什么是晶体管

图1：显示了晶体管的分类。下面的常见问题中也有相关说明。
常见问题： 晶体管的类型有哪些？

图2显示了各种晶体管的简化结构图和符号。

• 双极型晶体管（BJT）
  NPN BJT有一个夹在n层集电极与发射极之间的p层基极。PNP BJT有一个夹在p层集电极与发射极之间的n层基极。
  为增加直流电流增益h_FE，基极非常窄（薄），杂质浓度为集电极<基极<<发射极。

• 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）
  N沟道MOSFET是将n层的漏极和源极嵌入p层中。（也有垂直结构，但这里我们仅介绍基本的水平结构。）对于用作控制端子的栅极，在p层的正上方形成绝缘薄膜（氧化膜），覆盖漏极和源极n层的一端，栅电极位于其上方。当对栅极施加电压时，在与绝缘薄膜接触的p层中形成一条电流通路，从而以电气方式连接n层漏极和源极。由于这种方式在p层中形成了与n层等同的一条通路（通道），因此称为n沟道（N沟道）MOSFET。在P沟道MOSFET的结构中，漏极和源极（p层）均嵌入n层中。栅电极隔着覆盖漏极和源极的p层一端的绝缘薄膜，设置在n层的正上方。

• 结型场效应管（JFET）
  N沟道JFET有一个p层（即栅极），嵌入在n层（即漏极和源极）中。形成结的n层和p层用于反向偏置，因此没有电流从p层流向n层。由于电流通路是n层，因此称为n沟道（N沟道）。此n层可发挥电阻作用。当反向偏置电压施加于栅极时，耗尽层会与电压成比例地扩大，使栅极之间的电流通路变窄并增大电阻值。

• 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
  IGBT是兼具MOSFET和BJT特性的一个复合型器件。输入部分采用开关速度快、驱动电流小的MOSFET结构，输出部分采用能够承受大电流并且绝缘强度很高的BJT结构。这使得开关速度比BJT更快，并且与MOSFET相比，器件的耐压更高、导通电阻更低。

让我们从物理角度思考BJT的工作原理。晶体管是一种电流控制元件，可放大基极电流以传输集电极电流，但我们在这里将从施加于基极的电压而非基极电流的角度进行解释。图5显示了NPN晶体管的能带图。
如果NPN晶体管的发射极、基极和集电极的杂质浓度分别为N_E、N_B和N_C，则N_E>>N_B>N_C。具有与该杂质浓度成比例的自由电子或空穴。此外，每个自由电子的能量遵循费米分布（费米-狄拉克分布）。
I在无偏置状态下，由于耗尽层的产生，每个pn结处都会产生内建电位（发射极导带最低限与基极导带最低限之间的能量差），从而产生能垒。发射极电子无法跨越此能垒，集电极和发射极之间没有电流流动。
在图3所示的电路中，在基极与发射极之间施加正向偏压（V_BE高于导通电压）会降低能垒。
一些自由电子（发射极中能量高于此能垒的自由电子）会跨越能垒并扩散到基极中。同时，空穴以基极电流的形式注入基极。但是，由于N_E>>N_B，从发射极扩散出的自由电子数量远远大于基极中的空穴数量。一部分扩散的自由电子与空穴复合，但由于空穴数量相对于自由电子数量较少（基极与集电极之间的杂质浓度差），并且基极的厚度（宽度）较薄，因此大部分空穴会因基极与集电极之间的电场而漂移，流入集电极。这就是集电极电流。

• 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）
  如图6所示，施加偏压以使用N沟道MOSFET。当在栅极与源极之间施加高于阈值的电压（V_GS）时，漏极与源极之间会导通，电阻R_DS(ON)很小，并且MOSFET导通。当V_GS低于阈值时，漏极与源极之间不会导通，MOSFET关断。
  由于MOSFET的栅极端子为绝缘状态，因此在关断时，栅极电压可能不容易下降，并且可能需要一些时间。在这种情况下，可在栅极与源极之间插入一个电阻。

如图7所示，N沟道MOSFET在作为源极和漏极的P型半导体中嵌入N型半导体。
N型半导体通常电子过剩，而P型半导体通常空穴过剩。当在栅极与源极之间施加电压（V_GS）时，栅电极和其正下方的P型半导体就像一个电容器。当在栅极与源极之间施加电压时，电极板侧带正电，P型半导体侧带负电（电子聚集，电子过剩）。换言之，负电荷聚集在栅极正下方的P型半导体表面，导致产生存在许多自由电子的状态。由于这是P型半导体，但具有与N型半导体相同的特性，因此这种状态称为反型层。
图7显示了反型层的形成过程。从无偏状态向栅极施加电压V_GS。首先，在形成反型层之前，靠近栅电极的P型半导体中的空穴会消失，从而形成耗尽层。当达到称为阈值电压V_T的电压时，就会形成反型层。源极和漏极通过该反型层连接。该反型层称为通道，在此示例中，由于它是N型通道，因此称为N沟道MOSFET。

