半导体元件

二极管

两个极：

• P(Positive)积极的;

• N(Negative)消极的;

二极管的电子只能从 N -> P [等效于] 电流只能从 P -> N

P极

硅晶体参杂3价硼，最外层7电子意图夺取一个电子形成8电子稳态。

N极

硅晶体参杂5价磷元素，最外层9电子意图扔掉一个电子形成8电子稳态。

原理

• 电子的方向从负极->N ->P ->正极，电子从N -> P（能级下降约0.7v，释放能量）
• 电子如果反向就会从P -> N，即PN结增大，P型空穴被填，N型电子被夺，此时P/N型都不能导电

PN结：P和N结合处P中的P-Si参杂意图失去一个电子，B-Si参杂意图得到一个电子，结合形成PN结。PN结有两层，其中 P层带-电，N层带+电。

正向电压：目标电子势能需大于0.7V左右，从而克服PN结形成的势垒电势，，才能使PN结导通

反向电压：二级管反接PN结拉宽

• P区获得电子带负电，空穴载流子消失，不能导电
• N区失去电子带正电，电子载流子消失，不能导电

三极管

三极管（又称晶体管）是一种具有三个电极的半导体器件，用于放大或开关电子信号。
材料：N(Negative)型半导体，参杂P(磷)元素； P(Positive)型半导体，参杂B(硼)元素；

导通状态三极管 发射极 <-> 集电极 之间是单向导通 (区别于MOS管导通状态是双向导通)

参考：
bilibili-华秋商城:终于有人讲了，凭什么三极管能放大?
bilibili-郭天祥老师：【快速分辨三极管-电路设计干货】
bilibili-訦香：【作死物理大讲堂】BJT三极管入门手册-中字-个人翻译

三个极

• 发射极（Emitter, E）：负责发射载流子，NPN电子作为载流子，PNP空穴作为载流子
• 基极（Base, B）：B电压越大，EC之间的电流越大。
• 集电极（Collector, C）：收集从发射极发出的载流子。

放大区

• $V_{CE}$ 的电流受 $I_B$ 成倍率控制，压降随负载变
• 不符合欧姆定律

饱和区

• $V_{CE}$ 压降固定在 ~0.2V

符号识别技巧

1. 识别三极管符号：参考二极管符号，回忆二极管符号P->N（箭头尾P 箭头头N），再看三极管中也有箭头，可根据二极管标注箭头的PN，此时最后一个必是PNP的P/NPN的N，同时带有箭头的必为发射极。
2. 看发射极箭头方向，NPN发射极电子载流子从E到C，PNP发射极空穴载流子（电流方向）从E到C

NPN

相当于两个二极管尾部相连，符号就是这样演变的。

• 发射极 (E)： N 型，高掺杂（电子极多）。

• 基极 (B)： P 型，极薄、低掺杂（空穴极少）。

• 集电极 (C)： N 型，面积大、中等掺杂。

导通条件

• 当基极电压比发射极电压高出约0.7V时（发射极接GND，基极接VCC），三极管导通
• 发射极 -> 集电极：电子从发射极流向集电极（电流从集电极到发射极）

工作原理

1. 基极-发射极结（BE结）导通：

• 施加正电压，使得基极电压高于发射极电压，约0.7V。此时基极-发射极结形成正向偏置，允许电子从发射极注入到基极区域。

2. 集电极电流（IC）的产生：

• 施加集电极电压高于基极电压（CE电势差>BE电势差），VCC接集电极，GND接发射极，由于基极区域较薄且掺杂浓度低，只有来自发射极的一小部分电子与基极中的空穴复合，大部分电子直接越过基极进入集电极区域，使得从发射极注入基极的大量电子迅速流向集电极。此过程形成了从集电极到发射极的主要电流，即集电极电流。
• 集电极电流的大小受基极电流控制，且与基极电流呈比例关系，放大倍数为三极管的放大系数 β。

3. 基极电流（IB）的控制作用：

• 由于发射极注入基极的电子中，只有少量电子在基极中与空穴复合形成基极电流，其余大部分进入集电极。
• 基极电流很小，但对集电极电流有很强的控制作用：IC=β⋅IB。

