双极晶体管是什么？MOS FET和CMOS的关系？

“晶体管”现在可以分为多种类型，每种类型的晶体管都具有不同的功能和结构，例如FET、MOS FET、CMOS等就是我们普遍遇到的晶体管。当然，这些晶体管都属于有源器件，主要用于电压/信号的放大和作为开关器件控制电路。

晶体管是一种半导体元器件，可以作为放大器件，放大电路中的电压、信号，或在电子电路作为一种开关器件来控制相应电路信号/电压的开断。在我们传统的器件上，信号，电压的放大通常是使用真空管进行的，但是这种真空管的特点是物理尺寸大，功耗高，不利于电子设备的小型化。

而随着 1947 年美国贝尔实验室晶体管的发展，电子设备将发生巨大的变化。第一个晶体管被称为点接触晶体管，但第二年发明了电流双极型晶体管，极大地促进了设备的小型化、高精度、高效率、低功耗。

自从1968 年引入CMOS 技术后，也就是回来的单极晶体管，这种易于集成的晶体管逐渐成为主流，但正如最初介绍的那样，双极晶体管也有，用途也相对较多。而两者的区别如下：

1、从名称上看，双极型晶体管全称为双极性结型晶体管，俗称三极管，而单极型晶体管叫做场效应管，简称FET，有所区别。

2、从结构制程上看，双极型晶体管是由三部分掺杂程度不同的半导体制成，而单极型号晶体管的典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的N型单晶半导体作为基区。

3、从工作原理上看，双极晶体管有两种载流子（空穴和电子）参与导电，而单极晶体管工作时候只有一种载流子（多子）参与导电。

半导体可分为p型和n型，简单地说，p型半导体有空穴，它缺乏电子。相反，n型半导体有过剩的自由电子。二极管和晶体管结合使用p型和n型半导体，但双极晶体管采取pnp或npn等结果。这被称为PNP 半导体或 NPN 半导体。而端子从每一个出来，一个叫做发射极，另一个是集电极，中间夹着半导体的中间端子叫做基极。

发射极发射自由电子，旨在安装在集电极侧的空穴中。无论是 PNP 还是 NPN，仅通过从发射极或集电极施加电压就不会产生电流。这是因为在PNP晶体管的情况下，当从发射极侧施加正向电压时，在P型半导体和N型半导体之间形成耗尽层。

但是，通过对基极施加正电压，从基极侧供给自由电子，空穴向集电极侧移动而不会被N型半导体捕获，结果电流可以流动。在NPN晶体管的情况下，当从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型半导体的空穴结合，P区和N区之间的耗尽层便会形成。

然而，当从基极施加正电压时，自由电子流向基极侧，剩余的自由电子流向集电极侧，因为p型半导体的空穴不适合。这是因为中间的半导体是极薄的薄膜，并且电流流动。由于这种机制，向基极施加电压有时称为“偏置”。所以，NPN晶体管是主流市场的原因也是这个。

此时，从基极流出的自由电子为电流创造了一条通路，因此有时也称为“基极电流”，但基极电流即使是非常微弱的信号也能起到上述作用。此外，它不仅承载电流。由于发射极侧和集电极侧的载流子一起发射，因此信号被放大。

这就是晶体管的主要原理和机理，基极和发射极为PN结，结构与二极管相同。因此，为了使基极电流从基极偏置并允许基极电流流动，需要将基极电压保持在比发射极电压高 0.6 至 0.7V。这里产生的电位差称为结饱和电压，是开/关切换操作的原理。

三、双极晶体管的特点及应用

要了解双极型晶体管的特性，将其与 MOS FET 和 CMOS 等单极型晶体管进行比较更容易。就可以知道双极型晶体管相对单极型晶体管而言很容易获得增益（增益：即输入/输出电压的比值）。

如上所述，晶体管是放大电流和信号的元件，在需要高放大系数的电路中使用双极型晶体管可以更有效的得到所需的增益。然而，虽然可以放大微小信号，但电流至少足以操作晶体管是必不可少的。与单极晶体管一样，即使集电极电压发生变化，集电极电流也具有保持恒定的特性，这种特性称为恒流特性。

双极晶体管在高频操作方面也很出色。如今，数字电路正变得越来越主流，但许多电路都在高频下工作。在这种情况下，可能会出现电磁噪声，但其具有高噪声特性并且对此类电路有效。另一方面，因为它是电流驱动的，它比电压驱动的单极晶体管消耗更多的功率。此外，可以说单极晶体管在开关速度和尺寸减小方面更胜一筹。例如，放大器、石英钟和RTC（实时时钟）等振荡电路、温度传感器、静电放电处理等。

单个的NMOS或者PMOS，我们都可以说是Mosfet，从单个器件的角度去看当然会有有截止区，饱和区，电阻区。可以简单的理解为NMOS和PMOS的组合叫CMOS。CMOS更多的是从电路的角度考虑输入输出特性，没有截止区，饱和区，电阻区这种说法，在数电中更多关心的是其导通与截止。

最开始的芯片中只有NMOS或者PMOS，但是这些芯片都有一个缺点，门电路功耗很大，后来人们发现将NMOS和PMOS组合在一起做成的门电路功耗很小，所以现在由单种NMOS或者PMOS做的数字芯片几乎绝迹。