全面解析BJT、FET、JFET、MOSFET、IGBT晶体管

晶体管是现代电子和逻辑电路中使用最多的元件，因为它有两个主要功能，即开关和放大。它们用于模拟和数字电路，低功率和高功率和频率应用。各种各样的晶体管都有各自的优点和缺点。以下是本文中讨论的几种晶体管。

#1 

什么是晶体管?

What is a Transistor?

晶体管是一种三端半导体器件，用于开关或放大信号。其输入端的小电流或电压可用于控制非常高的输出电压或电流。

“晶体管”这个词是“Trans”代表“传输”和“istor”代表“电阻”两个词的组合。这是因为晶体管根据输入信号将其电阻从一端转移到另一端。

晶体管主要分为两种：

● 双极结晶体管-BJT

● 场效应晶体管-FET

#2 

双极结晶体管- BJT

Bipolar Junction Transistor – BJT

BJT或双极结晶体管是一种双极晶体管，有一个结。双极意味着它使用两种类型的电荷载体，即电子和空穴。而结是指两种不同半导体材料之间的边界，通常称为PN结。

BJT由具有两个PN结的P型和N型半导体材料交替三层组成。它有3个端子，即发射极、基极和集电极。每个端子与晶体管的每一层连接。

基极是夹在发射极和集电极之间的中间层。基层是所有层中掺杂最轻的。发射极和集电极均重掺杂，其中发射极的掺杂相对于集电极的掺杂重。

BJT是一种电流控制装置。它是指它利用基极端的输入电流来控制输出电流或集电极电流。通过反向连接基极-集电极结和正向偏置连接基极-发射极结，允许电流在发射极和集电极之间流动。这个电流与基极电流成正比。

由于其基极-发射极结或输入正向偏置，因此输入阻抗非常低。由于集电极-发射极反向偏置，输出阻抗非常高。因此，BJT具有非常高的增益。

有两种类型的BJT，即NPN和PNP晶体管。

#3 

NPN型晶体管

NPN Transistor

NPN晶体管是由两种N型材料和一种P型材料组合而成。P区夹在N区之间。集电极、基极和发射极三个端子分别从N区、P区和N区上升。

大多数载流子是电子，少数载流子是空穴。在基极端施加电流IB允许电流IC从集电极到发射极。电流与基极电流成正比。而总发射极电流IE是基极电流Ib和集电极电流IC的总和。

IC = βIB

IE = IB + IC

NPN晶体管的符号也表示电流的方向。指向发射器外的小箭头表示发射器向外的电流方向。

NPN晶体管通过施加正基极-发射极电压VBE开关，由于大多数载流子是电子，它具有很高的开关速度。

#4 

PNP型晶体管

PNP Transistor

PNP晶体管由两个P层和一个N层组合而成。薄的N层夹在两个厚的P层之间。中间的N层称为基极，周围的两层称为集电极和发射极。

大多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

反向偏置集电极-发射极结和正向偏置基极-发射极结使晶体管进入导通模式，输出电流与基极电流成正比。

当负电压VBE加到基极区时，PNP晶体管导通，当正电压加到基极区时，PNP晶体管关断。

由于大多数载流子是空穴，PNP晶体管的恢复时间相对较高，因此它的开关速度比NPN晶体管低。

在PNP晶体管的符号中，指向内的箭头表示电流在发射极内部流向基极和集电极的方向。因此，总电流IC是发射极电流减去基极电流。

IC = IE – IB

#5 

场效应晶体管

Field Effect Transistor – FET

FET或场效应晶体管是一种利用电场或电压来控制电流流动的晶体管。它是单极的，即电流仅由于大多数电荷载流子是电子或空穴而流动。

FET的三个终端分别是漏极(D)、栅极(G)和源极(S)。根据FET的结构，在漏极和源极之间有一个通道。通道是指电流流动的路径。漏极和源极由相同的半导体材料制成。然而，漏极端是一个有更多的正电压。因此，漏极和源极是可互换的。