​

PNP

相当于两个二极管头部相连，符号就是这样演变的。

• 发射极 (E)： P 型，高掺杂（空穴极多）。
• 基极 (B)： N 型，极薄、低掺杂（电子极少）。
• 集电极 (C)： P 型，面积大、中等掺杂。

注意⚠️：空穴作为载流子，空穴实际上是不能移动的，本质上是电子的移动填缺空穴的运动，导致空穴相对于电子移动，其相对运动与电子方向相反。

导通条件

• 当基极电压比发射极电压低约0.7V时（发射极接VCC，基极接GND），三极管导通
• 发射极 -> 集电极：电子从集电极流向发射极（电流从发射极到集电极）

工作原理

1. 基极-发射极结（BE结）导通：

   发射结正偏 ($V_E > V_B$)： 通常 $V_{EB} \approx 0.7\text{V}$

   集电结反偏 ($V_B > V_C$)： 确保集电极电压最低，以便“吸引”空穴

2. 载流子运动过程：

   A. 发射区向基区“发射”空穴

   由于发射结正偏（E 高 B 低），外加电压抵消了内建电场。

   • 发射区（P型）的大量高能级空穴越过势垒，扩散进入基区。
   • 这形成了发射极电流 $I_E$。

   B. 空穴在基区的“漂流与复合”

   空穴进入基区（N型）后，成为了这里的“少数载流子”。

   • 由于基区很薄且电子浓度极低，绝大多数空穴根本找不到电子来“复合”。
   • 只有极少数空穴与基区的电子相遇并释放能量（形成微弱的基极电流 $I_B$）。

   C. 集电区“收集”空穴

   这是最关键的一步。此时集电结是反偏的（B 高 C 低），在界面形成了一个很强的电场，方向从 B 指向 C。

   • 顺风车： 对于空穴（带正电）来说，这个电场简直是“顺风车”。
   • 到达集电结边缘的空穴被电场迅速“扫入”集电区，形成集电极电流 $I_C$。

3. 基极电流（IB）的控制作用：

• 由于发射极注入基极的空穴中，只有少量空穴在基极中与电子复合形成基极电流，其余大部分进入集电极。
• 基极电流很小，但对集电极电流有很强的控制作用：IC=β⋅IB。

MOS管

MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种场效应晶体管，广泛应用于电子电路中。MOS管是利用电场效应来控制半导体的电导率。

Electronics Tutorials：The MOSFET

bilibili-爱上半导体：【另类方式讲解晶体管，让你真正理解，MOS管到底是如何工作的？】

bilibili-车博士汽车电路培训：【MOS管里面有个寄生二极管，它是怎么产生的，与制作工艺有关系】

bilibili-维库电子市场网：【MOS管里竟然有二极管？绝大多数人不知道它的作用！】

MOS从结构上分为N沟道和P沟道，从沟道表面参杂与否来决定增强型和耗尽型。

• 栅极（Gate）：通过施加不同类型的电压来控制通道的导通与关闭，通过施加电压的大小来控制通道的电导率

• 增强型（Enhancement Type）

  • 源极（Source）：

    • N沟道：电子输入端，即电流的输出端

    • P沟道：电子输出端，即电流的输入端

  • 漏极（Drain）：

    • N沟道：电子输出端，即电流的输入端
    • P沟道：电子输入端，即电流的输出端

• 耗尽型（Depletion Type），从物理结构的原理上来说，耗尽型 MOSFET 的 D（漏极）和 S（源极）之间导电是没有方向性的

线性区

• $V_{DS} $ 电流由 $V_{GS}$ 控制
• 符合欧姆定律

饱和区

• 压降极小，如同导线，遵循 $I \times R$

核心参数

缩写	全称	含义
$V_{GS}$	Gate-to-Source Voltage	栅源电压。这是控制引脚（Gate）相对于源极（Source）的电压，决定了管子的导通状态。
$V_{th}$	Threshold Voltage	开启电压（阈值电压）。
$V_{SD}$	Source-to-Drain Voltage	源漏电压。源极相对于漏极的电压。在 N 沟道正常导通时，通常关注的是 $V_{DS}$（漏源电压）；但在研究体二极管导通或 P 沟道时，$V_{SD}$ 经常被提及。

N沟道MOS管

N沟道MOSFET中包含耗尽型和增强型

• 增强型为常开开关(“Normally Open” Switch、”Normally Off” Switch)，即默认关
• 耗尽型为常闭开关(“Normally Closed” Switch、”Normally On” Switch)，即默认开

