1. PN結

1.1 P/N型半導體

N型半導體：摻入少量雜質磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較爲容易地成爲自由電子。於是，N型半導體就成爲了含自由電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因爲自由電子導電。
P型半導體：摻入少量雜質硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由於半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成爲帶負電的離子。這樣，這類半導體由於含有較高濃度的“空穴”（“相當於”正電荷），成爲能夠導電的物質。

	P型	N型
多子	空穴	電子
少子	電子	空穴

記憶：P（Postive）多正（空穴），N（negtive）多負（電子）

1.2 PN 結的形成

1.2.1 電子與空穴的運動

漂移運動：在外加電場的情況下，會作定向運動。這種運動成爲電子與空穴（統稱“載流子”）的“漂移運動”，併產生“漂移電流”。
擴散運動：由於某些外部條件而使半導體內部的載流子存在濃度梯度的時候，將產生擴散運動，即載流子由濃度高的位置向濃度低的位置運動

1.2.2 PN結形成原理

可以將上述的P型半導體和N型半導體緊密地結合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個PN結。

P型、N型半導體由於分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產生擴散運動。即：

自由電子由N型半導體向P型半導體的方向擴散
空穴由P型半導體向N型半導體的方向擴散

載流子經過擴散的過程後，擴散的自由電子和空穴相互結合，使得原有的N型半導體的自由電子濃度減少，同時原有P型半導體的空穴濃度也減少。
在兩種半導體中間位置形成一個由N型半導體指向P型半導體的電場，稱爲“內電場”（N爲正極的內電場）

1.3 PN結的性質

1.3.1 平衡狀態

PN結的n區的電子向p區擴散，留下了正電荷在n區。類似地，p型空穴從p區向n區擴散，留下了負電荷在p區。進入了p區的電子與空穴複合，進入了n區的空穴與電子複合。其效果是擴散到對方的多數載流子（自由電子與空穴）都耗盡了，結區只剩下不可移動的帶電離子，失去了電中性變爲帶電，形成了耗盡層（space charge region）（見圖A）。

圖A

耗盡區的電場擴散運動的方向相反

1.3.2 正向偏置

若施加在P區的電壓高於N區的電壓，稱爲正向偏置（forward bias）
外加電壓與內電壓的方向相反，可以理解成源源不斷的電子注入P極，不斷地壓縮着耗盡層，耗盡層變薄，內電場不足以組織PN結的擴散運動，因而降低了PN 結的電阻。

正向偏置下，跨PN結的電流強度取決於多數載流子的密度，這一密度隨正向偏置電壓的大小成指數增加。這使得二極管可以導通正向大電流

1.3.3 反向偏置

若施加在N區的電壓高於P區的電壓，這種狀態稱爲PN結反向偏置（reverse bias）。
由於p區連接電源負極，多數載流子(空穴)被外電場拉向負極，因而耗盡層變厚。n區也發生類似變化。並且隨反向偏置電壓的增加，耗盡層的厚度增加。
從而，多數載流子擴散過PN結的勢壘增大，PN結的電阻變大，宏觀看二極管成爲絕緣體。

1.3.4 反向崩潰

當反向電壓逐漸增大時，反向飽和電流不變。
但是當反向電壓達到一定值時，PN結將被擊穿。

1.3.5 伏安特性

2. 三極管

三極管，全稱半導體三極管，也叫作雙極型晶體管，晶體三極管。主要的作用有兩個：放大電流和作爲開關。
常見的三極管有PNP，NPN兩種。

2.1 符號：

B（base）：基極
C（colection）：集電極
E（emission）：發射集

左：NPN；右：PNP

（箭頭在be間，P->N）

2.2 三極管的各區域的摻雜濃度

區域	濃度	目的
發射區	濃度最高	可以提供更多的載流子來發射
基區	濃度很低，很薄	減少載流子與基區的符合機會
集電區	濃度在前兩者之間，體積很大	方便收集邊緣載流子

2.3 三極管的三種工作狀態

PN結的偏執方式決定了晶體管的導通與截止，晶體管有三種工作狀態：放大，截止，飽和。

晶體管用於模擬電路時工作在放大狀態
在數字電路中交替工作在飽和和截止狀態，起開關作用

2.3.1 放大狀態

條件：發射結正偏，集電結反偏
NPN：VE<VB,VC>VB
PNP: VE>VB,VC<VB
載流子運動過程：
發射區發射載流子形成Ie，少部分被基區複合形成Ib，大部分被集電極收集形成Ic
$I_{E} = I_{B} +I_{C}$
放大係數 $\beta =\frac{I_{C}}{I_{B}}$

