三极管和MOS管的工作原理
在前面我们讲了，半导体器件主要可以分为二极管类和三极管类。 本文主要讲解三极管类器件的原理，以及它们在工程学上的基本应用。 毫无疑问，二极管和三极管类器件的出现，拉开了逻辑电路的序幕。 那么，三极管类器件和逻辑电路由有什么关系呢？ 在探讨这个话题之前，我们有必要先学习下三极管类器件的基本原理的学习。
三极管和mos管的工作原理
前面的知识，我们可以简单总结为2部分：
1.电子存在于万物之中，自然状态下，物体是否导电，取决于它内部自由电子的多少。 自由电子多，导电性能良好的物体称为导体。 自由电子少，导电性能差的物体，称为绝缘体。 导电性能既可以好，又可以不好的物体，称为半导体。 注意：导体和绝缘体的定义永远都是相对的。 物体a通流1ma，物体b通流1ua。 我们可以定义物体a为导体，物体b为绝缘体。 同样地，物体a通流1ma，物体b可通流1a。 则物体b为导体，物体a为绝缘体。
2.半导体器件是否导电，取决于其内部载流子的多少，而半导体器件内部载流子有2类，分别为电子（自由电子）和空穴（离子）。 自由电子的运动方向与电场方向相反，空穴的运动方向与电场方向相同。 电子数量远多于空穴数量的半导体，因电子带负电，称为n型半导体（negative）。 空穴数量远多于电子数量的半导体，因空穴带正电，称为p型半导体（positive）。
npn三极管的工作原理
对于npn管，它是由2块n型半导体中间夹着一块p型半导体所组成（掺杂工艺一体成型，并非拼接），发射区与基区之间形成的pn结称为发射结,而集电区与基区形成的pn结称为集电结,三条引线分别称为发射极e （emitter）、基极b (base)和集电极c (collector)。 如下图所示：
在制作时，c区掺杂低浓度自由电子，b区掺杂中量的空穴，而且要做的很薄，e区掺杂高浓度的自由电子。 三极管导通的条件是b相对e极加正电压（发射结正偏）。 c极相对b极加正电压（集电结反偏）。 如下图所示：
a．接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）通过外部偏置电源e1和导线流入基区，而基区的多数载流子（空穴）通过外部电源和导线流入发射区。
b．由于发射区电子的的浓度远大于基区空穴的浓度，所以在基区和发射区，空穴和电子复合（带负电的电子和带正电的离子结合成不带电的分子，称为复合）后，还剩余很多自由电子，在基区集结了大量自由电子后，由于集电结反偏，只要基区内有靠近集电结的自由电子，都会被反向集电结的强电场作用，扫入到集区。
我们发现大量的发射区的电子经过外部电源e1和导线流入基区，由于发射结正向导通，形成电流回路，这股电子流称为发射极电流ie（emitter current）。
这些电子中的一少部分与基区的空穴复合消失，同时又不断产生，所以，等效复合掉又产生的电子，形成的电流回路，称为基极电流ib。
即使复合掉一部分，还剩余的大部分电子在基区，这些电子经过集电结的反偏电压，被集电结的电场力扫入到集区内，到达集电区，由于集电区本身自由电子浓度高，可以形成扩散电流，再经过e2和导线，形成电流回路。 这个电流称为集极电流ic。
从电子的形成过程，我们可以看出：
ie=ic+ib，且ic远大于ib。
此处一定要关注电流的定义：电流由电子移动时产生，且必须有回路。 正偏的发射结电压，使得大量的电子从发射区到达基区，但是只有少数电子从基区到达了发射区（经过扩散和重新产生）。 所以我们发现，到达基区的电子很多，但是发射结电流却很小。 剩余的大部分电子只有在集电结增加足够的反偏电压后，才能形成回路，重新到达发射区。
所以以上过程又可以等效描述为：产生很小的ib，伴随产生着很多的自由电子，这些电子只有在集电结增加反偏电压后，才能形成回路，产生真正的大电流ic。 所以我们称晶体管器件为电流控制型放大器件。
为了表征这一放大特征，我们定义两个直流放大倍数：β=ic/ib，α=ic/ie。 这两个值决定了晶体管的电流放大能力。
如上即为npn三极晶体管的工作原理。 pnp型三极管原理类似。
n型mos管的工作原理
nmos全称为n型金属-氧化物-半导体。 其结构如下：在一块掺杂浓度较低的p型硅衬底（提供大量可以动空穴）上，制作两个高掺杂浓度的n+区(n+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，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（通常是多晶硅），作为栅极g。 在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，也可以不连接，作为模拟开关使用)。
