二极管

在金属与半导体的接触面上，布朗于年发现了整流作用。整流，即通过改变电压施加方向，使电流呈现出有或无的状态，这种元器件便被称为二极管。二极管专为在特定方向上使电流流动而设计，具有显著的整流作用。

MOS晶体管

这种晶体管以金属-氧化膜-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）结构为基础，因而得名MOS。其典型结构如下：P型Si衬底上分布着两个N型区域，即源极和漏极。这两者之间的P衬底上覆盖着一层氧化膜（通常为SiO2），而其上的N型多晶Si则被称为栅极。当栅极电压VG为0时，源极与P衬底间的氧化膜上会形成势垒，阻止电流在漏极施加电压时通过。然而，一旦施加正的VG电压，这个势垒便会降低，从而在源极和漏极之间形成一条通路，即沟道。在VG为0V时，电流被阻断，处于关闭状态；而施加正VG电压后，电流便开始流动，因此MOS晶体管的功能类似于一个数字开关。实际上，MOS晶体管是构成数字电路和模拟电路不可或缺的元器件。此外，MOS晶体管还具备放大功能。当输入信号Vin施加到栅极时，它会引发电流ID的改变，进而影响输出电压Vout。通过增大负载电阻RL的阻值，我们可以实现信号的显著放大，即使Vin发生微小变化，Vout也会产生大幅变动。正是这一特性，使得MOS晶体管在信号放大方面发挥了重要作用。

能级

原子核周围环绕着电子，由于原子核带正电荷，电子受到吸引并被束缚在其中。这些电子仿佛被关在正电荷形成的“井”里，这个“井”被称为势阱。电子要想从势阱中逃逸，必须获得足够的能量。以Na为例，其原子核周围有个电子，下图展示了其势阱与这个电子的离散能级。能级代表着可能存在的电子的能量位置。在安排这些电子时，我们会从能量最低的位置开始，先放入两个电子，接着第三个电子会进入次低的能级位置。按照这种方式，再依次放入两个电子，然后在第三个能级中放入6个电子，这个能级由三个简并能级组成，每个能级均可容纳两个电子。当放置第个电子时，它会进入距离原子核最远的轨道能级，这个最外层的电子被称为价电子。在原子孤立的情况下，价电子会被势阱所束缚，无法自由移动。

能带、价带、导带与禁带

当两个原子逐渐靠近时，由于原子核及电子的相互作用，原本的能级会分裂成两个。类似地，当多个原子结合形成晶体结构时，原先单一的能级将分裂为众多能级，且随着原子数量的增加，这些能级逐渐连成一片，形成了所谓的能带。价电子所处的能带被称为价带。位于价带之上的能带则被称为导带。而介于价带与导带之间的区域，由于电子数量稀少，被称为禁带，其间的间隙则被定义为能隙。最后，我们来探讨一下绝缘体、半导体和金属之间的区别。绝缘体和半导体都具备禁带，而金属则没有。由于半导体的能隙较小，电子可以通过吸收热能等方式，从价带跃迁到导带。接下来，我们将介绍费米狄拉克分布函数。以金属为例，其价带中的电子分布情况可以用下图（a）来表示，其中颜色深浅反映了处于不同能量E状态的电子数量。可以看出，在能量较低的区域，电子占据的数量较多，而在高能区域，电子占据的数量则相对较少，甚至在能量更高时，该区域是完全空的。图（b）则展示了处于不同能量E的状态被电子占据的概率。这两幅图的纵轴都表示电子的能量，其中虚线EF代表费米能级。横轴f表示的是电子的占有率。费米能级EF对应的是f为/2时的能量。因此，我们可以观察到，在能量较低时，电子的占有率f为，表示该区域被电子完全填充；而随着能量的增加，占有率f会逐渐降低，直至在最高能量位置时，f为0，表示该区域完全没有电子占据。这种电子的占有率变化规律就是费米狄拉克分布函数所描述的。其中，k代表玻尔兹曼常数，而kT的数值大约为26meV。接下来，我们将探讨费米狄拉克分布函数与温度之间的依赖关系，并通过图表进行直观展示。半导体与金属在电阻特性上有所不同。随着温度的升高，金属的电阻会逐渐增大，而在半导体中，这一趋势恰好相反。当温度上升时，半导体的电阻会逐渐减小。这一差异源于两者电子结构的不同。在金属中，电子在绝对零度时即可自由移动，导致电阻在低温时最小。而在半导体中，由于电子与原子核之间的共价键作用，低温状态下半导体内的电子被束缚，无法自由流动。当温度升高时，这些共价键开始断裂，释放出自由电子，使得电流能够流动，电阻也随之降低。这种特性使得半导体在电子设备中具有独特的地位，特别是在温度敏感的应用中。本征半导体，即不含其他种类原子的纯净半导体，其导带中的电子与价带中的空穴以一对一的方式形成，且数量相等。而当半导体中掺杂不同元素时，会形成不同类型的半导体。例如，掺杂后电子数量较多的被称为N型半导体，而空穴数量较多的则被称为P型半导体。通过在硅材料中掺杂砷（As）等元素，会形成接近导带的能级，称为施主能级。在绝对零度时，电子占据这些施主能级，但随温度上升，电子会跃迁至导带，从而形成电流。另一方面，若在硅中掺杂硼（B）等元素，则会在价带附近形成能级，即受主能级。这些受主能级会从价带中捕获电子并产生空穴。