当MOSFET从关断转变为导通状态时，该电容需要充电电流，但一旦导通，就不需要像BJT的基极电流那样的电流，从而可以省电。（但是，用于电源应用的MOSFET具有较大的寄生电容，需借助驱动电路对该电容进行快速充电并将其导通。）

• 结型场效应管（JFET）
  有两种工作模式：增强型（栅极与源极之间的电压为0 V时无电流流动）和耗尽型（栅极与源极之间的电压为0V时有电流流动）。
  下面解释耗尽型的工作方式。
  N沟道JFET是N型半导体，其中嵌入P型半导体作为栅极。在栅极和漏极以及源极之间形成一个pn结。在反向偏置状态下使用此结。
  图8显示了对N沟道JFET施加偏压的示例以及V_GS改变时耗尽层的状态。
  当在栅极与源极之间施加反向偏压V_GS使得V_G<V_S时，耗尽层会扩大，通道会变窄。这会抑制电流流动（会产生阻力）。如果进一步增大反向偏压，通道将被耗尽层阻塞。

• 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
  IGBT是在N沟道MOSFET的漏极（n层）上附加p层以形成集电极的一种器件。图9所示的偏置电路中红框内的电路为等效电路。图中还显示了叠加在结构图上的等效电路图。这样，输入部分采用开关速度快、驱动电流小的MOSFET结构，输出部分采用能够承受大电流并且绝缘强度很高的BJT结构。换言之，在发挥MOSFET优点的同时，可利用双极型器件的电导调制效应改善导通电阻的缺点。这样，即可实现速度比BJT更快、耐压比MOSFET更高、导通电阻比MOSFET更低的器件。
  如图9偏置电路所示，在栅极（G）与发射极（E）之间施加电压V_GE，在集电极（C）和发射极（E）之间施加电压V_CE。此时，如果V_GE大于或等于N沟道MOSFET的阈值，则内置MOSFET导通，漏极电流ID流动，IGBT导通。
  图9等效电路中PNP晶体管的IC电流配置为几乎不流动，大部分电流从PNP晶体管的发射极流向栅极。当PNP晶体管导通时，PNP晶体管的发射极（IGBT中的C）向N层（PNP晶体管的基极）提供空穴，即多数载流子。同时，也通过MOSFET从N层（IGBT中的E）提供电子以保持电平衡。因此，N层具有大量空穴和自由电子，这提高了电导率并改善了导通电阻。这称为电导调制效应。
  当V_GE低于N沟道MOSFET的阈值时，它将关断。但在IGBT关断前，一段时间内会有称为拖尾电流的电流流过。这是电导调制效应所引起的，降低了导通时的导通电阻。

关于电导调制的更多详情，请参阅下面的常见问题。

• 什么是电导率调制？
• 什么是IGBT的拖尾电流？
  

晶体管用于各种电子器件，主要用于切换（开／关）或放大电信号的电路。开关示例包括在逻辑信号电平（最高5　V）下导通／关断的电路和开关电源。放大电路不仅用于简单的信号放大，还用于振荡电路。正如您在图中看到的情况，晶体管的用途非常广泛。

这些电路中可以使用BJT和MOSFET。究竟选择BJT还是MOSFET取决于以下几个方面：电路中哪些特性（速度、损耗、增益等）重要，以及使用什么电压、电流和频率。
我们列出了与每种器件相关的关键词，以供参考。
-MOSFET： 低能耗、高速开关、高输入阻抗
-BJT：模拟（线性、高增益）、低噪声、低电压导通（导通电压约为0.7 V）
下面给出了一些电路示例。

如果您对开关电源感兴趣，另请参阅以下视频。
[在线学习]全桥转换器 - 开关电源的基础知识（5）
[在线学习]DC-DC转换器 - 开关电源的基础知识（6）
[在线学习]谐振半桥转换器 - 开关电源的基础知识（7）
[在线学习]无桥PFC - 开关电源的基础知识（8）

东芝的BJT和MOSFET具有多种封装形式，从小型封装到电源应用封装。我们还提供二合一等复合式封装。