三极管和MOS管的工作原理

在前面我们讲了，半导体器件主要可以分为二极管类和三极管类。 本文主要讲解三极管类器件的原理，以及它们在工程学上的基本应用。 毫无疑问，二极管和三极管类器件的出现，拉开了逻辑电路的序幕。 那么，三极管类器件和逻辑电路由有什么关系呢？ 在探讨这个话题之前，我们有必要先学习下三极管类器件的基本原理的学习。

三极管和MOS管的工作原理

前面的知识，我们可以简单总结为2部分：

1.电子存在于万物之中，自然状态下，物体是否导电，取决于它内部自由电子的多少。 自由电子多，导电性能良好的物体称为导体。 自由电子少，导电性能差的物体，称为绝缘体。 导电性能既可以好，又可以不好的物体，称为半导体。 注意：导体和绝缘体的定义永远都是相对的。 物体A通流1mA，物体B通流1uA。 我们可以定义物体A为导体，物体B为绝缘体。 同样地，物体A通流1mA，物体B可通流1A。 则物体B为导体，物体A为绝缘体。

2.半导体器件是否导电，取决于其内部载流子的多少，而半导体器件内部载流子有2类，分别为电子（自由电子）和空穴（离子）。 自由电子的运动方向与电场方向相反，空穴的运动方向与电场方向相同。 电子数量远多于空穴数量的半导体，因电子带负电，称为N型半导体（Negative）。 空穴数量远多于电子数量的半导体，因空穴带正电，称为P型半导体（Positive）。

NPN三极管的工作原理

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成（掺杂工艺一体成型，并非拼接），发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e （Emitter）、基极b (Base)和集电极c (Collector)。 如下图所示：

在制作时，C区掺杂低浓度自由电子，B区掺杂中量的空穴，而且要做的很薄，E区掺杂高浓度的自由电子。 三极管导通的条件是B相对E极加正电压（发射结正偏）。 C极相对B极加正电压（集电结反偏）。 如下图所示：

A．接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）通过外部偏置电源E1和导线流入基区，而基区的多数载流子（空穴）通过外部电源和导线流入发射区。

B．由于发射区电子的的浓度远大于基区空穴的浓度，所以在基区和发射区，空穴和电子复合（带负电的电子和带正电的离子结合成不带电的分子，称为复合）后，还剩余很多自由电子，在基区集结了大量自由电子后，由于集电结反偏，只要基区内有靠近集电结的自由电子，都会被反向集电结的强电场作用，扫入到集区。

我们发现大量的发射区的电子经过外部电源E1和导线流入基区，由于发射结正向导通，形成电流回路，这股电子流称为发射极电流IE（Emitter Current）。

这些电子中的一少部分与基区的空穴复合消失，同时又不断产生，所以，等效复合掉又产生的电子，形成的电流回路，称为基极电流IB。

即使复合掉一部分，还剩余的大部分电子在基区，这些电子经过集电结的反偏电压，被集电结的电场力扫入到集区内，到达集电区，由于集电区本身自由电子浓度高，可以形成扩散电流，再经过E2和导线，形成电流回路。 这个电流称为集极电流IC。

从电子的形成过程，我们可以看出：

IE=IC+IB，且IC远大于IB。

此处一定要关注电流的定义：电流由电子移动时产生，且必须有回路。 正偏的发射结电压，使得大量的电子从发射区到达基区，但是只有少数电子从基区到达了发射区（经过扩散和重新产生）。 所以我们发现，到达基区的电子很多，但是发射结电流却很小。 剩余的大部分电子只有在集电结增加足够的反偏电压后，才能形成回路，重新到达发射区。

所以以上过程又可以等效描述为：产生很小的IB，伴随产生着很多的自由电子，这些电子只有在集电结增加反偏电压后，才能形成回路，产生真正的大电流IC。 所以我们称晶体管器件为电流控制型放大器件。

为了表征这一放大特征，我们定义两个直流放大倍数：β=IC/IB，α=IC/IE。 这两个值决定了晶体管的电流放大能力。

如上即为NPN三极晶体管的工作原理。 PNP型三极管原理类似。

N型MOS管的工作原理

NMOS全称为N型金属-氧化物-半导体。 其结构如下：在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底（提供大量可以动空穴）上，制作两个高掺杂浓度的N+区(N+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极D和源极S。 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极（通常是多晶硅），作为栅极G。 在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好，也可以不连接，作为模拟开关使用)。

通过以上结构，我们发现，

NMOS管在默认状态下，由于漏极和源极（N型）之间隔着P型半导体，会形成由P指向N的2圈PN结，阻止自由电子的流动，我们称为NMOS管是截止状态。

在栅极相对S极（或者B极）增加正向电压后，此时N型半导体的源极和漏极的电子，由于电场作用，想流向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图b），使得P型半导体中产生了一部分N沟道，使源极和漏极之间导通了。 我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。

所以以上过程又可以描述为：在G极相对S极（或B极）增加电压后，会使得原本隔离开的两个N型半导体之间形成一段N型沟道，大量的自由电子聚集在N型半导体区域后，通过在D极和S极增加电压，就可以使得原本不导通的MOS管导通。 所以我们称MOS管器件为电压控制型放大器件。

我们定义MOS管沟道刚刚形成时的GS极（或者GB）电压为开启电压Vgsth。 Vgs越大，沟道越厚，D极与S极导电能力越强。

为了表征放大特征，常使用GS与电流的关系式表达MOS管的放大能力。

其中，Vgsth为MOS管的开启电压，IDSS为​Vgs=2Vgsth时，IDS电流值。

如上即为NMOS管的工作原理。