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双极连接和场效应晶体管(BJT和FET)

6月07日,2020年经过罗伯特·凯
此视频教程推出了两个组件,它一般有力地影响了电气工程和人类生命领域。
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“晶体管”一词是指可以执行切换和放大的半导体器件。您可能会从上一个教程中召回,可以称为交换机或放大器的电子设备被称为积极的组件。电子开关和放大并非始于1948年晶体管的发明;然而,这项发明开创了一个新时代,因为与有源元件相比,晶体管体积小、效率高、机械弹性好真空管- 在晶体管的增殖之前使用。

本视频教程将简要讨论两种最常见的晶体管的基本特性和功能。在本课程的后面,我们将学习更多关于晶体管如何工作以及电路设计者如何使用它们。

双极结型晶体管

在之前的教程中,我们学习了pn结的特殊特性。如果我们在pn结上再加一段半导体材料,我们就有了一个双极结晶体管(BJT)。如下图所示,我们可以添加一段n型半导体形成一个npn晶体管,也可以添加一段p型半导体形成一个pnp晶体管。

n型和p型半导体的三层组合产生了一个允许小电流流过的三端器件根据终端调节较大的电流流动发射器集电极终端。在NPN晶体管中,控制电流从基部流到发射器,并且调节电流从收集器流到发射器。在PNP晶体管中,控制电流从发射器流到基座,并且调节电流从发射器流到收集器。这些电流模式由下图中的箭头传送。

场效应晶体管

顾名思义,场效应晶体管(FET)使用电场来调节电流。因此,我们可以把BJT和FET看作是半导体放大和开关主题上的两个基本变化:BJT允许一个小的当前的为了调节大电流,允许FET允许小型电压规范大电流。

场效应晶体管由两个掺杂的半导体区组成,这两个区由A渠道,并且以改变通道的电流承载特性的方式将电压施加到装置上。下图使您了解其工作原理。

如您所见,通道分隔的终端称为来源流走,而且是施加控制电压的终端。虽然该图有助于引入通用FET操作,但它实际上描绘了一个名为a的相对罕见的设备结场效应晶体管(JFET)。现在,绝大多数场效应晶体管都是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

MOSFET具有绝缘层,将栅极与通道隔开。因此,与BJT不同,MOSFET不需要稳态输入电流;通过通道的电流可以简单地通过施加电压来调节。下图传达了一个物理结构和基本操作N沟道MOSFET,也称为一个NMOS晶体管。NMOS晶体管中的多数载流子是电子;具有多数载波的孔的p型版本被称为ap沟道MOSFETPMOS晶体管

两个重掺杂的n型区域被p型通道隔开。我们假设电源和衬底是接地的。如果栅极也接地,电流不能通过通道,因为施加在漏极上的电压导致反向偏置pn结。然而,施加在栅极上的正电压会排斥沟道中的空穴,从而产生一个耗尽区,并从源极和漏极部分吸引电子。如果电压足够高,当向漏极施加电压时,通道将有足够多的移动电子允许电流从漏极流向源极。

结论

因为它们允许小电流或电压调节电流流量,因此BJT和MOSFET可以用作电子开关和放大器。通过提供两个状态之间转换的输入信号来实现切换动作;其中一个输入状态导致全电流流,另一个导致零电流。通过偏置晶体管使得小的输入信号变化来实现放大器,使得小的输入信号变化会产生电流的相应较大幅度变化。

晶体管可以作为离散设备制造,但它们最常被遇到作为集成电路内的微小部件,而这些集成电路是我们将在下一章中学的研究。