芯片核心元件晶体三极管是怎样放大信号的?
2020-05-21 11:49
来源:世界人工智能大会官网

三极管是一类重要的核心元器件,分为电子三极管和晶体三极管。出现最早的是电子三极管,由李.德.弗雷斯特 De Forest Lee )在1906年发明,41年后(1947年),贝尔实验室的三位科学家肖克利、巴丁和布拉顿,联合发明晶体三极管。

 

两种三极管的发明,完美演绎了后浪拍死前浪的科技淘汰律,现在,电子三极管基本被淘汰出局,现在属于晶体三极管的天下。晶体三极管被誉为20世纪最重要的发明,其重要性堪比原子弹,肖克利等三人因此获得1956年诺贝尔物理学奖。

电子三极管发明人李.德.弗雷斯特 De Forest Lee 

 

从后来的发展情况看,晶体三极管已经成为芯片的核心元件,而芯片又是现代信息社会的基石,足见诺贝尔物理学奖没有颁错人。

 

晶体三极管的一个重要作用是能放大信号,那么,它是如何做到的呢?

 

晶体三极管的类型多如过江之鲫,下面以N沟道型MOS三极管(简称NMOS三极管)为例说明。

 

NMOS三极管的基本结构是,在P型硅半导体基材表面设计有岛状N+型区域,输入电子的N+型区域叫“源”,排出电子的N+型区域叫“漏”,在源和漏两区域之间的P型硅半导体基材表面设有二氧化硅绝缘膜,这一绝缘膜叫“栅绝缘膜”。在栅绝缘膜上设有栅电极,简称“栅极”,同时分别在“源”和“漏”上也分别引出电极,即“源极”和“漏极”。

 

同时在P型硅半导体基材上也引出电极,简称基板电极。

 

为方便理解NMOS三极管的放大效应,我以大家熟知的水龙头作类比。一般水龙头有三个结构,进水管(相当于源极),水龙开关(相当于栅极),出水管(相当于漏极)。水龙头关闭后,我们拧水龙开关,开始几圈,出水管不会有水流出,但拧的圈数多了,出水管会有水流出,继续拧开关,出水管的水流会随之大幅增加。

 

NMOS三极管的放大效应与水龙头排水类似。

当源极有电子涌入时,栅极的电压会升高(相当于开始拧水龙开关),但漏极并不会有电流(相当于出水管没有水流出),随着栅极的电压升高到某一值(即阈值电压,threshold voltage),源区与漏区之间的半导体基材表面会立即形成电子沟道,电子随之从源极向漏极运动,这个过程相当于水龙开关拧到某一圈(阈值电压)时,刚好让水开始通过。

 

此后,随着栅极电压的继续升高,漏极的电流随之增加,这就是晶体三极管的放大原理。

 

可以看出,晶体三极管的工作原理有两大特点:

1. 

源极电压影响栅极电压,栅极电压影响漏极电流大小;

2. 

3. 

只有栅极电压达到阈值电压并继续升高时,漏极电流才会增大,产生放大作用;

4. 

 

晶体三极管的电流-电压之间的关系详见下图。

感觉晶体三极管放大原理比较难懂的网友,记住水龙头控制水流的原理即可以理解:刚开始拧水龙头开关,不会有水通过;拧到一定圈数,出水管有水出现,此时随着拧动开关圈数的增加,出水管的出水量也增加。

 

最后特别说明一下,电子的运动方向和电流方向相反(中学物理知识),所以电子从源极向漏极运动,电流却是从漏极流向源极,这就是源极要接地的原因。