通道的宽度由施加在其栅极上的电压控制。对源电压VGS施加正向栅极增加通道宽度，从而增加漏极电流ID。这种模式称为增强模式。而应用反向VGS减少通道长度和当前ID。这种运作模式被称为耗竭模式。因此，它是一种电压控制装置。

由于输入(门)是反向偏置的，FET的输入阻抗在100欧姆的范围内非常高，这就是为什么没有输入或门电流的原因。因此，它具有非常低的能耗和高效率。输出阻抗低。因此，FET的增益比BJT小。

由于FET仅利用电子或空穴一种类型的电荷载流子，因此恢复时间非常快。因此，它的开关速度非常快，可以用于非常高频的应用。

有两种类型的FET晶体管，即JFET(结场效应管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。

#6 

结场效应晶体管JFET

Junction Field Effect Transistor JFET

JFET或结场效应晶体管是一种在栅极和沟道之间有一个PN结的场效应晶体管。它有Gate (G)、DraiN (D)和Source (S)三个端子，通道被栅极区包围。所述通道和栅极由所述交替半导体层构成。沟渠的两端分别称为漏地和源地。

该通道在制造过程中是内置的。因此，当栅极没有电压时，JFET可以传导电流。对栅极施加反向电压会在通道周围产生耗尽区，该耗尽区会收缩并减小通道宽度。当耗尽区完全阻塞通道时，电流流动减少并最终停止。这种工作模式也被称为耗尽模式，JFET只在这种模式下工作。

该通道可以由P型或N型半导体材料制成。因此，JFET可分为：

● N沟道JFET

● P沟道JFET

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N-Channel JFET

N沟道JFET

N沟道JFET的沟道由N型半导体材料制成，因此得名。负责电流流动的电荷载体是电子。电子的恢复时间快，因此N沟道JFET具有快速的开关速度。

当栅极电压为零时，由于存在通道，它将在源极和漏极之间传导电流。应用负的V-GS产生一个耗尽区，减少通道宽度。因此，减少电流。

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P-Channel JFET

P沟道JFET

P沟道JFET的沟道是由P型材料制成的，空穴是负责电流流动的电荷载流子。空穴相对较重，速度比电子慢。因此，P沟道JFET的速度比N沟道JFET慢。

P沟道JFET即使在栅极没有电压时也能导通。施加正栅极电压减小通道宽度并减小电流。

#7 

场效应晶体管

MOSFET

MOSFET或金属氧化物半导体场效应晶体管是一种场效应晶体管，其栅极终端与通道电隔离。因此，它也被称为IGFET(绝缘栅场效应晶体管)。它有四个终端;排水管、闸门、水源和阀体。本体端子常与电源短接，从而形成三个端子。

MOSFET的栅极和沟道之间有一层二氧化硅绝缘层。它增加了输入阻抗在百万欧姆范围内，并减少了泄漏电流。

MOSFET具有与任何其他FET相同的操作。其栅极处的电压用于改变通道宽度和通过通道的电流。它可以减少或增加通道的宽度。因此，MOSFET工作在两种模式下，即损耗模式和增强模式。

绝缘层的缺点是它在栅极和沟道之间产生电容，这使得它容易受到静电积聚的影响。

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Depletion MOSFET

损耗MOSFET

耗尽型MOSFET或D型MOSFET是一种MOSFET，其中沟道是在制造时制造的。它是正常ON的MOSFET，在无输入或栅源电压VGS = 0时传导电流。

它可以在损耗和增强模式下工作。应用正向VGS使D-MOSFET进入增强模式，电流增大。而应用反向V-GS则使其进入耗尽模式，电流减小并关闭。

按沟道划分，D-MOSFET可分为N沟道和P沟道。

D-MOSFET可以在耗尽和增强模式下工作。而增强型MOSFET不能在耗尽模式下工作。

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N-Channel D-MOSFET

N沟道D-MOSFET

在N沟道D-MOSFET中，沟道由N型材料制成，电流由电子流动。正栅极源电压VGS增加了通道宽度，从而增加了电流流量。而负的VGS耗尽了载流子的通道并减少了电流以完全关闭。

