全面解析BJT、FET、JFET、MOSFET、IGBT晶體管

晶體管是現(xiàn)代電子和邏輯電路中使用最多的元件，因?yàn)樗袃蓚€(gè)主要功能，即開關(guān)和放大。它們用于模擬和數(shù)字電路，低功率和高功率和頻率應(yīng)用。各種各樣的晶體管都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下是本文中討論的幾種晶體管。

#1?

什么是晶體管?

What is a Transistor?

晶體管是一種三端半導(dǎo)體器件，用于開關(guān)或放大信號。其輸入端的小電流或電壓可用于控制非常高的輸出電壓或電流。

“晶體管”這個(gè)詞是“Trans”代表“傳輸”和“istor”代表“電阻”兩個(gè)詞的組合。這是因?yàn)榫w管根據(jù)輸入信號將其電阻從一端轉(zhuǎn)移到另一端。

晶體管主要分為兩種：

● 雙極結(jié)晶體管-BJT

● 場效應(yīng)晶體管-FET

#2?

雙極結(jié)晶體管- BJT

Bipolar Junction Transistor – BJT

BJT或雙極結(jié)晶體管是一種雙極晶體管，有一個(gè)結(jié)。雙極意味著它使用兩種類型的電荷載體，即電子和空穴。而結(jié)是指兩種不同半導(dǎo)體材料之間的邊界，通常稱為PN結(jié)。

BJT由具有兩個(gè)PN結(jié)的P型和N型半導(dǎo)體材料交替三層組成。它有3個(gè)端子，即發(fā)射極、基極和集電極。每個(gè)端子與晶體管的每一層連接。

基極是夾在發(fā)射極和集電極之間的中間層?；鶎邮撬袑又袚诫s最輕的。發(fā)射極和集電極均重?fù)诫s，其中發(fā)射極的摻雜相對于集電極的摻雜重。

BJT是一種電流控制裝置。它是指它利用基極端的輸入電流來控制輸出電流或集電極電流。通過反向連接基極-集電極結(jié)和正向偏置連接基極-發(fā)射極結(jié)，允許電流在發(fā)射極和集電極之間流動(dòng)。這個(gè)電流與基極電流成正比。

由于其基極-發(fā)射極結(jié)或輸入正向偏置，因此輸入阻抗非常低。由于集電極-發(fā)射極反向偏置，輸出阻抗非常高。因此，BJT具有非常高的增益。

有兩種類型的BJT，即NPN和PNP晶體管。

#3?

NPN型晶體管

NPN Transistor

NPN晶體管是由兩種N型材料和一種P型材料組合而成。P區(qū)夾在N區(qū)之間。集電極、基極和發(fā)射極三個(gè)端子分別從N區(qū)、P區(qū)和N區(qū)上升。

大多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。在基極端施加電流IB允許電流IC從集電極到發(fā)射極。電流與基極電流成正比。而總發(fā)射極電流IE是基極電流Ib和集電極電流IC的總和。

IC?= βIB

IE?= IB?+ IC

NPN晶體管的符號也表示電流的方向。指向發(fā)射器外的小箭頭表示發(fā)射器向外的電流方向。

NPN晶體管通過施加正基極-發(fā)射極電壓VBE開關(guān)，由于大多數(shù)載流子是電子，它具有很高的開關(guān)速度。

#4?

PNP型晶體管

PNP Transistor

PNP晶體管由兩個(gè)P層和一個(gè)N層組合而成。薄的N層夾在兩個(gè)厚的P層之間。中間的N層稱為基極，周圍的兩層稱為集電極和發(fā)射極。

大多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。

反向偏置集電極-發(fā)射極結(jié)和正向偏置基極-發(fā)射極結(jié)使晶體管進(jìn)入導(dǎo)通模式，輸出電流與基極電流成正比。

當(dāng)負(fù)電壓VBE加到基極區(qū)時(shí)，PNP晶體管導(dǎo)通，當(dāng)正電壓加到基極區(qū)時(shí)，PNP晶體管關(guān)斷。

由于大多數(shù)載流子是空穴，PNP晶體管的恢復(fù)時(shí)間相對較高，因此它的開關(guān)速度比NPN晶體管低。

在PNP晶體管的符號中，指向內(nèi)的箭頭表示電流在發(fā)射極內(nèi)部流向基極和集電極的方向。因此，總電流IC是發(fā)射極電流減去基極電流。

IC?= IE?– IB

#5?

