二极管、三极管与场效应管基础学习
二极管、三极管与场效应管基础学习
二极管、三极管与场效应管是电子工程中最基本的三种半导体器件，它们分别具有单向导电性、电流放大能力和电压控制特性。本文将详细介绍这三种器件的基本结构、工作原理和典型应用，帮助读者更好地理解它们在电路中的作用。
一、二极管（单向导电）
1. 基本结构
二极管由半导体材料（硅/锗）制成，核心结构为PN结（P型半导体与N型半导体结合）。
- P型半导体：通过掺入硼（B）等元素，形成多数载流子为空穴的结构。
- N型半导体：通过掺入磷（P）等元素，形成多数载流子为电子的结构。
- PN结：当P与N结合时，界面处因载流子扩散形成耗尽层（无自由移动电荷的区域），阻碍电流通过。
2. 主要参数
略
3. 工作原理（单向导电性）
- 正向偏置（P接正极，N接负极）：外加电压削弱耗尽层，允许电流通过（导通状态，压降约0.3-0.7V）。
- 反向偏置（P接负极，N接正极）：耗尽层增宽，几乎无电流（截止状态），但电压过高时会反向击穿（雪崩击穿或齐纳击穿）。
观察伏安特性曲线的 X 负半轴能够发现，当反向电压超过反向击穿电压时，二极管的电流会突然急剧增大。倘若反向电流被限定在一定范围内，二极管在经历反向击穿后依然能够恢复正常，不会遭到损坏。在这种状态下，尽管电流变化幅度较大，然而稳压二极管两端的电压变化却十分微小，因此可以发挥稳压的作用 。
4. 分类与用途
略
二、三极管 包含于晶体管（放大电流的“信号放大器”）
1. 基本结构
三极管（双极型晶体管，BJT）由两个PN结构成，分为NPN型和PNP型，包含三个电极：
- 发射极(E) ：发射载流子（NPN发射电子，PNP发射空穴）。
- 基极(B) ：控制载流子流动（极薄，宽度仅微米级）。
- 集电极(C) ：收集载流子。
2. 工作原理
例子：NPN型品体管的载流子运动规律和内部电流分配如图3-14和图3-15所示，各极电流之间满足基尔霍夫电流定律。
3. 输入输出特性曲线
略
4. 典型应用
三极管在电路中的作用是将微弱的信号放大为负值比较大的信号，同时也可以作为一种电子开关。
- 放大电路：将微弱信号放大（如音频放大器、传感器信号处理）。
- 开关电路：利用饱和/截止状态实现逻辑控制（如继电器驱动、数字电路）
三、场效应管：电压控制的“高效开关”
1. 介绍
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。它是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
2. 基本结构
（1）核心电极
- 源极（Source, S） ：载流子的发射端，类比于三极管的发射极。
- 漏极（Drain, D） ：载流子的接收端，类比于三极管的集电极。
- 栅极（Gate, G） ：通过电场控制导电沟道的开闭，类似真空管的控制栅
（2）导电沟道
在半导体基片（如N型或P型硅）上形成的载流子通路，其宽度由栅极电压调节。例如，N沟道JFET的导电沟道是N型半导体，P沟道则反之 。
3. 场效应管主要有两种类型：
（1）结型场效应管（junction FET—JFET)
例子：N沟道JFET
当栅极接0V电压，JFET为导通；
当栅极接-5V电压时，为截至状态。
（2）金属 - 氧化物半导体场效应管（metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET）
以N沟道MOS管为例：我们来看N沟道增强型MOS管的制作工艺，它以一块掺杂P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N区，并引出两个电极分别为：源极（S）、漏极（D）。半导体上制作一层二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上制作一层金属铝，引出电极栅极（G）。而衬底引出一极叫衬极，即b极。通常b极和S极连接在一起。左边为nmos管电学符号（箭头表示电子移动方向）
工作原理：b极和G极可以看成是一个极板，而中间二氧化硅是绝缘层，故形成电容。如图，通电时向右的电场吸引电子向二氧化硅层移动，沟道连接。当gb电压发变化时，将会改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。