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P-Channel D-MOSFET

P沟道D-MOSFET

在P沟道D-MOSFET中，沟道由P型材料制成，其空穴作为电荷载流子。正VGS减小通道宽度和电流，而负VGS增强P沟道D-MOSFET的电流。

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Enhancement MOSFET

增强MOSFET

增强型MOSFET或E-MOSFET是一种“正常关闭”的MOSFET，当没有输入时不导电。它没有频道。该通道是通过在其栅极和源端之间施加正向电压VGS-来诱导的。电压增强通道宽度和电流，因此得名。

E-MOSFET也分为N沟道和P沟道两种。

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N-Channel E-MOSFET

N沟道E-MOSFET

该通道是通过施加一个正的V-GS来诱导的，该V-GS在其栅极下积累了一层来自P衬底的负电荷，形成了N通道。增加电压会增加其宽度和电流导电性。

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P-Channel E-MOSFET

P沟道E-MOSFET

该通道是通过施加负V-GS来诱导的，该负V-GS增加了通道宽度以增加电流。该沟道是通过从栅电极下面的N衬底上积累孔而制成的。

正如我们所知，光电二极管工作在反向偏置，因此，图表是在反向电压和反向电流之间。反向电压在负x轴上表示，而反向电流在负y轴上以微安表示。

#8 

绝缘栅双极晶体管IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT

IGBT或绝缘栅双极晶体管是一种结合了BJT和MOSFET的最佳部分的晶体管。它具有MOSFET(绝缘栅极)的高输入阻抗和快速开关速度的输入特性和BJT的大输出电流处理能力的输出特性。

它有栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)三个端子，其中栅极代表MOSFET部分，集电极和发射极代表BJT部分。它是一种像MOSFET一样没有输入电流的电压控制器件。因此它没有输入损失。然而，它是单向的，不像MOSFET是双向的。它只允许电流从集电极到发射极。

它由MOSFET和BJT的组合制成，使用如上所示的达灵顿对配置，一个N沟道MOSFET与PNP晶体管。一个正的栅极-发射极电压V-GE开关接通MOSFET，启动基极电流到PNP。PNP接通并传导巨大的电流。

这种组合提高了整体电压和电流额定值，减少了输入损耗和体面的开关速度。操作起来要容易得多。

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Punch through IGBT

打通IGBT

通过IGBT的穿孔有一个N+缓冲层。它具有不对称电压阻断能力，即正向和反向击穿电压是不同的。反向击穿电压小于正向击穿电压。它们不能处理反向电压。它们用于直流电路，因为它们是单向的，如逆变器和斩波电路。它具有更快的切换速度。

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Non Punch through IGBT

不通过IGBT打孔

非冲孔通过IGBT没有N+缓冲层。它们具有对称的击穿电压，即正向击穿电压和反向击穿电压相等。它们用于交流电路中，如整流器。

#9 

特殊的晶体管

Special Transistor

有不同种类的晶体管被设计用于特殊用途。下面是其中一些晶体管。

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Darlington Pair Transistor

达林顿晶体管

达灵顿晶体管或达灵顿对是两个NPN或PNP晶体管的组合，它们的总增益等于它们各自增益的乘积。它提供了非常高的电流增益。被第一个BJT放大的电流被第二个BJT放大。它被用在敏感电路中，比单个晶体管占用的空间更小。

第一晶体管的发射极连接到第二晶体管的基极，它们的集电极是共同的。它可能有一个高增益，但它也有双基极-发射极下降。它以单晶体管形式提供，具有三个端子，即基极，发射极和集电极。

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Sziklai Pair Transistor

Sziklai晶体管

Sziklai就像DarliNgton一样，是两个BJT的组合，以提高其当前增益。但它将两个不同的BJT组合成一个晶体管。与达林顿对相比，这种配置的优点是它具有单个基极-发射极电压降。它的电流增益略低于达灵顿。

第一BJT的收集器连接到第二BJT的底座。第一所述的发射极和第二所述的集电极连接在一起。整个Sziklai晶体管充当第一晶体管或输入晶体管。例如，如果第一个晶体管是NPN，那么整个晶体管将作为具有高增益的NPN晶体管工作。