場效應(yīng)晶體管

Field Effect Transistor – FET

FET或場效應(yīng)晶體管是一種利用電場或電壓來控制電流流動(dòng)的晶體管。它是單極的，即電流僅由于大多數(shù)電荷載流子是電子或空穴而流動(dòng)。

FET的三個(gè)終端分別是漏極(D)、柵極(G)和源極(S)。根據(jù)FET的結(jié)構(gòu)，在漏極和源極之間有一個(gè)通道。通道是指電流流動(dòng)的路徑。漏極和源極由相同的半導(dǎo)體材料制成。然而，漏極端是一個(gè)有更多的正電壓。因此，漏極和源極是可互換的。

通道的寬度由施加在其柵極上的電壓控制。對源電壓VGS施加正向柵極增加通道寬度，從而增加漏極電流ID。這種模式稱為增強(qiáng)模式。而應(yīng)用反向VGS減少通道長度和當(dāng)前ID。這種運(yùn)作模式被稱為耗竭模式。因此，它是一種電壓控制裝置。

由于輸入(門)是反向偏置的，F(xiàn)ET的輸入阻抗在100歐姆的范圍內(nèi)非常高，這就是為什么沒有輸入或門電流的原因。因此，它具有非常低的能耗和高效率。輸出阻抗低。因此，F(xiàn)ET的增益比BJT小。

由于FET僅利用電子或空穴一種類型的電荷載流子，因此恢復(fù)時(shí)間非?？臁Ｒ虼?，它的開關(guān)速度非?？?，可以用于非常高頻的應(yīng)用。

有兩種類型的FET晶體管，即JFET(結(jié)場效應(yīng)管)和MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)。

#6?

結(jié)場效應(yīng)晶體管JFET

Junction Field Effect Transistor JFET

JFET或結(jié)場效應(yīng)晶體管是一種在柵極和溝道之間有一個(gè)PN結(jié)的場效應(yīng)晶體管。它有Gate (G)、DraiN (D)和Source (S)三個(gè)端子，通道被柵極區(qū)包圍。所述通道和柵極由所述交替半導(dǎo)體層構(gòu)成。溝渠的兩端分別稱為漏地和源地。

該通道在制造過程中是內(nèi)置的。因此，當(dāng)柵極沒有電壓時(shí)，JFET可以傳導(dǎo)電流。對柵極施加反向電壓會在通道周圍產(chǎn)生耗盡區(qū)，該耗盡區(qū)會收縮并減小通道寬度。當(dāng)耗盡區(qū)完全阻塞通道時(shí)，電流流動(dòng)減少并最終停止。這種工作模式也被稱為耗盡模式，JFET只在這種模式下工作。

該通道可以由P型或N型半導(dǎo)體材料制成。因此，JFET可分為：

● N溝道JFET

● P溝道JFET

1

N-Channel JFET

N溝道JFET

N溝道JFET的溝道由N型半導(dǎo)體材料制成，因此得名。負(fù)責(zé)電流流動(dòng)的電荷載體是電子。電子的恢復(fù)時(shí)間快，因此N溝道JFET具有快速的開關(guān)速度。

當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，由于存在通道，它將在源極和漏極之間傳導(dǎo)電流。應(yīng)用負(fù)的V-GS產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)，減少通道寬度。因此，減少電流。

2

P-Channel JFET

P溝道JFET

P溝道JFET的溝道是由P型材料制成的，空穴是負(fù)責(zé)電流流動(dòng)的電荷載流子?？昭ㄏ鄬^重，速度比電子慢。因此，P溝道JFET的速度比N溝道JFET慢。

P溝道JFET即使在柵極沒有電壓時(shí)也能導(dǎo)通。施加正柵極電壓減小通道寬度并減小電流。

#7?

