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，這里空穴為多數摻雜物質，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數載流子”。
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，因此現在使用的大多數雙極性晶體管為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，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函數來描述電壓、電流關系，在一定范圍內，函數關系為近似線性，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。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管是應用一種多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而三極管是既有多數載流子，也應用少數載流子導電。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地把很多MOS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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