什么是晶体管

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。
  图2(a)显示了双极型晶体管(BJT)的符号和简化结构图。例如，在简化结构图中，NPN型双极型晶体管的发射极和集电极之间夹着一层薄的P层基极，但这只是一个便于理解其工作原理的示意图，并不直接代表实际BJT的物理结构。

• 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。
  图2(b)显示了MOSFET的符号和简化的结构图。图中分别以横截面视图展示了N沟道MOSFET和P沟道 MOSFET 的横向结构，其中N沟道MOSFET采用P型衬底，P沟道MOSFET采用N型衬底。源极(S)和漏极(D)形成于衬底中，栅极(G)通过绝缘膜位于其上方，栅极电压可以控制源极和漏极之间的导通状态。

• 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。
  图2(c)显示了JFET的符号和简化的结构图。例如，N沟道JFET的结构表示为：以N层作为衬底，P层分别位于其上下。然而，该结构图仅为示意图，旨在便于理解JFET的工作原理，与实际器件结构在某些方面有所不同。JFET的一个显著特点是其沟道宽度由栅极(G)控制。

• 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。
  图2(d)显示了IGBT的符号和简化的结构图。图中以N沟道IGBT为例，展示了其等效电路，并在其上叠加了简化的结构图。IGBT是一种以N沟道MOSFET为基本结构，并在输出级结合了双极型晶体管元件的器件，其特点是兼具MOSFET的高速开关特性和双极型晶体管的低导通电压特性。

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。
图5显示了基极和发射极之间施加正向偏置时的状态。当没有偏置时，发射极和基极之间 pn 结形成的能垒阻止发射极中的自由电子移动到基极，因此集电极和发射极之间没有电流流动。另一方面，当基极和发射极之间施加正向偏置时，该能垒降低，发射极中的一些自由电子越过基极流入集电极。这就是集电极电流。
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）
  图6显示了N沟道MOSFET的最简单偏置电路示例。该图所示配置中，栅极和源极之间施加偏置电压V_GS，漏极和源极之间施加偏置电压V。栅极电压V_GS形成沟道，但由于栅极绝缘，没有栅极电流流过。因此，无需像BJT那样使用电阻来限制电流。但是，可以在栅极上插入电阻来调节上升时间或防止振荡。当栅极和源极之间施加高于阈值的电压（V_GS）时，漏极和源极之间导通，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。

图7显示了N沟道MOSFET在施加电压V_GS时的偏置状态及反型层形成过程。横截面示意图呈现三种状态：无偏置（V_GS＝0V），阈值电压以下的正向偏置（V_GS＜V_T）以及阈值电压以上的正向偏置（V_GS≥V_T）。 为简化示意，图中将漏极(D)与源极(S)外部短外部短路。有关非短路情况的信息，请参考下方的常见问题。

常见问题：理解MOSFET工作原理与机制 | 截止区、线性区与饱和区详解

在无偏置电压的情况下，栅极正下方的P型衬底不会发生显著变化。然而，当V_GS＜V_T时，会形成耗尽层。此外，当V_GS≥V_T时，栅极正下方会形成反型层，从而形成连接漏极和源极的沟道。
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VT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N沟道JFET中耗尽层随偏置状态的变化。图中展示了最简单的电路工作状态，以及无偏置和施加偏置时的横截面视图。随着栅源电压V_GS的增加，栅极结处形成的耗尽层扩展，沟道宽度逐渐变窄。
  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是一种在N沟道MOSFET的漏极（n层）上添加p层作为集电极的器件。其输入级采用具有快速开关特性和低驱动电流的MOSFET结构，输出级则采用能承受高电流和高电压的双极型晶体管（BJT）结构。这种设计使得器件比BJT更快，同时比MOSFET具有更高的耐压能力、更低的导通电阻。
  图9显示了IGBT导通时的电流路径。(a)为电路图，(b)为叠加在结构图上的IGBT等效电路图，(c)为结构图，显示了导通状态下的电流路径。当在栅极和发射极之间施加电压时，输入级中的MOSFET导通，从而激活输出级中的双极型晶体管。箭头指示导通状态下的电流路径。
  有关操作的详细信息，请参考下面的常见问题。
  
  常见问题：什么是IGBT？
  
  如图所示，在栅极(G)和发射极(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 V_GE等于或高于N沟道MOSFET的阈值电压，则MOSFET导通。这使得PNP晶体管的基极与发射极等电位，从而导通PNP晶体管，并产生集电极电流 I_C。
  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。

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