放大器件基本原理通俗易懂版

2019年10月4日 FireSu 2311  0  0
为什么三极管被称为电流放大型器件?为什么MOS管被称为电压放大型器件?放大器件基本原理通俗易懂版。

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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2N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IEEmitter 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/IBα=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。

NMOS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+(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N2PN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: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VgsthVgs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,VgsthMOS管的开启电压,IDSS​Vgs=2Vgsth时,IDS电流值。

如上即为NMOS管的工作原理。

 

 

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