记忆技巧

• 图中N沟道MOS符号是指向内（Negative）
• 图符号为增强型nMOS符号，DS之间的连接处于断开（Normally Off）状态
• N之间形成的导电沟道，称N沟道

N沟道增强型MOSFET

由于N沟道增强型MOSFET的P型半导体通常是衬底材料，P型材料中引入了大量载流子空穴，而少数载流子是电子，源漏极接触区域材料则为N型半导体。

然而一些说法少数 电子 是来自 源/漏极 附近形成的PN结附近的电子载流子。

当栅极电压+V_GS(即G-S)增加到某个阈值电压（Vth）时，P型半导体表面的电子浓度变得足够高，形成一个反转层。这些电子形成一个带负电的P型区域（物理特性相当于N），使得源极和漏极之间形成一个导电沟道。

寄生二极管

无论是 N/P MOSFET符号中都会有一个二极管的符号，这个二极管不是MOS制造过程中加入的，它是MOS本身的属性

正常路径

1. 电子方向先经过 S极 -> P型：等价于二极管正向导通
2. 电子再经过 P型 -> N极：等价于二极管反向不导通

反向路径

1. 电子方向先经过 N极 -> P型：等价于二极管正向导通
2. 电子再经过 P型 -> S极：等价于二极管反向不导通

但实际上MOS关断情况下是单方向性导通的，这是因为我们工程做法是将源极和衬底连接后，形成左边NP区域导通，右区域形成PN结，即：寄生二极管，寄生二极管作用增强型MOS于DS之间的单方向导通。

N沟道耗尽型MOSFET

耗尽型NMOSFET在没有施加栅极电压时就已经存在导电沟道：P型半导体作为衬底表面浅层区域掺入N型杂质，来形成一个导电N沟道（即默认导通）。从物理结构的原理上来说，耗尽型 MOSFET 的 D（漏极）和 S（源极）之间导电是没有方向性的。

内部连接： 为了电气性能的稳定，厂家通常会在封装内部将 S 极（源极）与衬底（Bulk/Body）短接，这种短接会导致在 D 和 S 之间产生一个寄生的体二极管，来限制未导通方向性。

通过施加适当的Vth负电压，可以排斥（赶走）表面浅层区域N型掺杂材料的电子，N型区域失去载流子电子，从而失去导电性，根据Vth强度来决定导通通道的大小。

P沟道MOS管

P沟道MOSFET中也包含耗尽型和增强型

• 增强型为常开开关(“Normally Open” Switch、”Normally Off” Switch)
• 耗尽型为常闭开关(“Normally Closed” Switch、”Normally On” Switch)

记忆技巧

• 图P沟道MOS符号是指向外（Positive）
• 图符号为增强型pMOS符号，DS之间的连接处于断开（Normally Off）状态
• P之间形成的导电沟道，称P沟道

P沟道增强型MOSFET

由于P沟道增强型MOSFET的N型半导体通常是衬底材料，N型材料中引入了大量载流子电子，而少数载流子是空穴，源漏极接触区域材料则为P型半导体。

然而一些说法少数 空穴 是来自 源/漏极 附近形成的PN结附近的空穴载流子。

当栅极电压-V_GS(即G-S)增加到某个阈值电压（V_th）时，N型半导体表面的空穴浓度变得足够高，形成一个反转层。这些空穴形成一个带正电的N型区域（物理特性相当于P），使得源极和漏极之间形成一个导电沟道。

寄生二极管

P增强型未导通状态下：

• 电子从S到D，MOS管导通
• 电子从D到S，MOS管截止

P沟道耗尽型MOSFET

耗尽型PMOSFET在没有施加栅极电压时就已经存在导电沟道：N型半导体作为衬底表面浅层区域掺入P型杂质，来形成一个导电P沟道（即默认导通）。从物理结构的原理上来说，耗尽型 MOSFET 的 D（漏极）和 S（源极）之间导电是没有方向性的。

内部连接： 为了电气性能的稳定，厂家通常会在封装内部将 S 极（源极）与衬底（Bulk/Body）短接，这种短接会导致在 D 和 S 之间产生一个寄生的体二极管，来限制未导通方向性。

通过施加适当的Vth正电压，可以排斥（赶走）表面浅层区域P型掺杂材料的载流子空穴（可理解为吸引N区域的电子到表面P型杂质），P型区域失去载流子空穴，从而失去导电性，根据Vth强度来决定导通通道的大小。