場效應(yīng)晶體管

MOSFET

MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是一種場效應(yīng)晶體管，其柵極終端與通道電隔離。因此，它也被稱為IGFET(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)。它有四個(gè)終端;排水管、閘門、水源和閥體。本體端子常與電源短接，從而形成三個(gè)端子。

MOSFET的柵極和溝道之間有一層二氧化硅絕緣層。它增加了輸入阻抗在百萬歐姆范圍內(nèi)，并減少了泄漏電流。

MOSFET具有與任何其他FET相同的操作。其柵極處的電壓用于改變通道寬度和通過通道的電流。它可以減少或增加通道的寬度。因此，MOSFET工作在兩種模式下，即損耗模式和增強(qiáng)模式。

絕緣層的缺點(diǎn)是它在柵極和溝道之間產(chǎn)生電容，這使得它容易受到靜電積聚的影響。

1

Depletion MOSFET

損耗MOSFET

耗盡型MOSFET或D型MOSFET是一種MOSFET，其中溝道是在制造時(shí)制造的。它是正常ON的MOSFET，在無輸入或柵源電壓VGS = 0時(shí)傳導(dǎo)電流。

它可以在損耗和增強(qiáng)模式下工作。應(yīng)用正向VGS使D-MOSFET進(jìn)入增強(qiáng)模式，電流增大。而應(yīng)用反向V-GS則使其進(jìn)入耗盡模式，電流減小并關(guān)閉。

按溝道劃分，D-MOSFET可分為N溝道和P溝道。

D-MOSFET可以在耗盡和增強(qiáng)模式下工作。而增強(qiáng)型MOSFET不能在耗盡模式下工作。

2

N-Channel D-MOSFET

N溝道D-MOSFET

在N溝道D-MOSFET中，溝道由N型材料制成，電流由電子流動(dòng)。正柵極源電壓VGS增加了通道寬度，從而增加了電流流量。而負(fù)的VGS耗盡了載流子的通道并減少了電流以完全關(guān)閉。

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P-Channel D-MOSFET

P溝道D-MOSFET

在P溝道D-MOSFET中，溝道由P型材料制成，其空穴作為電荷載流子。正VGS減小通道寬度和電流，而負(fù)VGS增強(qiáng)P溝道D-MOSFET的電流。

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Enhancement MOSFET

增強(qiáng)MOSFET

增強(qiáng)型MOSFET或E-MOSFET是一種“正常關(guān)閉”的MOSFET，當(dāng)沒有輸入時(shí)不導(dǎo)電。它沒有頻道。該通道是通過在其柵極和源端之間施加正向電壓VGS-來誘導(dǎo)的。電壓增強(qiáng)通道寬度和電流，因此得名。

E-MOSFET也分為N溝道和P溝道兩種。

5

N-Channel E-MOSFET

N溝道E-MOSFET

該通道是通過施加一個(gè)正的V-GS來誘導(dǎo)的，該V-GS在其柵極下積累了一層來自P襯底的負(fù)電荷，形成了N通道。增加電壓會增加其寬度和電流導(dǎo)電性。

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P-Channel E-MOSFET

P溝道E-MOSFET

該通道是通過施加負(fù)V-GS來誘導(dǎo)的，該負(fù)V-GS增加了通道寬度以增加電流。該溝道是通過從柵電極下面的N襯底上積累孔而制成的。

正如我們所知，光電二極管工作在反向偏置，因此，圖表是在反向電壓和反向電流之間。反向電壓在負(fù)x軸上表示，而反向電流在負(fù)y軸上以微安表示。

#8?