通过以上结构，我们发现，
nmos管在默认状态下，由于漏极和源极（n型）之间隔着p型半导体，会形成由p指向n的2圈pn结，阻止自由电子的流动，我们称为nmos管是截止状态。
在栅极相对s极（或者b极）增加正向电压后，此时n型半导体的源极和漏极的电子，由于电场作用，想流向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个n沟道之间的p型半导体中（见图b），使得p型半导体中产生了一部分n沟道，使源极和漏极之间导通了。 我们也可以想像为两个n型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。
所以以上过程又可以描述为：在g极相对s极（或b极）增加电压后，会使得原本隔离开的两个n型半导体之间形成一段n型沟道，大量的自由电子聚集在n型半导体区域后，通过在d极和s极增加电压，就可以使得原本不导通的mos管导通。 所以我们称mos管器件为电压控制型放大器件。
我们定义mos管沟道刚刚形成时的gs极（或者gb）电压为开启电压vgsth。 vgs越大，沟道越厚，d极与s极导电能力越强。
为了表征放大特征，常使用gs与电流的关系式表达mos管的放大能力。
其中，vgsth为mos管的开启电压，idss为vgs=2vgsth时，ids电流值。
如上即为nmos管的工作原理。
三极管常用的两种用途
电源电磁兼容领域成果发布
MEMS传感器在消费电子领域的应用
关于芯片那些大部分人不知道的知识
华为p10闪存门究竟怎么回事，对手机影响有多大
三极管和MOS管的工作原理
最新的嵌入式系统及系统级可编程产品
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电磁兼容（EMC）的基础知识
新型锌碘电池获新进展 将更安全更环保
什么是LTDF石墨烯？为什么它是复合材料的最佳选择？
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基于AT89C52单片机的液位检测系统
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OI53131A高精度通用计数器的功能特点及应用范围
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看了SOP四大要素才明白！
如何判断直线模组出现问题
复印机的复印速度
分享高效的电源适配器解决方案的介绍
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前面的知识，我们可以简单总结为2部分：
1.电子存在于万物之中，自然状态下，物体是否导电，取决于它内部自由电子的多少。 自由电子多，导电性能良好的物体称为导体。 自由电子少，导电性能差的物体，称为绝缘体。 导电性能既可以好，又可以不好的物体，称为半导体。 注意：导体和绝缘体的定义永远都是相对的。 物体a通流1ma，物体b通流1ua。 我们可以定义物体a为导体，物体b为绝缘体。 同样地，物体a通流1ma，物体b可通流1a。 则物体b为导体，物体a为绝缘体。
2.半导体器件是否导电，取决于其内部载流子的多少，而半导体器件内部载流子有2类，分别为电子（自由电子）和空穴（离子）。 自由电子的运动方向与电场方向相反，空穴的运动方向与电场方向相同。 电子数量远多于空穴数量的半导体，因电子带负电，称为n型半导体（negative）。 空穴数量远多于电子数量的半导体，因空穴带正电，称为p型半导体（positive）。
npn三极管的工作原理
对于npn管，它是由2块n型半导体中间夹着一块p型半导体所组成（掺杂工艺一体成型，并非拼接），发射区与基区之间形成的pn结称为发射结,而集电区与基区形成的pn结称为集电结,三条引线分别称为发射极e （emitter）、基极b (base)和集电极c (collector)。 如下图所示：
在制作时，c区掺杂低浓度自由电子，b区掺杂中量的空穴，而且要做的很薄，e区掺杂高浓度的自由电子。 三极管导通的条件是b相对e极加正电压（发射结正偏）。 c极相对b极加正电压（集电结反偏）。 如下图所示：
