二极管、三极管、mos管相关原理

1.1 二极管

1.1.1 非本征半导体

有掺杂，不纯净的

1.1.1.1 非本征N型半导体

主要研究Si硅元素，硅元素有四个电子，是比较稳定的，不易失电子，也不易得电子。向其中掺杂15族元素，15族元素外围5个电子，其中4个与硅外围电子形成共价键，还有一个电子多出来了，也就是多子，故加15族元素的为N型半导体，negtive。

1.1.1.2 非本征P型半导体

同理，加入13族元素，形成3对共价键，就会有空穴。空穴为多子。positive

1.1.2 PN结

有了非本征半导体，才有PN结。一边放P型半导体，一边放N型半导体，中间就会形成PN结。
首先要理解两个概念，扩散和漂移。刚刚说到了，两个半导体中，多子是不一样的，电子和空穴的浓度不一样，这些都是带电粒子，会从高浓度向低浓度扩散。

N型中的电子向P型扩散，电子到中间与空穴复合，原子失电和得电，形成离子，离子不导电。故中间形成了电场，电场会阻碍电子和空穴移动，在中间又会形成耗尽区，这个区域又会存在漂移，也就是电子在电场的作用下移动。那么此时，存在一个动态平衡，也就是漂移作用和扩散作用相等。这种状态就是二极管在不加电的状态。

1.1.2.1 加正向电压

以硅管举例，两边加正压，如果这个正压小于其内电场的强度，不能给粒子提供足够的能量，它还是会被中间的PN结给拦住。这就是二极管有一个导通电压的原理。载流子不管是电子还是空穴，只要克服了内电场，进入到耗尽区，到后面的流动都是对他是一个吸引作用。这其实是一个减少耗尽区的一个过程，只要阈值电压达到了，耗尽区就没有了。

1.1.2.2 加反向电压

增加耗尽区的厚度，多子会被内电场拦住，内电场会越来越大、PN结的扩散电流为0。因为电子和空穴直接被复合，不会出现浓度增长的情况。只存在漂移电流。也就是漏电流。

1.1.2.3 反偏电压加大，漏电流不变

正偏由多子导电，反偏少子导电。反偏也就是在P型处加的负电压，P型少子是电子，加电压只会加内电场强度，能使得冲过屏障的电子能更快的通过，但是少子的性质不变。少子个数是由温度和光照决定，不由电压决定。

1.1.2.3 电流传导

P型空穴多，加正电压，空穴过去了，与右边电子复合。右边极板通过导线从电源负极又获得一个电子。就等效于电子从负极流向了P型半导体。也类似于P型从电源得到一个空穴=电源得到一个电子。电子从电源-流向电源+。电流形成。

1.1.3 击穿

1.1.3.1 雪崩击穿

电子能量太大，直接把共价键撞破裂，一个电子一个共价键，现在变成2个电子和一个空穴。反向时，少子数量变多，漏电流变大，电子直接相互碰撞也要产生热，然后烧坏二极管。

1.1.3.2 齐纳击穿

齐纳二极管，稳压二极管。高掺杂，故反向接时，耗尽区窄，发生撞击电离的概率小。且电场很强，可以直接把电子从共价键中拉出来，直接形成反向电流，这是电场的作用，不是碰撞，发热小。

1.1.4 作用

1.1.4.1 防反接

正向导通，用肖特基二极管较多，压降比较低

1.1.4.2 整流

也是正向导通特性

1.1.4.3 稳压

一种是通过正向压降来控制稳压，一种是用稳压二极管做稳压，上文有提到

1.1.4.4 钳位

双向钳位

可假设，如果USC为6,7V是矛盾的，故只可能是2.7V。D1截止

1.1.4.5 发光二极管

一般发光二极管正向压降为2-2.几V，用一个电阻限流，调整亮度

1.1.4.5 瞬态电压抑制二极管(TVS)

用来保护电路，当超过多少V通过，电流卸到地，其余时间为高阻态。类似于断路。

1.1.4.6 肖特基二极管

金属和半导体，正向压降低，反向恢复速度快

1.1.5 选型

按原理选、按参数选频率选等

IF 正向直流电流
VF 正向电压
VR 反向电压
IR 反向电流
IFSM Non-Repetitive Peak Forward Surge Current 浪涌电流
Cj Typical Junction Capactiance 结电容
PD Power Dissipation 耗散功率
结电容 CT
反向恢复时间 TRR
用于确定工作频率，哪个影响大考虑哪个

1.1.6 二极管串联

略。纸质

1.2 三极管

1.2.1 原理

首先了解mos管和三极管的区别。最大的区别一个是单极性，一个是双极性，所以一个是多子少子都参与，一个是多子参与。
三极管分NPN和PNP，mos分耗尽和增强，N沟道和P沟道。N沟增强最多。
三极管核心结构：两个背对背的PN结

如图，发射区emmit，e极高掺杂。基区 base b极很薄因为高掺杂，很薄也可以形成较大电场。集电结的面积大，因为集电极collect c极不是高掺杂。
原理：
当没有电压时，根据二极管原理分析，e区N型半导体，电子多，扩散到b区，然后形成电场，阻止扩散，且存在漂移，二者相等。同理c区也一样得原理形成pn结。此时不导通

