雙極性晶體管和mos區(qū)別與比較-雙極性晶體管和mos知識概述-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-03
雙極性晶體管和mos區(qū)別到底在哪里呢？本文將雙極性晶體管和mos的基本工作原理、結構等基本知識概述的很清楚。雙極性晶體管（英語：bipolar transistor），全稱雙極性結型晶體管（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。
這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區(qū)域之間的邊界由PN結形成。
雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來構成放大器電路，或驅動揚聲器、電動機等設備，并被廣泛地應用于航空航天工程、醫(yī)療器械和機器人等應用產品中。
NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結（稱這個PN結為“發(fā)射結”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時，發(fā)射結N區(qū)的電子（這一區(qū)域的多數(shù)載流子）濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結上將形成一個空間電荷區(qū)（也成為耗盡層），產生一個內在的電場，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發(fā)生，從而達成動態(tài)平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發(fā)射結上，上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態(tài)平衡將被打破，這樣會使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。
從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復合，另一方面，由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區(qū)域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發(fā)生的復合，晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數(shù)載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中，基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來。
一個雙極性晶體管由三個不同的摻雜半導體區(qū)域組成，它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。這些區(qū)域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區(qū)域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。
基極的物理位置在發(fā)射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區(qū)域，由于集電結反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區(qū)域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數(shù)值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出，集電結的面積大于發(fā)射結。此外，發(fā)射極具有相當高的摻雜濃度。
NPN型
NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種，由兩層N型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層P型摻雜半導體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產生較大的集電極-發(fā)射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發(fā)射極電壓，并且集電極電壓高于基極電壓，則晶體管處于正向放大狀態(tài)。在這一狀態(tài)中，晶體管集電極和發(fā)射極之間存在電流。被放大的電流，是發(fā)射極注入到基極區(qū)域的電子（在基極區(qū)域為少數(shù)載流子），在電場的推動下漂移到集電極的結果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現(xiàn)在使用的大多數(shù)雙極性晶體管為NPN型。
PNP型
雙極性晶體管的另一種類型為PNP型，由兩層P型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經基極的微小電流可以在發(fā)射極端得到放大。也就是說，當PNP型晶體管的基極電壓低于發(fā)射極時，集電極電壓低于基極，晶體管處于正向放大區(qū)。
在雙極性晶體管電學符號中，基極和發(fā)射極之間的箭頭指向電流的方向，這里的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反，PNP型晶體管的箭頭從發(fā)射極指向基極。
異質結雙極性晶體管（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性晶體管，它具有高速工作的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這種晶體管可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻信號，因此它適用于射頻功率放大、激光驅動等對工作速度要求苛刻的應用。
異質結是PN結的一種，這種結的兩端由不同的半導體材料制成。在這種雙極性晶體管中，發(fā)射結通常采用異質結結構，即發(fā)射極區(qū)域采用寬禁帶材料，基極區(qū)域采用窄禁帶材料。常見的異質結用砷化鎵（GaAs）制造基極區(qū)域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）制造發(fā)射極區(qū)域。采用這樣的異質結，雙極性晶體管的注入效率可以得到提升，電流增益也可以提高幾個數(shù)量級。
采用異質結的雙極性晶體管基極區(qū)域的摻雜濃度可以大幅提升，這樣就可以降低基極電極的電阻，并有利于降低基極區(qū)域的寬度。在傳統(tǒng)的雙極性晶體管，即同質結晶體管中，發(fā)射極到基極的載流子注入效率主要是由發(fā)射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下，為了得到較高的注入效率，必須對基極區(qū)域進行輕摻雜，這樣就不可避免地使增大了基極電阻。
如左邊的示意圖中，代表空穴從基極區(qū)域到達發(fā)射極區(qū)域跨越的勢差；而則代表電子從發(fā)射極區(qū)域到達基極區(qū)域跨越的勢差。由于發(fā)射結具有異質結的結構，可以使，從而提高了發(fā)射極的注入效率。在基極區(qū)域里，半導體材料的組分分布不均，造成緩變的基極區(qū)域禁帶寬度，其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度，可以為少數(shù)載流子提供一個內在電場，使它們加速通過基極區(qū)域。這個漂移運動將與擴散運動產生協(xié)同作用，減少電子通過基極區(qū)域的渡越時間，從而改善雙極性晶體管的高頻性能。
盡管有許多不同的半導體可用來構成異質結晶體管，硅-鍺異質結晶體管和鋁-砷化鎵異質結晶體管更常用。制造異質結晶體管的工藝為晶體外延技術，例如金屬有機物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。