絕緣柵雙極晶體管IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT

IGBT或絕緣柵雙極晶體管是一種結(jié)合了BJT和MOSFET的最佳部分的晶體管。它具有MOSFET(絕緣柵極)的高輸入阻抗和快速開關(guān)速度的輸入特性和BJT的大輸出電流處理能力的輸出特性。

它有柵極(G)、集電極(C)和發(fā)射極(E)三個(gè)端子，其中柵極代表MOSFET部分，集電極和發(fā)射極代表BJT部分。它是一種像MOSFET一樣沒有輸入電流的電壓控制器件。因此它沒有輸入損失。然而，它是單向的，不像MOSFET是雙向的。它只允許電流從集電極到發(fā)射極。

它由MOSFET和BJT的組合制成，使用如上所示的達(dá)靈頓對配置，一個(gè)N溝道MOSFET與PNP晶體管。一個(gè)正的柵極-發(fā)射極電壓V-GE開關(guān)接通MOSFET，啟動(dòng)基極電流到PNP。PNP接通并傳導(dǎo)巨大的電流。

這種組合提高了整體電壓和電流額定值，減少了輸入損耗和體面的開關(guān)速度。操作起來要容易得多。

1

Punch through IGBT

打通IGBT

通過IGBT的穿孔有一個(gè)N+緩沖層。它具有不對稱電壓阻斷能力，即正向和反向擊穿電壓是不同的。反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓。它們不能處理反向電壓。它們用于直流電路，因?yàn)樗鼈兪菃蜗虻?，?a href="http://wenjunhu.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器和斬波電路。它具有更快的切換速度。

2

Non Punch through IGBT

不通過IGBT打孔

非沖孔通過IGBT沒有N+緩沖層。它們具有對稱的擊穿電壓，即正向擊穿電壓和反向擊穿電壓相等。它們用于交流電路中，如整流器。

#9?

特殊的晶體管

Special Transistor

有不同種類的晶體管被設(shè)計(jì)用于特殊用途。下面是其中一些晶體管。

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Darlington Pair Transistor

達(dá)林頓晶體管

達(dá)靈頓晶體管或達(dá)靈頓對是兩個(gè)NPN或PNP晶體管的組合，它們的總增益等于它們各自增益的乘積。它提供了非常高的電流增益。被第一個(gè)BJT放大的電流被第二個(gè)BJT放大。它被用在敏感電路中，比單個(gè)晶體管占用的空間更小。

第一晶體管的發(fā)射極連接到第二晶體管的基極，它們的集電極是共同的。它可能有一個(gè)高增益，但它也有雙基極-發(fā)射極下降。它以單晶體管形式提供，具有三個(gè)端子，即基極，發(fā)射極和集電極。

2

Sziklai Pair Transistor

Sziklai晶體管

Sziklai就像DarliNgton一樣，是兩個(gè)BJT的組合，以提高其當(dāng)前增益。但它將兩個(gè)不同的BJT組合成一個(gè)晶體管。與達(dá)林頓對相比，這種配置的優(yōu)點(diǎn)是它具有單個(gè)基極-發(fā)射極電壓降。它的電流增益略低于達(dá)靈頓。

第一BJT的收集器連接到第二BJT的底座。第一所述的發(fā)射極和第二所述的集電極連接在一起。整個(gè)Sziklai晶體管充當(dāng)?shù)谝痪w管或輸入晶體管。例如，如果第一個(gè)晶體管是NPN，那么整個(gè)晶體管將作為具有高增益的NPN晶體管工作。

3

Phototransistor

光電晶體管

顧名思義，光電晶體管依賴于光強(qiáng)。這是一個(gè)簡單的晶體管，但不是基端，有一個(gè)光敏區(qū)。因此，它只有兩個(gè)端子。光敏區(qū)將光能轉(zhuǎn)換成電能，用于控制輸出電流。

它們可以由BJT或FET制成。BJT光晶體管將光能轉(zhuǎn)換成基極電流，而FET光晶體管將光轉(zhuǎn)換成電壓以控制大電流。

當(dāng)它處于陰影下或感光區(qū)域沒有光線時(shí)，它會保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)光落在它的結(jié)上產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的基極電流或柵極電壓時(shí)，它就會接通。它反過來控制大集電極或漏極電流。

