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双极性晶体管和mos区别对比与知识简述

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-05-29 浏览:-

壹芯微作为国内专业生产二三极管的生产厂家,生产技术已经是非常的成熟,进口的测试仪器,可以很好的帮组到客户朋友稳定好品质,也有专业的工程师在把控稳定质量,协助客户朋友解决一直客户自身解决不了的问题,每天会分享一些知识或者客户的一些问题,今天我们分享的是,双极性晶体管和mos区别对比与知识简述,请看下方

双极性晶体管和mos区别到底在哪里呢?本文将双极性晶体管和mos的基本工作原理、结构等基本知识概述的很清楚。双极性晶体管(英语:bipolar transistor),全称双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT),俗称三极管,是一种具有三个终端的电子器件,由三部分掺杂程度不同的半导体制成,晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。

这种晶体管的工作,同时涉及电子和空穴两种载流子的流动,因此它被称为双极性的,所以也称双极性载流子晶体管。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同,后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。

双极性晶体管能够放大信号,并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力,所以它常被用来构成放大器电路,或驱动扬声器、电动机等设备,并被广泛地应用于航空航天工程、医疗器械和机器人等应用产品中。

双极性晶体管基本原理

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下,基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状态,而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状态。在没有外加电压时,发射结N区的电子(这一区域的多数载流子)浓度大于P区的电子浓度,部分电子将扩散到P区。同理,P区的部分空穴也将扩散到N区。这样,发射结上将形成一个空间电荷区(也成为耗尽层),产生一个内在的电场,其方向由N区指向P区,这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生,从而达成动态平衡。这时,如果把一个正向电压施加在发射结上,上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破,这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里,基区为P型掺杂,这里空穴为多数掺杂物质,因此在这区域电子被称为“少数载流子”。

从发射极被注入到基极区域的电子,一方面与这里的多数载流子空穴发生复合,另一方面,由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄,并且集电结处于反向偏置状态,大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域,形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合,晶体管的基极区域必须制造得足够薄,以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命,同时,基极的厚度必须远小于电子的扩散长度(diffusion length,参见菲克定律)。在现代的双极性晶体管中,基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是,集电极、发射极虽然都是N型掺杂,但是二者掺杂程度、物理属性并不相同,因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。

双极性晶体管结构

一个双极性晶体管由三个不同的掺杂半导体区域组成,它们分别是发射极区域、基极区域和集电极区域。这些区域在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体,而在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出,通常用字母E、B和C来表示发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。

基极的物理位置在发射极和集电极之间,它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域,由于集电结反向偏置,电子很难从这里被注入到基极区域,这样就造成共基极电流增益约等于1,而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性晶体管的截面简图可以看出,集电结的面积大于发射结。此外,发射极具有相当高的掺杂浓度。

双极性晶体管和mos区别

NPN型

NPN型晶体管是两种类型双极性晶体管的其中一种,由两层N型掺杂区域和介于二者之间的一层P型掺杂半导体(基极)组成。输入到基极的微小电流将被放大,产生较大的集电极-发射极电流。当NPN型晶体管基极电压高于发射极电压,并且集电极电压高于基极电压,则晶体管处于正向放大状态。在这一状态中,晶体管集电极和发射极之间存在电流。被放大的电流,是发射极注入到基极区域的电子(在基极区域为少数载流子),在电场的推动下漂移到集电极的结果。由于电子迁移率比空穴迁移率更高,因此现在使用的大多数双极性晶体管为NPN型。

PNP型

双极性晶体管的另一种类型为PNP型,由两层P型掺杂区域和介于二者之间的一层N型掺杂半导体组成。流经基极的微小电流可以在发射极端得到放大。也就是说,当PNP型晶体管的基极电压低于发射极时,集电极电压低于基极,晶体管处于正向放大区。

在双极性晶体管电学符号中,基极和发射极之间的箭头指向电流的方向,这里的电流为电子流动的反方向。与NPN型相反,PNP型晶体管的箭头从发射极指向基极。

异质结双极性晶体管(heterojunction bipolar transistor)是一种改良的双极性晶体管,它具有高速工作的能力。研究发现,这种晶体管可以处理频率高达几百GHz的超高频信号,因此它适用于射频功率放大、激光驱动等对工作速度要求苛刻的应用。

