【PADS 7】三极管与MOSFET，运算放大器

1，MOSFET的工作原理

写的很详细https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/71430330

场效应管MOSFET的三个电极G,S,D,分别类似BJT三极管的基极b，射极e，集电极e

1-1

在本征半导体中加入五价元素磷、砷后，称为N型半导体。在N型半导体中，用于导电的载流子以自由电子居多，称为多子；空穴就成为了少数载流子，又称为少子。

相应的在本征半导体中加入三价元素硼、铟后，称为P型半导体。

以下两点说明对于理解这一部分非常有用：

1. N型半导体和P型半导体都是电中性的，所谓的P和N不代表电性，代表的是多数载流子的电性。
2. 加入这些杂质元素后就会形成多余载流子（空穴或者自由电子）的更本原因在于在原子内部，负电荷可分（每个电子带一个负电荷），正电荷不可分（全部集中于原子核）。
3. 空穴本身无法运动，所以空穴作为载流子的根本还在于吸收电子。也就是说空穴传输电流的本质还是电子的移动产生的电流。

PN结的单向导电性

当给PN结加正向电压，即与内电场方向相反的外加电场时，内电场被削弱，最终的结果是N区的电子不断的进入P区，且N区可以从外加的电源中源源不断的汲取电子，于是就形成了较大的正向电流，如图 8所示。

图 8

扫描二维码关注公众号，回复： 1642343 查看本文章

如果反过来加反向电压，即外电场与内电场方向相同，导致的是多子难以扩散，少子的漂移运动加强。但是由于少子数量极少，所以无法形成持续不断的电流，此时PN结处于截止状态。

1-2

三极管的工作原理及特性

三极管之所以运用如此广泛，其主要原因在于它可以通过小电流控制大电流。形象地说就是基极其是是一个阀门开关，阀门开关控制的是集电极到发射极之间的电流大小，而本身控制阀门开关的基极的电流要求很小。更加形象的图形说明如下所示：

图 9

三极管的结构与符号

三极管基本工作原理

三极管的主要功能有：交流信号放大、直流信号放大和电路开关。同时三极管有三个工作区间，分别是：放大区、饱和区和截止区。这三个区域的工作原理会在后面详细介绍。这里首先介绍的就是交流信号放大、直流信号放大的放大功能，此时三极管工作在放大区。

工作在放大区的三极管需要给发射极设置正向偏置、给集电极设置反向偏置，如图 11所示。

图 11

我们可以换一种角度看这个过程，如果将中间的基极去掉，正偏和反偏的两个电源其实极性是相同的，串联成了一个电压更高的电源。发射极和集电极的半导体性质也是相同的，成为了一整块半导体，于是就退化成了下面这个电路。

图 12

于是可以理解成三极管就是人为的在上述电路中加了一个闸门，用很小的电流I_B可以使闸门打开，形成很大的电流I_C。//这种想法很不错，so现在这个IB怎么产生。当Ube大于0.7V左右时导通

有了以上的知识，同时可以得出三种电流之间的关系式了。

且在放大区状态下工作时有：

测试三极管特征曲线的测试电路如图 14所示。（注：U_BB=U_BE，U_CC=U_CE）

可以看到Ube来决定导通

为什么I_B小电流可以拉出I_C大电流

其实这个问题在之前的介绍中已经有所解释，这里再集中强调一下。在三极管内部的结构如下。

图 17

由于内部结构特性（发射区参杂浓度很高；基区做得很薄且参杂浓度极低；集电区体积较大，参杂浓度介于发射极与基极之间）从而形成了一种特殊的结构，就是基极相当于在一块导体（发射极加集电极）之间加了一层薄薄的阻隔栅，而只需要很小的驱动力（U_BE=0.7V，由于基极很薄，驱动电流也在uA量级）就可以将阻隔栅打开。而一旦打开这层阻隔，真正的驱动电流是由U_CE驱动的。

在放大区，发射极正偏，集电极反偏，Ic主要受Ib控制。

在饱和区，发射结与集电结均处于正向偏置，Ic不再符合βIb了

1-3

MOS管的作用，高低电平的切换（比较G,S间的电压差）

对于NMOS而言，我们可以比作NPN，D极接输入，S极接输出。Ug>Us时导通，即DS导通，类似三极管的CE。

　MOS管是电压驱动，按理说只要栅极电压到到开启电压就能导通DS，栅极串多大电阻均能导通。但如果要求开关频率较高时，栅对地或VCC可以看做是一个电容，对于一个电容来说，串的电阻越大，栅极达到导通电压时间越长，MOS处于半导通状态时间也越长，在半导通状态内阻较大，发热也会增大，极易损坏MOS，所以高频时栅极栅极串的电阻不但要小，一般要加前置驱动电路的。

　　MOS管导通特性

　　导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

　　NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

　　PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS.

　另外，我们再来MOS管的开关特性

　　静态特性

　　MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。

　　工作特性如下：

　　※ uGS《开启电压UT:MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于“断开”状态，其等效电路如下图所示。

　　

　　※ uGS》开启电压UT:MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/（RD+rDS）。其中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD·rDS/（RD+rDS），如果rDS《RD，则uDS≈0V，MOS管处于“接通”状态，其等效电路如上图（c）所示。

　动态特性

　　MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图 （a）和（b）分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。

　　

　　NMOS管动态特性示意图

　　当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDCL.所以，输出电压uo要通过一定延时才由低电平变为高电平;当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL.可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为rDS比RD小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。

　　由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。

MOS管与三极管的区别

1. 场效应管的源极S（e）、栅极G(b)、漏极D(c)分别对应于三极管的发射极e、基极b和集电极c，作用相似。
2. 场效应管是电压控制电流器件，场效应管的栅极基本不需要电流；而三极管的基极总是需要一些电流的。所以在希望控制端基本没有电流的情况下应该是一场效应管；而在允许一定量电流时，选取三极管进行放大可以得到较场效应管更大的放大倍数。
3. 场效应管是利用多子导电，三极管是即利用多子又利用少子。少子的浓度收到温度、辐射等外界条件影响场效应管相比于三极管温度稳定性好、抗辐射能力强。
4. 当场效应管的源极和衬底没有连接在一起时，源极和漏极可以互换使用。而三极管的集电极和设计差异很大，不能互换。
5. 场效应管的噪声系数小，在信噪比是主要矛盾时选择场效应管。