2.3.2 飽和狀態

條件：發射結正偏，集電結正偏，實際上 $U_{CE}<U_{BE}$ 就飽和啦
特徵：
a. $I_{B}$ 增加時， $I_{C}$ 基本不變
b. $U_{CE}\approx0$
c. 晶體管相當於短路

2.3.3 截止狀態

發射結反偏，集電結反偏
特徵：
a. 基極電流 $I_{B}=0$
b. 集電極電流 $I_{C}=0$
c. $U_{CE}=U_{CC}$
d. 晶體管相當於開路

3. MOS管

MOS管，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Seminconductor Feild-Effect Transistor）。
根據溝槽的材料分成NMOS管，PMOS管；
根據 $V_{GS}=0$ 時電流爲不爲0分爲增強型和耗盡型。

3.1 MOS管的基本結構

以NMOS管爲例子講解一下MOS管的結構

在P型半導體襯底上，製作兩個高摻雜濃度的N型區，再在其上面覆蓋一層二氧化硅絕緣層。最後在N區上方用腐蝕的方法做成兩個孔,用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內做三個電極：分別是柵極（gate），源極（source）和漏極（drain）

與襯底連接的N極是源極，在源極還未與襯底連接時，源極和漏極是可以互換的。

3.2 MOS管的工作原理

截止狀態
在源極和漏極之間加上電壓 $v_{DS}$ ,而零柵極與源極的電壓 $V_{GS}=0$ ,由於漏極與源極之間相當於兩個PN 結背向串聯，所以D-S間不導通
溝道形成， $i_{D}$ 產生
當 $V_{GS}=0$ 大於某個電壓值 $V_{GS(th)}$ 時，由於柵極與襯底間的電場的吸引，使襯底中少數載流子——電子被吸引到襯底表面，在柵極附近形成一個N極薄層，與兩個N極連通，形成了到店購島，於是D-S間就有電流導通。

在這個時候， $U_{DS}$ 保持不變， $U_{GS}$ 增加會導致溝道變厚, $i_{D}$ 增加

備註：因爲D與S的電勢不同，導致導電溝道的寬度不同；因爲時間精力的原因，暫時不對預夾斷做了解

3.3 MOS管的開關特性

增強型NMOS管：

當 $v_{GS}<V_{GS}(TH)$ ，管子截止， $i_{D}=0$ , $R_{OFF}>10^{9}Ω$
當 $v_{GS}>V_{GS}(TH)$ ，管子導通， $i_{D}\propto V^{2}_{GS}$ , $R_{ON}<10^{3}Ω$

增強型PMOS：

當 $v_{GS}>V_{GS}(TH)$ ，管子截止， $i_{D}=0$
當 $v_{GS}<V_{GS}(TH)$ ，管子導通， $i_{D}\propto V^{2}_{GS}$

耗盡型NMOS

當 $v_{GS}<V_{GS}(OFF)(V_{GS}(OFF)<0)$ ，管子截止， $i_{D}=0$
當 $v_{GS}>V_{GS}(OFF)$ ，管子導通
備註：因爲h耗盡型 $v_{GS}=0$ 時電流 $i_{D} \neq 0$ ，

耗盡型PMOS

當 $v_{GS}>V_{GS}(OFF)(V_{GS}(OFF)>0)$ ，管子截止， $i_{D}=0$
當 $v_{GS}<V_{GS}(OFF)$ ，管子導通

3.4 MOS小總結

符號辨別：

D-S相連是耗盡型，D-S斷開是增強型
箭頭方向是電子流動方向，流向柵極的是N型

截止導通條件

增強型有一個臨界電壓 $V_{GS(th)}$ ，N大於他，P小於他導通
耗盡型有一個截止電壓，N爲負數，P爲正數

3.5 與三極管的對比

MOS管	三極管
源極S	發射極E
柵極G	基極B
漏極D	集電極C
電壓控電流，柵極電流0	電流控電流，基極電流小
高輸入電阻	輸入電阻小
只多子導電，溫度穩定性好	多子少子都參與導電

參考：

維基百科
百度百科
博客：https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/71430330
王老師課件
《數字電子技術基礎.(閻石.第5版)》

數電補充1——三極管和MOS管