a．接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）通过外部偏置电源e1和导线流入基区，而基区的多数载流子（空穴）通过外部电源和导线流入发射区。
b．由于发射区电子的的浓度远大于基区空穴的浓度，所以在基区和发射区，空穴和电子复合（带负电的电子和带正电的离子结合成不带电的分子，称为复合）后，还剩余很多自由电子，在基区集结了大量自由电子后，由于集电结反偏，只要基区内有靠近集电结的自由电子，都会被反向集电结的强电场作用，扫入到集区。
我们发现大量的发射区的电子经过外部电源e1和导线流入基区，由于发射结正向导通，形成电流回路，这股电子流称为发射极电流ie（emitter current）。
这些电子中的一少部分与基区的空穴复合消失，同时又不断产生，所以，等效复合掉又产生的电子，形成的电流回路，称为基极电流ib。
即使复合掉一部分，还剩余的大部分电子在基区，这些电子经过集电结的反偏电压，被集电结的电场力扫入到集区内，到达集电区，由于集电区本身自由电子浓度高，可以形成扩散电流，再经过e2和导线，形成电流回路。 这个电流称为集极电流ic。
从电子的形成过程，我们可以看出：
ie=ic+ib，且ic远大于ib。
此处一定要关注电流的定义：电流由电子移动时产生，且必须有回路。 正偏的发射结电压，使得大量的电子从发射区到达基区，但是只有少数电子从基区到达了发射区（经过扩散和重新产生）。 所以我们发现，到达基区的电子很多，但是发射结电流却很小。 剩余的大部分电子只有在集电结增加足够的反偏电压后，才能形成回路，重新到达发射区。
所以以上过程又可以等效描述为：产生很小的ib，伴随产生着很多的自由电子，这些电子只有在集电结增加反偏电压后，才能形成回路，产生真正的大电流ic。 所以我们称晶体管器件为电流控制型放大器件。
为了表征这一放大特征，我们定义两个直流放大倍数：β=ic/ib，α=ic/ie。 这两个值决定了晶体管的电流放大能力。
如上即为npn三极晶体管的工作原理。 pnp型三极管原理类似。
n型mos管的工作原理
nmos全称为n型金属-氧化物-半导体。 其结构如下：在一块掺杂浓度较低的p型硅衬底（提供大量可以动空穴）上，制作两个高掺杂浓度的n+区(n+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，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（通常是多晶硅），作为栅极g。 在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，也可以不连接，作为模拟开关使用)。
通过以上结构，我们发现，
nmos管在默认状态下，由于漏极和源极（n型）之间隔着p型半导体，会形成由p指向n的2圈pn结，阻止自由电子的流动，我们称为nmos管是截止状态。
在栅极相对s极（或者b极）增加正向电压后，此时n型半导体的源极和漏极的电子，由于电场作用，想流向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个n沟道之间的p型半导体中（见图b），使得p型半导体中产生了一部分n沟道，使源极和漏极之间导通了。 我们也可以想像为两个n型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。
所以以上过程又可以描述为：在g极相对s极（或b极）增加电压后，会使得原本隔离开的两个n型半导体之间形成一段n型沟道，大量的自由电子聚集在n型半导体区域后，通过在d极和s极增加电压，就可以使得原本不导通的mos管导通。 所以我们称mos管器件为电压控制型放大器件。
我们定义mos管沟道刚刚形成时的gs极（或者gb）电压为开启电压vgsth。 vgs越大，沟道越厚，d极与s极导电能力越强。
为了表征放大特征，常使用gs与电流的关系式表达mos管的放大能力。
其中，vgsth为mos管的开启电压，idss为vgs=2vgsth时，ids电流值。
如上即为nmos管的工作原理。
三极管常用的两种用途
电源电磁兼容领域成果发布
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华为p10闪存门究竟怎么回事，对手机影响有多大
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多参数水质一体检测仪多参数水质在线监测
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