此时be是一个PN结，如果给b加压，Vbe大于0.7 则这个pn结导通。加压后，e极有很多电子，冲过了pn结，进入到了b极，b极电子浓度大了。电子只要进入了b极，对于集电结及c极来说，是一种利于电子扩散的作用。就很容易通过，则这个三极管导通了。
在这个时候，集电极是少子导电，也就是电子导电。所以这个电流和ce两端的电压无关，他是受b极的电流控制，此时ce电压就是维持集电结反偏。很小的电流控制大电流，故三极管是电流控制型器件。此时工作于放大区，发射结正偏，集电结反偏。当基极的电流大到一定程度时，三极管失去放大作用，此时进入饱和区。标志是集电结正偏，发射结正偏。饱和时的Vce是比较小的，等同于通路。当然由于PN结的原理，也存在漏电流。
同理，可以得出PNP型的三极管原理。其符号：

可以看到，NPN和PNP有两个箭头，箭头主要指的是电流的方向。
注意，ce两极不能交替使用。npn型，be大于0.7V，基极才有电流留出，三极管导通。pnp型，eb大于0.7v，基极有电流流入，三极管才导通。
NPN与PNP原理基本一致，记住：发射结正偏，集电极反偏，放大；集电结正偏，发射结正偏，饱和。
高掺杂区为e区

1.2.2 使用

基极加电阻，限流，防止烧坏三极管
基极和发射极加电阻，让截止状态更加确定，不至于是悬空态。

1.2.2.1 开关

三极管工作在开关状态时，一定是在饱和和截至区之间转换，不会在放大区。
mos管也用于开关，且比三极管更常用。mos管成本高，损耗小。三极管用于电压比较低，且能从信号源取电流，控制成本。

1.2.2.2 放大

电流放大。实际应用是要加偏置电流，不然小信号不能放大，如小于0.7V的。有共基，共射，共集放大。

1.2.2.3 电平转换（开关）

单颗三极管组合的要反向。两颗组成的是正向逻辑。见纸质。

1.2.2.4 除草电路

分析要点：三极管并不是工作在饱和区，其两端电压需要计算才能得知。

1.2.3 选型

最大参数：
反偏电压：集电极-基极集电极-发射极发射极-基极
集电极最大电流耗散功率

典型参数：反向电压漏电流放大系数饱和电压频率？

1.3 mos管

只讨论场效应管

1.3.1 基本结构

栅极源极漏极分别对应基极发射极集电极
以Nmos增强型为例

源极高掺杂N型半导体漏极高掺杂N型半导体栅极二氧化硅引出衬底低掺杂的P型半导体
有些会将衬底和源极连在一起，连起来了源漏极不能互换了。没连就可以互换

1.3.2 原理

静态：两个N型半导体和P型半导体形成PN结，无论给源极漏极加正压还是负压，总会有个PN结反偏，此时源极漏极不能导通
NMOS增强：给G极S极加正电压，二氧化硅上表面不导电，但是有很多电子聚集，下表面很多空穴聚集。下表面的外面就会聚集很多电子，形成电子沟道。也叫反型层，电子沟道导电，源极漏极导通。
PMOS增强：源极和漏极都是P型半导体，衬底是N型半导体。给源极栅极加正向电压，也就是，源极电压大于栅极电压，形成空穴沟道。源极和漏极才能导通

NMOS耗尽：S D 为N型半导体，衬底为P型半导体。二氧化硅绝缘层加入正离子，本来就是正离子，不给栅极加电压，一样吸引电子形成电子沟道导电。给S G 极加负压，即Vgs<0时。则会关断
PMOS耗尽：S D 为P型半导体，衬底为N型半导体。二氧化硅绝缘层加入负离子，本来就是负离子，不给栅极加电压，一样吸引电子形成空穴沟道导电。给S G 极加负压，即Vgs>0时。则会关断

1.3.3 寄生二极管

寄生二极管是实际存在的，其方向和符号箭头方向一样，符号箭头表示电子运动的方向，跟三极管不同，三极管的是电流的流向。这是场效应管自己带的体二极管，有些厂家还会自己再加一个二极管，这个就是区分他源极漏极的二极管，加了就不能互换源漏。
寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接会截止。所以对于NMOS，当S极接正，D极接负，寄生二极管会导通，反之，截止；对于PMOS管，当D极接正，S极接负，寄生二极管导通，反之，截止。
当满足MOS管的导通条件时，MOS管D极和S极会导通，因为MOS管的导通内阻极小，一般mΩ级别，1A级别的电流，也才mV级别，所以D极和S极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。

1.3.3 寄生电容

给栅极充放电的过程，就是给电容充放电的过程。

米勒电容Cgd，造成开启延时，导致损耗严重。高速开关必须要考虑这个。

1.3.4 应用

1.3.4.1 电平转换

1.3.4.2 逻辑转换

1.3.4.3 开关

1.3.4.4 门电路

1.3.4.5 存储

1.3.5 选型

基本与三极管一致

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