双极性晶体管和mos区别

异质结是PN结的一种,这种结的两端由不同的半导体材料制成。在这种双极性晶体管中,发射结通常采用异质结结构,即发射极区域采用宽禁带材料,基极区域采用窄禁带材料。常见的异质结用砷化镓(GaAs)制造基极区域,用铝-镓-砷固溶体(AlxGa1-xAs)制造发射极区域。采用这样的异质结,双极性晶体管的注入效率可以得到提升,电流增益也可以提高几个数量级。

采用异质结的双极性晶体管基极区域的掺杂浓度可以大幅提升,这样就可以降低基极电极的电阻,并有利于降低基极区域的宽度。在传统的双极性晶体管,即同质结晶体管中,发射极到基极的载流子注入效率主要是由发射极和基极的掺杂比例决定的。在这种情况下,为了得到较高的注入效率,必须对基极区域进行轻掺杂,这样就不可避免地使增大了基极电阻。

如左边的示意图中,代表空穴从基极区域到达发射极区域跨越的势差;而则代表电子从发射极区域到达基极区域跨越的势差。由于发射结具有异质结的结构,可以使,从而提高了发射极的注入效率。在基极区域里,半导体材料的组分分布不均,造成缓变的基极区域禁带宽度,其梯度为以表示。这一缓变禁带宽度,可以为少数载流子提供一个内在电场,使它们加速通过基极区域。这个漂移运动将与扩散运动产生协同作用,减少电子通过基极区域的渡越时间,从而改善双极性晶体管的高频性能。

尽管有许多不同的半导体可用来构成异质结晶体管,硅-锗异质结晶体管和铝-砷化镓异质结晶体管更常用。制造异质结晶体管的工艺为晶体外延技术,例如金属有机物气相外延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和分子束外延。

双极性晶体管和mos区别

双极性晶体管应用详情

集电极-发射极电流可以视为受基极-发射极电流的控制,这相当于将双极性晶体管视为一种“电流控制”的器件。还可以将它看作是受发射结电压的控制,即将它看做一种“电压控制”的器件。事实上,这两种思考方式可以通过基极-发射极结上的电流电压关系相互关联起来,而这种关系可以用PN结的电流-电压曲线表示。

人们曾经建立过多种数学模型,用来描述双极性晶体管的具体工作原理。例如,古梅尔–潘模型(Gummel–Poon Model)提出,可以利用电荷分布来精确地解释晶体管的行为。上述有关电荷控制的观点可以处理有关光电二极管的问题,这种二极管基极区域的少数载流子是通过吸收光子(即上一段提到的光注入)产生的。电荷控制模型还能处理有关关断、恢复时间等动态问题,这些问题都与基极区域电子和空穴的复合密切相关。然而,由于基极电荷并不能轻松地在基极引脚处观察,因此,在实际的电路设计、分析中,电流、电压控制的观点应用更为普遍。

在模拟电路设计中,有时会采用电流控制的观点,这是因为在一定范围内,双极性晶体管具有近似线性的特征。在这个范围(下文将提到,这个范围叫做“放大区”)内,集电极电流近似等于基极电流的倍,这对人们分析问题、控制电路功能有极大的便利。在设计有的基本电路时,人们假定发射极-基极电压为近似恒定值(如),这时集电极电流近似等于基极电流的若干倍,晶体管起电流放大作用。

然而,在真实的情况中,双极性晶体管是一种较为复杂的非线性器件,如果偏置电压分配不当,将使其输出信号失真。此外,即使工作在特定范围,其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。为了设计出精确、可靠的双极性晶体管电路,必须采用电压控制的观点(例如后文将讲述的艾伯斯-莫尔模型)。电压控制模型引入了一个指数函数来描述电压、电流关系,在一定范围内,函数关系为近似线性,可以将晶体管视为一个电导元件。这样,诸如差动放大器等电路的设计就简化为了线性问题,所以近似的电压控制观点也常被选用。对于跨导线性(translinear)电路,研究其电流-电压曲线对于分析器件工作十分关键,因此通常将它视为一个跨导与集电极电流成比例的电压控制模型。

晶体管级别的电路设计主要使用SPICE或其他类似的模拟电路仿真器进行,因此对于设计者来说,模型的复杂程度并不会带来太大的问题。但在以人工分析模拟电路的问题时,并不总能像处理经典的电路分析那样采取精确计算的方法,因而采用近似的方法是十分必要的。

mos概述

mos管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)、半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

mos场效应管的基本结构和工作原理详解

双极性晶体管和mos区别

N沟道MOS管结构示意图和符号

MOS场效应三极管分为:增强型(又有N沟道、P沟道之分)及耗尽型(分有N沟道、P沟道)。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见上图。其中:电极 D(Drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极;

