深入剖析晶体管原理-深入剖析针式打印机

锗、硅、硒、砷化镓及许多金属氧化物和金属硫化物等物体，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，叫做半导体。

半导体有一个特点，如果在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质，则其导电能力将会成百万倍地增加。其中P型半导体（P指Positive，带正电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指Negative，带负电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。空穴和自由电子都可以移动，称为载流子。

把一块半导体的一边区域制成P型区，另一边区域制成N型区，则在交界处附近形成一个具有特殊性能的薄层，一般称此薄层为PN结。在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡（见图4-1）。

在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。

图4-1 PN结的结构

PN结是构成二极管、双极型晶体管和场效应晶体管等半导体器件的核心，是现代电子技术的基础。

PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。

PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的PN结击穿有隧道击穿（齐纳击穿）和雪崩击穿两种，前者击穿电压小于0.6V，有负的温度系数；后者击穿电压大于0.6V，有正的温度系数。

根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管；利用击穿特性可以制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应可以制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应可以制作变容二极管。

利用半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。

1.双极型晶体管原理

利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大的电子功能可做成双极型晶体管，双极型晶体管由三个电极（三个半导体）区域和两个PN结组成（见图4-2和图4-3）。

图4-2 NPN型双极型晶体管结构

注：NPN型双极型晶体管由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，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、基极b和集电极c。

图4-3 PNP型双极型晶体管结构

注：PNP型双极型晶体管由2块P型半导体中间夹着一块N型半导体所组成，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、基极b和集电极c。

当晶体管的b极电位高于e极电位时，发射结处于正偏状态；而c极电位高于b极电位时，集电结处于反偏状态。

在制造晶体管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且要严格控制杂质含量，这样一旦接通电源后，发射区的多数载流子（电子）和基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向反方向扩散，但因为前者的浓度大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流。

由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流，只剩下很少（1%～10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源重新补给，从而形成了基极电流。

这就是说，在基极补充一个很小的电流，就可以在集电极上得到一个较大的电流，这就是所谓电流放大作用（见图4-4）。

集电极电流的变化量ΔI_c与基极电流的变化量ΔI_b之比为

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式中，β称为交流电流放大倍数。

图4-4 基极电流和集电极-发射极电压/集电极电流关系

2.场效应晶体管原理

利用两个PN结之间的相互作用还可以做成场效应晶体管（FET），场效应晶体管有两大类，即结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅型场效应晶体管（IGFET），每种类型的场效应晶体管按导电沟道又可分为N型沟道和P型沟道两大类。

绝缘栅型场效应晶体管与结型场效应晶体管的不同之处在于它们的导电机构不同。绝缘栅型场效应晶体管是利用感应电荷的多少来改变导电沟道的性质；而结型场效应晶体管则是利用导电沟道之间的耗尽区的大小来控制漏极电流的。

绝缘栅型场效应晶体管可分为增强型场效应晶体管和耗尽型场效应晶体管，而结型场效应晶体管均为耗尽型场效应晶体管（见图4-5和图4-6）。

图4-5 绝缘栅型MOS场效应晶体管结构

S—源极 D—漏极 G—栅极 B—衬底

注：1.增强型NMOS管为在P型衬底扩散上2个N+区（高浓度），P型表面加SiO₂绝缘层，在N+区加铝膜引出电极。

2.增强型PMOS管为在N型衬底上扩散上2个P+区（高浓度），P型表面加SiO₂绝缘层，在二个P+区加铝膜引出电极。

3.PMOS与NMOS管的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。

图4-6 结型场效应晶体管结构

S—源极 D—漏极 G—栅极

注：1.N沟道结型场效应晶体管为在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区，就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极（栅极），在N型半导体的两端各引出一个电极，分别为源极和漏极。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。

2.如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道结型场效应晶体管，工作原理和N沟道结型场效应晶体管一样。

场效应晶体管是一种单极型晶体管，在零偏压的状态下，它是导通的。如果在其栅极（G）和源极（S）之间加上一个反向偏压（或称栅极偏压），在反向电场作用下PN结变厚（此处的PN结也称耗尽区），导电沟道变窄，其漏极电流将变小，反向偏压达到一定时，耗尽区将完全“夹断”导电沟道，此时场效应晶体管进入截止状态。

在制造场效应晶体管时，如果在栅极材料加入之前，在沟道上先加上一层很薄的绝缘层，则将会大大地减小栅极电流，也大大地增加其输入阻抗，而且由于这一绝缘层的存在，场效应晶体管可工作在正的偏置状态，称这种场效应晶体管为绝缘栅型场效应晶体管，即在应用上广泛称呼的MOS场效应晶体管。

以P沟道绝缘栅型场效应晶体管为例说明其工作原理和特性。源极和衬底接地，源漏极间接一个电压V_DS，漏极为负；源极和栅极之间接可调的直流电压V_GS，栅极为负。开始时V_GS=0，这时漏源极间没有电流通过，即I_DS≈0，这是因为P+型漏区和N型衬底之间的PN结处于反偏的缘故。当V_GS增加（绝对值增加，以下均指绝对值）到某一个电压V_T时，源漏极间开始有电流通过。V_GS再增加，I_DS也增加。这是因为栅极上加负电位，衬底加正电位，栅极氧化层下面一薄层硅内的电子被排斥走，而空穴被吸引到这里来，使这一薄层硅由N型“反型”成为P型硅，把源漏极两个P+区连接起来；这样，源漏电阻大大减小了，所以源漏极之间有电流I_DS通过。硅氧化层下面的反型层叫做沟道，反型成为P型的称为P型沟道；反型成为N型的则称为N型沟道。

P沟道场效应晶体管与N沟道场效应晶体管又各分为耗尽型和增强型两种，当V_GS=0时源漏极之间就存在导电沟道的，称为耗尽型场效应晶体管；如果必须在V_GS＞0的情况下才存在导电沟道的，则称为增强型场效应晶体管。

当栅压V_GS为零时，源漏电流I_DS亦为零，当栅压的绝对值增加到大于开启电压V_T时，两个P+区间有沟道形成，管子开始导通。V_GS越大，沟道越厚，在一定的源漏电压V_DS的情况下，I_DS就越大。当栅压V_GS继续增加时，I_DS也随着增加。

场效应晶体管的源极、栅极、漏极及其功能可以与双极型晶体管的发射极、基极、集电极相对应，场效应晶体管相关的电路可进行类比，所以在这里所有的电路介绍以双极型晶体管为主，不详细介绍场效应晶体管的电路。