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Phototransistor

光电晶体管

顾名思义，光电晶体管依赖于光强。这是一个简单的晶体管，但不是基端，有一个光敏区。因此，它只有两个端子。光敏区将光能转换成电能，用于控制输出电流。

它们可以由BJT或FET制成。BJT光晶体管将光能转换成基极电流，而FET光晶体管将光转换成电压以控制大电流。

当它处于阴影下或感光区域没有光线时，它会保持关闭状态。当光落在它的结上产生与光强成正比的基极电流或栅极电压时，它就会接通。它反过来控制大集电极或漏极电流。

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Small Signal Transistors

小信号晶体管

顾名思义，这种晶体管用于放大和开关非常小的信号。它们的增益非常高，约为500，集电极的额定电流为毫安。这些是非常敏感的晶体管，只能用于小信号。

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Small Switching Transistors

小型开关晶体管

这些晶体管主要用于小信号的开关。它们可用于扩增;然而，它们的电流增益远小于200倍范围内的小信号晶体管。这两种晶体管都是由诸如NPN和PNP的bjt制成的。

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Power Transistors

功率晶体管

顾名思义，这些晶体管用于高功率应用。它们可以处理非常高的集电极电流和电压。它们的体积比任何普通晶体管都要大。为了处理大电流，每个区域都设计得更大。它们有很高的击穿电压。然而，它们也有很高的导通电压降。功率晶体管可用于所有类型的晶体管，如功率BJT，功率MOSFET和功率IGBT。

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High Frequency Transistors

高频晶体管

这些晶体管用于非常高频和高速的开关应用。它们也被称为RF(射频)晶体管。它们可以在2000兆赫的范围内以非常高的速度打开和关闭小信号。在如此高的频率下，它们既用于开关，也用于放大。

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Avalanche Transistor

雪崩晶体管

雪崩晶体管是专门设计用于在被称为雪崩击穿区域的击穿电压之外工作的bjt。这是一个电流显著增加的负电阻区域。这些晶体管在这个被称为雪崩模式操作的区域工作。在这种模式下，它们能够以非常高的速度切换非常大的电流。

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Dual Gate MOSFET

双栅MOSFET

双栅MOSFET是一种特殊类型的MOSFET，专为射频应用而设计。它具有沿其长度在单个通道上制造的两个栅极，其电导率受两个栅极的影响。因此，它可以用于混合两个输入信号。它作为两个MOSFET串联工作，但具有单个通道。它们用于射频混频器和放大器。

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Multiple-Emitter Transistor

多发射极晶体管

多发射极晶体管是具有多个发射极的BJT晶体管。它被用作TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路中NAND门的输入。BJT只是两个二极管背靠背连接。任何发射极的逻辑低电压将基极拉到低电压，从而停止集电极电流，同时在两个发射极提供逻辑高电压，允许用于驱动逻辑电路的集电极电流。如果在DTL(二极管-晶体管逻辑)中使用二极管，它们有助于减少开关时间。

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Schottky Transistor

肖特基晶体管

肖特基晶体管是一个肖特基二极管连接在基极和集电极之间的BJT。肖特基二极管具有较低的电压降和较高的开关速度。由于压降比基极-发射极压降低，它将引导电流远离基极，以防止晶体管饱和。

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Unijunction Transistors UJT

单结晶体管

单结晶体管或UJT是一种只有一个PN结但有三个端子的二极管;发射极(E)，基极_1 (B1)和基极_2 (B2)。就像二极管一样，它只用于开关，但它提供电控开关。与晶体管不同，它不能放大任何信号。发射极的输入用于控制B1和B2之间的电流流动。它通过施加正脉冲触发导通，并通过施加负脉冲关闭。

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Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)

异质结双极晶体管(HBT)

顾名思义，HBT是一种基底和发射极由不同的半导体材料构成异质结的BJT。异质结的优点是具有较低的基极电阻和处理很高的频率。

审核编辑：黄飞