晶体管家族:双极与单极晶体管的深度探秘

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在电子元器件的广袤天地里,晶体管无疑是熠熠生辉的核心存在。双极晶体管和 MOS FET、CMOS 等单极晶体管各具特色,它们的原理、特性与应用深刻影响着电子电路的发展。而在这其中,一个饶有趣味的问题悄然浮现:降压开关稳压器如何使用串联晶体管?这一疑问如同开启神秘之门的钥匙,引领我们深入探究晶体管的奇妙世界。
 
双极晶体管
 
晶体管作为半导体元器件中的关键角色,有着不同的类型和功能。在早期,真空管承担着信号和电压放大等任务,但因其体积大、功耗高,严重阻碍了电子设备的小型化进程。直到 1947 年美国贝尔实验室发明晶体管,电子设备迎来了重大变革。最初的点接触晶体管之后,电流双极型晶体管诞生,极大地推动了设备向小型化、高精度、高效率和低功耗方向发展。尽管 1968 年引入 CMOS 技术后,单极晶体管逐渐成为主流,但双极晶体管依然在众多领域有着重要用途。
 
双极晶体管,全称为双极性结型晶体管,俗称三极管。它由三部分掺杂程度各异的半导体制成,与单极型晶体管在结构制程上存在明显区别。其工作原理基于两种载流子 —— 空穴和电子参与导电。以常见的 NPN 型为例,当在集电极侧施加正向电压时,发射极侧 n 型半导体的自由电子和 p 型半导体的空穴会结合,形成 P 区和 N 区之间的耗尽层。此时,若从基极施加正电压,自由电子流向基极侧,剩余的自由电子则流向集电极侧,从而使电流得以流动。这种机制下,向基极施加电压被称为 “偏置”。而且,由于发射极侧和集电极侧的载流子共同发射,信号能够被放大。基极和发射极之间的 PN 结结构与二极管相同,为了使基极电流从基极偏置并流动,基极电压需比发射极电压高 0.6 至 0.7V,这一电位差就是结饱和电压,也是其开 / 关切换操作的关键所在。
 
双极晶体管具有独特的特点和广泛的应用。与单极型晶体管相比,它更容易获得增益,在需要高放大系数的电路中,如一些音频放大器电路,能够有效地放大微小信号,满足电路对增益的需求。在高频操作方面,双极晶体管表现出色。在现代通信设备中,许多电路工作在高频状态,虽然会产生电磁噪声,但双极晶体管的高噪声特性使其能够有效应对此类情况。不过,它也存在一些不足,由于是电流驱动,相较于电压驱动的单极晶体管,其功耗相对较高。在实际应用中,像石英钟和 RTC(实时时钟)等振荡电路、温度传感器以及静电放电处理等场景,都能看到双极晶体管的身影。
 
再来看 MOS FET 和 CMOS。单个的 NMOS 或 PMOS 都属于 Mosfet,它们各自有截止区、饱和区和电阻区。而 CMOS 则是 NMOS 和 PMOS 的组合,从电路角度考虑输入输出特性,在数字电路中更关注其导通与截止,并不存在像单个 Mosfet 那样的截止区、饱和区和电阻区的说法。早期的芯片仅采用 NMOS 或 PMOS,这些芯片的门电路功耗较大。后来人们发现将 NMOS 和 PMOS 组合在一起形成的 CMOS 门电路功耗极小,这一优势使得如今由单种 NMOS 或 PMOS 制作的数字芯片几乎销声匿迹。CMOS 技术在现代数字电子设备中得到了广泛应用,例如智能手机、电脑处理器等,为设备的低功耗运行提供了有力保障。
 
在电子技术不断发展的今天,双极晶体管、MOS FET 和 CMOS 等晶体管在各自的领域发挥着重要作用。它们的特性和应用相互补充,共同推动着电子设备朝着更小、更高效、更智能的方向发展。无论是在传统的电子电路中,还是在新兴的高科技产品里,这些晶体管都将继续闪耀光芒,为我们的生活带来更多的便利和创新。
 
关键词:双极晶体管
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