电极 G(Gate) 称为栅极,相当于的基极;

电极 S(Source)称为源极,相当于发射极。

N沟道增强型MOS场效应管结构

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,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,作为栅极g。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)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反,如图(c)所示。

双极性晶体管和mos区别

MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求。1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

双极性晶体管和mos区别详解

首先,所谓的双极性晶体管就是三极管,是一种具有三个终端的电子器件,由三部分掺杂程度不同的半导体制成,晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。

在电路设计当中假设我们想要对电流中止控制,那就少不了三极管的帮助。我们俗称的三极管其全称为半导体三极管,它的主要作用就是将微小的信号中止放大。MOS管与三极管有着许多相近的地方,这就使得一些新手不断无法明白两者之间的区别,本篇文章就

将为大家引见三极管和MOS管的一些不同。

关于三极管和MOS管的区别,我们简单总结了几句话便当大家理解。

从性质上来说:三极管用电流控制,MOS管属于电压控制。

从本钱上来说:三极管低价,MOS管贵。

关于功耗问题:三极管损耗大。

驱动能力上的的不同:MOS管常用于电源开关以及大电流地方开关电路。

理论上,就是三极管操作便当且价钱低廉,经常用于数字电路的开关控制当中。而MOS管用于高频高速电路,大电流场所,以及对基极或漏极控制电流比较敏感的中央。所以普通来说低本钱场所,普通应用的先思索用三极管,不行的话建议用MOS管。

双极性晶体管和mos区别

理论上说电流控制慢,电压控制快这种理解是不对的。要真正理解得了解双极晶体管和mos晶体管的工作方式才干明白。三极管是靠载流子的运动来工作的,以npn管射极跟随器为例,当基极加不加电压时,基区和发射区组成的pn结为阻止多子(基区为空穴,发射区为电子)的扩散运动,在此pn结处会感应出由发射区指向基区的静电场(即内建电场),当基极外加正电压的指向为基区指向发射区,当基极外加电压产生的电场大于内建电场时,基区的载流子(电子)才有可能从基区流向发射区,此电压的最小值即pn结的正导游通电压(工程上普通以为0.7v)。

但此时每个pn结的两侧都会有电荷存在,此时假设集电极-发射极加正电压,在电场作用下,发射区的电子往基区运动(理论上都是电子的反方向运动),由于基区宽度很小,电子很容易越过基区抵达集电区,并与此处的PN的空穴复合(靠近集电极),为维持平衡,在正电场的作用下集电区的电子加速外集电极运动,而空穴则为pn结处运动,此过程类似一个雪崩过程。

集电极的电子经过电源回到发射极,这就是晶体管的工作原理。三极管工作时,两个pn结都会感应出电荷,当开关管处于导通状态时,三极管处于饱和状态,假设这时三极管截至,pn结感应的电荷要恢复到平衡状态,这个过程需求时间。而MOS与三极管工作方式不同,没有这个恢复时间,因此可以用作高速开关管。

下面针对一些电路设计当中会呈现的情况,列出了几种MOS管和三级管的选择规律:

(1)MOS管是电压控制元件,而三级管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用MOS管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用三极管。

(2)电力电子技术中提及的单极器件是指只靠一种载流子导电的器件,双极器件是指靠两种载流子导电的器件。MOS管是应用一种多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而三极管是既有多数载流子,也应用少数载流子导电。被称之为双极型器件。

(3)有些MOS管的源极和漏极可以互换运用,栅压也可正可负,灵活性比三极管好。

(4)MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很便当地把很多MOS管集成在一块硅片上,因此MOS管在大范围集成电路中得到了普遍的应用。

(5)MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等优点,因而也被普遍应用于各种电子设备中。特别用MOS管做整个电子设备的输入级,可以获得普通三极管很难抵达的性能。

(6)MOS管分红结型和绝缘栅型两大类,其控制原理都是一样的。

本篇文章与众不同的是,并没有用过多的篇幅对MOS管和三极管在概念上的区别进行对比。而是从实践出发,用实际发生的情况和现象来对两者进行区分,比单纯概念性上的讲解更加容易理解并方便记忆。

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