集電極-發(fā)射極電流可以視為受基極-發(fā)射極電流的控制，這相當于將雙極性晶體管視為一種“電流控制”的器件。還可以將它看作是受發(fā)射結電壓的控制，即將它看做一種“電壓控制”的器件。事實上，這兩種思考方式可以通過基極-發(fā)射極結上的電流電壓關系相互關聯(lián)起來，而這種關系可以用PN結的電流-電壓曲線表示。
人們曾經建立過多種數(shù)學模型，用來描述雙極性晶體管的具體工作原理。例如，古梅爾–潘模型（Gummel–Poon Model）提出，可以利用電荷分布來精確地解釋晶體管的行為。上述有關電荷控制的觀點可以處理有關光電二極管的問題，這種二極管基極區(qū)域的少數(shù)載流子是通過吸收光子（即上一段提到的光注入）產生的。電荷控制模型還能處理有關關斷、恢復時間等動態(tài)問題，這些問題都與基極區(qū)域電子和空穴的復合密切相關。然而，由于基極電荷并不能輕松地在基極引腳處觀察，因此，在實際的電路設計、分析中，電流、電壓控制的觀點應用更為普遍。
在模擬電路設計中，有時會采用電流控制的觀點，這是因為在一定范圍內，雙極性晶體管具有近似線性的特征。在這個范圍（下文將提到，這個范圍叫做“放大區(qū)”）內，集電極電流近似等于基極電流的倍，這對人們分析問題、控制電路功能有極大的便利。在設計有的基本電路時，人們假定發(fā)射極-基極電壓為近似恒定值（如），這時集電極電流近似等于基極電流的若干倍，晶體管起電流放大作用。
然而，在真實的情況中，雙極性晶體管是一種較為復雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當，將使其輸出信號失真。此外，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內的因素影響。為了設計出精確、可靠的雙極性晶體管電路，必須采用電壓控制的觀點（例如后文將講述的艾伯斯-莫爾模型）。電壓控制模型引入了一個指數(shù)函數(shù)來描述電壓、電流關系，在一定范圍內，函數(shù)關系為近似線性，可以將晶體管視為一個電導元件。這樣，諸如差動放大器等電路的設計就簡化為了線性問題，所以近似的電壓控制觀點也常被選用。對于跨導線性（translinear）電路，研究其電流-電壓曲線對于分析器件工作十分關鍵，因此通常將它視為一個跨導與集電極電流成比例的電壓控制模型。
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，模型的復雜程度并不會帶來太大的問題。但在以人工分析模擬電路的問題時，并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(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
N溝道MOS管結構示意圖和符號
MOS場效應三極管分為：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱為柵極，相當于的基極；
電極 S（Source）稱為源極，相當于發(fā)射極。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極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(shù)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。
導通的意思是作為開關，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。
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，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?，F(xiàn)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?？s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(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。
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。
現(xiàn)在的MOS驅動，有幾個特別的需求。1，低壓應用當使用5V電源，這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結構，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候，我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。 同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
首先，所謂的雙極性晶體管就是三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。
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為半導體三極管，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(qū)別，本篇文章就
將為大家引見三極管和MOS管的一些不同。
關于三極管和MOS管的區(qū)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(shù)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。
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干明白。三極管是靠載流子的運動來工作的，以npn管射極跟隨器為例，當基極加不加電壓時，基區(qū)和發(fā)射區(qū)組成的pn結為阻止多子(基區(qū)為空穴，發(fā)射區(qū)為電子)的擴散運動，在此pn結處會感應出由發(fā)射區(qū)指向基區(qū)的靜電場(即內建電場)，當基極外加正電壓的指向為基區(qū)指向發(fā)射區(qū)，當基極外加電壓產生的電場大于內建電場時，基區(qū)的載流子(電子)才有可能從基區(qū)流向發(fā)射區(qū)，此電壓的最小值即pn結的正導游通電壓(工程上普通以為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(fā)射極加正電壓，在電場作用下，發(fā)射區(qū)的電子往基區(qū)運動(理論上都是電子的反方向運動)，由于基區(qū)寬度很小，電子很容易越過基區(qū)抵達集電區(qū)，并與此處的PN的空穴復合(靠近集電極)，為維持平衡，在正電場的作用下集電區(qū)的電子加速外集電極運動，而空穴則為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(fā)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(tài)時，三極管處于飽和狀態(tài)，假設這時三極管截至，pn結感應的電荷要恢復到平衡狀態(tài)，這個過程需求時間。而MOS與三極管工作方式不同，沒有這個恢復時間，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(xiàn)的情況，列出了幾種MOS管和三級管的選擇規(guī)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(shù)載流子導電，所以稱之為單極型器件，而三極管是既有多數(shù)載流子，也應用少數(shù)載流子導電。被稱之為雙極型器件。
(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?shù)匕押芏郙OS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范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(yōu)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。
本篇文章與眾不同的是，并沒有用過多的篇幅對MOS管和三極管在概念上的區(qū)別進行對比。而是從實踐出發(fā)，用實際發(fā)生的情況和現(xiàn)象來對兩者進行區(qū)分，比單純概念性上的講解更加容易理解并方便記憶。
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