4

Small Signal Transistors

小信號晶體管

顧名思義，這種晶體管用于放大和開關(guān)非常小的信號。它們的增益非常高，約為500，集電極的額定電流為毫安。這些是非常敏感的晶體管，只能用于小信號。

5

Small Switching Transistors

小型開關(guān)晶體管

這些晶體管主要用于小信號的開關(guān)。它們可用于擴(kuò)增;然而，它們的電流增益遠(yuǎn)小于200倍范圍內(nèi)的小信號晶體管。這兩種晶體管都是由諸如NPN和PNP的bjt制成的。

6

Power Transistors

功率晶體管

顧名思義，這些晶體管用于高功率應(yīng)用。它們可以處理非常高的集電極電流和電壓。它們的體積比任何普通晶體管都要大。為了處理大電流，每個(gè)區(qū)域都設(shè)計(jì)得更大。它們有很高的擊穿電壓。然而，它們也有很高的導(dǎo)通電壓降。功率晶體管可用于所有類型的晶體管，如功率BJT，功率MOSFET和功率IGBT。

7

High Frequency Transistors

高頻晶體管

這些晶體管用于非常高頻和高速的開關(guān)應(yīng)用。它們也被稱為RF(射頻)晶體管。它們可以在2000兆赫的范圍內(nèi)以非常高的速度打開和關(guān)閉小信號。在如此高的頻率下，它們既用于開關(guān)，也用于放大。

8

Avalanche Transistor

雪崩晶體管

雪崩晶體管是專門設(shè)計(jì)用于在被稱為雪崩擊穿區(qū)域的擊穿電壓之外工作的bjt。這是一個(gè)電流顯著增加的負(fù)電阻區(qū)域。這些晶體管在這個(gè)被稱為雪崩模式操作的區(qū)域工作。在這種模式下，它們能夠以非常高的速度切換非常大的電流。

9

Dual Gate MOSFET

雙柵MOSFET

雙柵MOSFET是一種特殊類型的MOSFET，專為射頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有沿其長度在單個(gè)通道上制造的兩個(gè)柵極，其電導(dǎo)率受兩個(gè)柵極的影響。因此，它可以用于混合兩個(gè)輸入信號。它作為兩個(gè)MOSFET串聯(lián)工作，但具有單個(gè)通道。它們用于射頻混頻器和放大器。

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Multiple-Emitter Transistor

多發(fā)射極晶體管

多發(fā)射極晶體管是具有多個(gè)發(fā)射極的BJT晶體管。它被用作TTL(晶體管-晶體管邏輯)電路中NAND門的輸入。BJT只是兩個(gè)二極管背靠背連接。任何發(fā)射極的邏輯低電壓將基極拉到低電壓，從而停止集電極電流，同時(shí)在兩個(gè)發(fā)射極提供邏輯高電壓，允許用于驅(qū)動(dòng)邏輯電路的集電極電流。如果在DTL(二極管-晶體管邏輯)中使用二極管，它們有助于減少開關(guān)時(shí)間。

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Schottky Transistor

肖特基晶體管

肖特基晶體管是一個(gè)肖特基二極管連接在基極和集電極之間的BJT。肖特基二極管具有較低的電壓降和較高的開關(guān)速度。由于壓降比基極-發(fā)射極壓降低，它將引導(dǎo)電流遠(yuǎn)離基極，以防止晶體管飽和。

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Unijunction Transistors UJT

單結(jié)晶體管

單結(jié)晶體管或UJT是一種只有一個(gè)PN結(jié)但有三個(gè)端子的二極管;發(fā)射極(E)，基極_1 (B1)和基極_2 (B2)。就像二極管一樣，它只用于開關(guān)，但它提供電控開關(guān)。與晶體管不同，它不能放大任何信號。發(fā)射極的輸入用于控制B1和B2之間的電流流動(dòng)。它通過施加正脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，并通過施加負(fù)脈沖關(guān)閉。

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Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)

顧名思義，HBT是一種基底和發(fā)射極由不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的BJT。異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是具有較低的基極電阻和處理很高的頻率。

審核編輯：黃飛