管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作状态下,基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状态,而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状态。在没有外加电压时,发射结N区的电子(这一区域的多数载流子)浓度大于P区的电子浓度,部分电子将扩散到P区。同理,P区的部分空穴也将扩散到N区。这样,发射结上将形成一个空间电荷区(也成为耗尽层),产生一个内在的电场,其方向由N区指向P区,这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生,从而达成动态平衡。这时,如果把一个正向电压施加在发射结上,上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破,这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里,基区为P型掺杂,这里空穴为多数掺杂物质,因此在这区域电子被称为“少数载流子”。


从发射极被注入到基极区域的电子,一方面与这里的多数载流子空穴发生复合,另一方面,由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄,并且集电结处于反向偏置状态,大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域,形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合,晶体管的基极区域必须制造得足够薄,以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命,同时,基极的厚度必须远小于电子的扩散长度(diffusion length,参见菲克定律)。在现代的雙極性晶體管中,基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是,集电极、发射极虽然都是N型掺杂,但是二者掺杂程度、物理属性并不相同,因此必须将雙極性晶體管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。


雙極性晶體管结构

一个雙極性晶體管由三个不同的掺杂半导体区域组成,它们分别是发射极区域、基极区域和集电极区域。这些区域在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体,而在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出,通常用字母E、B和C来表示发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。


基极的物理位置在发射极和集电极之间,它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域,由于集电结反向偏置,电子很难从这里被注入到基极区域,这样就造成共基极电流增益约等于1,而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型雙極性晶體管的截面简图可以看出,集电结的面积大于发射结。此外,发射极具有相当高的掺杂浓度。

雙極性晶體管和mos區別


NPN型

NPN型晶体管是两种类型雙極性晶體管的其中一种,由两层N型掺杂区域和介于二者之间的一层P型掺杂半导体(基极)组成。输入到基极的微小电流将被放大,产生较大的集电极-发射极电流。当NPN型晶体管基极电压高于发射极电压,并且集电极电压高于基极电压,则晶体管处于正向放大状态。在这一状态中,晶体管集电极和发射极之间存在电流。被放大的电流,是发射极注入到基极区域的电子(在基极区域为少数载流子),在电场的推动下漂移到集电极的结果。由于电子迁移率比空穴迁移率更高,因此现在使用的大多数雙極性晶體管为NPN型。


PNP型

雙極性晶體管的另一种类型为PNP型,由两层P型掺杂区域和介于二者之间的一层N型掺杂半导体组成。流经基极的微小电流可以在发射极端得到放大。也就是说,当PNP型晶体管的基极电压低于发射极时,集电极电压低于基极,晶体管处于正向放大区。

在雙極性晶體管电学符号中,基极和发射极之间的箭头指向电流的方向,这里的电流为电子流动的反方向。与NPN型相反,PNP型晶体管的箭头从发射极指向基极。


异质结雙極性晶體管(heterojunction bipolar transistor)是一种改良的雙極性晶體管,它具有高速工作的能力。研究发现,这种晶体管可以处理频率高达几百GHz的超高频信号,因此它适用于射频功率放大、激光驱动等对工作速度要求苛刻的应用。

雙極性晶體管和mos區別


异质结是PN结的一种,这种结的两端由不同的半导体材料制成。在这种雙極性晶體管中,发射结通常采用异质结结构,即发射极区域采用宽禁带材料,基极区域采用窄禁带材料。常见的异质结用砷化镓(GaAs)制造基极区域,用铝-镓-砷固溶体(AlxGa1-xAs)制造发射极区域。采用这样的异质结,雙極性晶體管的注入效率可以得到提升,电流增益也可以提高几个数量级。


采用异质结的雙極性晶體管基极区域的掺杂浓度可以大幅提升,这样就可以降低基极电极的电阻,并有利于降低基极区域的宽度。在传统的雙極性晶體管,即同质结晶体管中,发射极到基极的载流子注入效率主要是由发射极和基极的掺杂比例决定的。在这种情况下,为了得到较高的注入效率,必须对基极区域进行轻掺杂,这样就不可避免地使增大了基极电阻。


