晶片核心元件晶體三極體是怎樣放大信號的?水龍頭:看我啦

2020-12-09 魔鐵的世界

三極體是一類重要的核心元器件,分為電子三極體和晶體三極體。出現最早的是電子三極體,由李.德.弗雷斯特 (De Forest Lee )在1906年發明,41年後(1947年),貝爾實驗室的三位科學家肖克利、巴丁和布拉頓,聯合發明晶體三極體。

李.德.弗雷斯特 (De Forest Lee )

兩種三極體的發明,完美演繹了後浪拍死前浪的科技淘汰律,現在,電子三極體基本被淘汰出局,現在屬於晶體三極體的天下。晶體三極體被譽為20世紀最重要的發明,其重要性堪比原子彈,肖克利等三人因此獲得1956年諾貝爾物理學獎。

從後來的發展情況看,晶體三極體已經成為晶片的核心元件,而晶片又是現代信息社會的基石,足見諾貝爾物理學獎沒有頒錯人。

晶體三極體的一個重要作用是能放大信號,那麼,它是如何做到的呢?

晶體三極體的類型多如過江之鯽,下面以N溝道型MOS三極體(簡稱NMOS三極體)為例說明。

NMOS三極體的基本結構是,在P型矽半導體基材表面設計有島狀N+型區域,輸入電子的N+型區域叫「源」,排出電子的N+型區域叫「漏」,在源和漏兩區域之間的P型矽半導體基材表面設有二氧化矽絕緣膜,這一絕緣膜叫「柵絕緣膜」。在柵絕緣膜上設有柵電極,簡稱「柵極」,同時分別在「源」和「漏」上也分別引出電極,即「源極」和「漏極」。

同時在P型矽半導體基材上也引出電極,簡稱基板電極。

為方便理解NMOS三極體的放大效應,我以大家熟知的水龍頭作類比。一般水龍頭有三個結構,進水管(相當於源極),水龍開關(相當於柵極),出水管(相當於漏極)。水龍頭關閉後,我們擰水龍開關,開始幾圈,出水管不會有水流出,但擰的圈數多了,出水管會有水流出,繼續擰開關,出水管的水流會隨之大幅增加。

NMOS三極體的放大效應與水龍頭排水類似。

當源極有電子湧入時,柵極的電壓會升高(相當於開始擰水龍開關),但漏極並不會有電流(相當於出水管沒有水流出),隨著柵極的電壓升高到某一值(即閾值電壓,threshold voltage),源區與漏區之間的半導體基材表面會立即形成電子溝道,電子隨之從源極向漏極運動,這個過程相當於水龍開關擰到某一圈(閾值電壓)時,剛好讓水開始通過。

此後,隨著柵極電壓的繼續升高,漏極的電流隨之增加,這就是晶體三極體的放大原理。

可以看出,晶體三極體的工作原理有兩大特點:

1、源極電壓影響柵極電壓,柵極電壓影響漏極電流大小;2、只有柵極電壓達到閾值電壓並繼續升高時,漏極電流才會增大,產生放大作用;晶體三極體的電流-電壓之間的關係詳見下圖。

感覺晶體三極體放大原理比較難懂的網友,記住水龍頭控制水流的原理即可以理解:

剛開始擰水龍頭開關,不會有水通過;擰到一定圈數,出水管有水出現,此時隨著擰動開關圈數的增加,出水管的出水量也增加。

最後特別說明一下,電子的運動方向和電流方向相反(中學物理知識),所以電子從源極向漏極運動,電流卻是從漏極流向源極,這就是源極要接地的原因。

參考資料:

《集成電路(IC)製程簡論》,作者/田民波

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