什么是晶体管的工作原理

浅析单电子晶体管工作原理与仿真分析

摘要： 采用电子束光刻技术和反应离子刻蚀等工艺，在p型simox硅片上成功地制备了一种单电子晶体管。提供了一种制备量子线和量子点的工艺方法，在器件的电流、电压特性上可观测到明显的库仑阻塞效应和单电子隧穿效应。

关键词：单电子晶体管 原理 仿真分析

单电子晶体管(set)被认为是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件，因为这种晶体管工作仅需要很少的电子，所以具有极低的功耗和极高的开关速度。单电子晶体管有良好的应用前景，不仅在高灵敏度测量方面有着别的器件无法比拟的优越性，且在数字电路方面有望开发g-t级的随机存储器和高速数字处理器.研究表明，应用传统半导体工艺和材料可以制造单电子电荷效应的存储器。augke等人最近的工作表明可以用与cmos技术相兼容的工艺制造硅掺杂单电子晶体管，而且掩膜的几何形状和掺杂浓度对晶体管的性能有影响.使用cmos技术制造单电子晶体管，使得单电子电路向工业化制造迈出一大步。目前，单电子晶体管有两种实现方案，即金属-绝缘体型和半导体型，不管是哪一种类型的set，其基本部分是由介观尺度(纳米)的量子点和隧道结以及与之相连的宏观外电极和电源组成，它们都可以等效为一对势垒中间有一个库仑岛的物理模型。库仑岛和势垒的尺寸和性质对单电子晶体管的性质有很大影响，verbrugh等人就曾对单电子晶体管的库仑岛尺寸进行优化。 1.set的基本结构和工作原理

1.1基本结构

set从宏观结构上来看与mosfet相似，它是由源极、漏极、栅极和衬底组成，但其内部结构却与mos-fet完全不同。库仑岛与周围绝缘，栅极用来调节库仑岛的电化学势即控制岛中电子数目，漏源间距离一般为1μm左右，这样的结构可以完全抑制泄漏电流。两个电极与库仑岛之间分别形成一个隧道结(即势垒阻挡层)。因此，set可视为一个栅控串连双隧道结器件。

1.2 set的工作原理

由于set是纳米电子器件，因此量子效应是其工作的基础。主要体现在如下3个方面：

晶体管工作原理

晶体管工作原理 

利用半导体的特性，每个管子工作原理个不同，你可以找机电方面的

书看下。下图中的S是指源极（Source），D是指漏极（Drain），G是栅极

（Gate）。晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”

和“1”。 

源极和漏极之间是沟道，当没有对栅极（G）施加电压的时候，沟道

中不会聚集有效的电荷，源极（S）和漏极（S）之间不会有有效电流产生，

晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”。 当对栅极（G）

施加电压的时候，沟道中会聚集有效的电荷，形成一条从源极（S）到漏极

（D）导通的通道，晶体管处于开启状态，可以把这种状态解释为“1”。这样

二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。 

场效应晶体管工作原理

场效应晶体管，英语名称为Field Effect Transistor，简称为场效应管，

是一种通过对输入回路电场效应的控制来控制输出回路电流的器件。可分为

结型和绝缘栅型、增强型和耗尽型、N沟道和P沟道，接下来我们就以N沟

道结型场效应管为例来对场效应管的工作原理进行说明。 

对应于三极管的基极、集电极和发射极，场效应管分别是栅极、漏极

晶体三极管知识

晶体三极管作为重要的半导体器件，其基本结构和工作原理需要掌握。下面具体介绍。

三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn

两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（emitter, E）、基极（base, B）和集

极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出

npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体，

和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中

性的p型区和n型区隔开。

图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。

三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里

我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区EB极间的pn接

面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管

都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。 EB接面的空乏

区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基

极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，

故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形

下，电洞和电子的电位能的分布图。

三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在

于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例，

射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极

方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时，

会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流

三极管的工作原理

三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP

两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

一、电流放大

下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做

基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都

是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就

是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并

且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电

极电流的变化量是基极电流变 化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫

做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号

加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic

很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以

算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大

后的电压信号了。

二、偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于

三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才

能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可

以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信

号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在

三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这

个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，