如左边的示意图中,代表空穴从基极区域到达发射极区域跨越的势差;而则代表电子从发射极区域到达基极区域跨越的势差。由于发射结具有异质结的结构,可以使,从而提高了发射极的注入效率。在基极区域里,半导体材料的组分分布不均,造成缓变的基极区域禁带宽度,其梯度为以表示。这一缓变禁带宽度,可以为少数载流子提供一个内在电场,使它们加速通过基极区域。这个漂移运动将与扩散运动产生协同作用,减少电子通过基极区域的渡越时间,从而改善雙極性晶體管的高频性能。


尽管有许多不同的半导体可用来构成异质结晶体管,硅-锗异质结晶体管和铝-砷化镓异质结晶体管更常用。制造异质结晶体管的工艺为晶体外延技术,例如金属有机物气相外延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和分子束外延。

雙極性晶體管和mos區別


雙極性晶體管应用详情

集电极-发射极电流可以视为受基极-发射极电流的控制,这相当于将雙極性晶體管视为一种“电流控制”的器件。还可以将它看作是受发射结电压的控制,即将它看做一种“电压控制”的器件。事实上,这两种思考方式可以通过基极-发射极结上的电流电压关系相互关联起来,而这种关系可以用PN结的电流-电压曲线表示。


人们曾经建立过多种数学模型,用来描述雙極性晶體管的具体工作原理。例如,古梅尔–潘模型(Gummel–Poon Model)提出,可以利用电荷分布来精确地解释晶体管的行为。上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极管的问题,这种二极管基极区域的少数载流子是通过吸收光子(即上一段提到的光注入)产生的。电荷控制模型还能处理有关关断、恢复时间等动态问题,这些问题都与基极区域电子和空穴的复合密切相关。然而,由于基极电荷并不能轻松地在基极引脚处观察,因此,在实际的电路设计、分析中,电流、电压控制的观点应用更为普遍。


在模拟电路设计中,有时会采用电流控制的观点,这是因为在一定范围内,雙極性晶體管具有近似线性的特征。在这个范围(下文将提到,这个范围叫做“放大区”)内,集电极电流近似等于基极电流的倍,这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时,人们假定发射极-基极电压为近似恒定值(如),这时集电极电流近似等于基极电流的若干倍,晶体管起电流放大作用。


然而,在真实的情况中,雙極性晶體管是一种较为复杂的非线性器件,如果偏置电压分配不当,将使其输出信号失真。此外,即使工作在特定范围,其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的雙極性晶體管电路,必须采用电压控制的观点(例如后文将讲述的艾伯斯-莫尔模型)。电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系,在一定范围内,函数关系为近似线性,可以将晶体管视为一个电导元件。这样,诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题,所以近似的电压控制观点也常被选用。对于跨导线性(translinear)电路,研究其电流-电压曲线对于分析器件工作十分关键,因此通常将它视为一个跨导与集电极电流成比例的电压控制模型。


晶體管級別的電路設計主要使用SPICE或其他類似的模擬電路仿真器進行,因此對于設計者來說,模型的複雜程度並不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時,並不總能像處理經典的電路分析那樣采取精確計算的方法,因而采用近似的方法是十分必要的。


mos概述

mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。


mos場效應管的基本结构和工作原理详解

雙極性晶體管和mos區別

N溝道MOS管結構示意圖和符號


MOS场效应三极管分为:增强型(又有N沟道、P沟道之分)及耗尽型(分有N沟道、P沟道)。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见上图。其中:电极 D(Drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极;


电极 G(Gate) 称为栅极,相当于的基极;


电极 S(Source)称为源极,相当于发射极。


N沟道增强型MOS場效應管结构

在一塊摻雜濃度較低的P型矽襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區,並用金屬鋁引出兩個電極,分別作漏極d和源極s。然後在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化矽(SiO2)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作爲柵極g。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)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。


圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。

雙極性晶體管和mos區別


MOS管導通特性

導通的意思是作爲開關,相當于開關閉合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。


MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。


MOS管應用電路

MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源,也有照明調光。


现在的MOS驱动,有几个特别的需求。1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。


雙極性晶體管和mos區別详解

首先,所谓的雙極性晶體管就是三极管,是一种具有三个终端的电子器件,由三部分掺杂程度不同的半导体制成,晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。


在電路設計當中假設我們想要對電流中止控制,那就少不了三極管的幫助。我們俗稱的三極管其全稱爲半導體三極管,它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著許多相近的地方,這就使得一些新手不斷無法明白兩者之間的區別,本篇文章就


將爲大家引見三極管和MOS管的一些不同。


關于三極管和MOS管的區別,我們簡單總結了幾句話便當大家理解。

從性質上來說:三極管用電流控制,MOS管屬于電壓控制。

從本錢上來說:三極管低價,MOS管貴。

關于功耗問題:三極管損耗大。

驅動能力上的的不同:MOS管常用于電源開關以及大電流地方開關電路。


理論上,就是三極管操作便當且價錢低廉,經常用于數字電路的開關控制當中。而MOS管用于高頻高速電路,大電流場所,以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央。所以普通來說低本錢場所,普通應用的先思索用三極管,不行的話建議用MOS管。

雙極性晶體管和mos區別


理論上說電流控制慢,電壓控制快這種理解是不對的。要真正理解得了解雙極晶體管和mos晶體管的工作方式才幹明白。三極管是靠載流子的運動來工作的,以npn管射極跟隨器爲例,當基極加不加電壓時,基區和發射區組成的pn結爲阻止多子(基區爲空穴,發射區爲電子)的擴散運動,在此pn結處會感應出由發射區指向基區的靜電場(即內建電場),當基極外加正電壓的指向爲基區指向發射區,當基極外加電壓産生的電場大于內建電場時,基區的載流子(電子)才有可能從基區流向發射區,此電壓的最小值即pn結的正導遊通電壓(工程上普通以爲0.7v)。


但此時每個pn結的兩側都會有電荷存在,此時假設集電極-發射極加正電壓,在電場作用下,發射區的電子往基區運動(理論上都是電子的反方向運動),由于基區寬度很小,電子很容易越過基區抵達集電區,並與此處的PN的空穴複合(靠近集電極),爲維持平衡,在正電場的作用下集電區的電子加速外集電極運動,而空穴則爲pn結處運動,此過程類似一個雪崩過程。


集電極的電子經過電源回到發射極,這就是晶體管的工作原理。三極管工作時,兩個pn結都會感應出電荷,當開關管處于導通狀態時,三極管處于飽和狀態,假設這時三極管截至,pn結感應的電荷要恢複到平衡狀態,這個過程需求時間。而MOS與三極管工作方式不同,沒有這個恢複時間,因此可以用作高速開關管。


下面針對一些電路設計當中會呈現的情況,列出了幾種MOS管和三級管的選擇規律:

(1)MOS管是電壓控制元件,而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下,應選用MOS管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應選用三極管。


(2)電力電子技術中提及的單極器件是指只靠一種載流子導電的器件,雙極器件是指靠兩種載流子導電的器件。MOS管是應用一種多數載流子導電,所以稱之爲單極型器件,而三極管是既有多數載流子,也應用少數載流子導電。被稱之爲雙極型器件。


(3)有些MOS管的源極和漏極可以互換運用,柵壓也可正可負,靈活性比三極管好。


(4)MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很便當地把很多MOS管集成在一塊矽片上,因此MOS管在大範圍集成電路中得到了普遍的應用。


(5)MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優點,因而也被普遍應用于各種電子設備中。特別用MOS管做整個電子設備的輸入級,可以獲得普通三極管很難抵達的性能。


(6)MOS管分紅結型和絕緣柵型兩大類,其控制原理都是一樣的。


本篇文章與衆不同的是,並沒有用過多的篇幅對MOS管和三極管在概念上的區別進行對比。而是從實踐出發,用實際發生的情況和現象來對兩者進行區分,比單純概念性上的講解更加容易理解並方便記憶。


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