PN结二极管的结构则展示了N型半导体与P型半导体相结合的原理。在N型半导体的基板上，存在一个P型半导体的区域，两者交界处形成了PN结。这种结构使得二极管具有单向导电性，即电流只能在一个方向上流动。正电压V施加于二极管时，电流I会产生，且电流大小随电压以指数函数形式增长，这被称为正向偏置。相反，施加负电压时，电流几乎为零，被称为反向偏置。这种特性使得二极管能发挥整流作用。

接下来，我们来看双极性晶体管的结构。它包含一个P型基极区域，上面有一个高浓度的N型发射极区域。从发射极释放的电子会向基区扩散，并最终被下方的N型集电极收集。双极性晶体管工作的关键在于集电极的存在和基区宽度WB的狭窄。在这样的结构下，发射极注入基区的电子因基区狭窄而复合率极低，能够顺利在基区扩散，并被集电极有效收集。接下来，我们来看看NPN和PNP双极性晶体管的符号。对于PNP双极性晶体管，其发射极是P型，基极为N型，而集电极为P型。这些符号实际上描绘了发射极电流的流向。以PNP双极性晶体管为例，由于发射极向基极注入的是空穴，因此这个方向就代表了发射极电流的流动途径。

MOS晶体管工作原理：

首先，我们来看MOS晶体管的内部结构。在P型衬底上，覆盖着一层氧化膜（SiO2），其上再设置一个被称为栅极的电极，该电极由N型多晶Si制成。在P衬底上，又形成了N+的源极和漏极。当在栅极上施加正电压VG时，Si表面N型的源极与P衬底之间的势垒会降低。借助栅极的作用，源极和漏极之间便可以建立起电子的通道。同时，耗尽层会在源极与P衬底之间、漏极与P衬底之间，以及沟道下方产生。当在漏极上施加正电压VD时，由于电场的作用，电子会发生漂移，从而形成漏极电流ID。随着VG电压的逐渐升高，势垒会进一步降低，导致ID电流逐渐增大。

NMOS与PMOS的区别：

在MOS晶体管中，若电子形成沟道并驱动电流流动，则该晶体管被称为NMOS。而若空穴形成沟道并驱动电流流动，则该晶体管被称为PMOS。值得注意的是，PMOS的掺杂类型与NMOS恰好相反。例如，在N衬底上，源极和漏极被制成P型，而栅极则采用P型多晶Si。当在VG上施加负电压时，正电荷的空穴将从源极流向漏极，从而形成电流。这种电流的方向与NMOS中靠负电荷的电子流动所形成的电流正好相反。接下来，我们来看看NMOS与PMOS的符号表示。图a展示的是NMOS的符号，而图b则清晰地呈现了PMOS的符号。通过这些符号，我们可以更直观地了解两种晶体管的差异。CMOS反相器，如图（a）所示，通过将电阻负载型反相器的电阻替换为PMOS，从而形成了具有独特性质的反相器。这种反相器在电子电路中有着广泛的应用。其工作原理是，输入信号同时作用于NMOS和PMOS的栅极。在PMOS中，源极一侧连接的是Vdd，这种连接方式使得NMOS和PMOS呈现出一种互补的工作模式：任意时刻，两者之中只有一个处于导通状态，另一个则处于截止状态。因此，这种反相器被称为CMOS反相器。通常情况下，输入信号Vin的电压为0V或Vdd。当Vin为0V时，NMOS保持截止状态，而PMOS则进入导通状态，此时输出电压Vout为Vdd。相反，当Vin为Vdd时，NMOS开始导通而PMOS截止，导致Vout为0V。图（b）展示了一种通过开关来替换NMOS和PMOS的电路。在这种配置下，当输入信号为0时，NMOS保持截止而PMOS导通，从而输出高电平信号；而当输入信号为时，则反之。功率半导体，作为能够承受高功率的半导体器件，在多个领域发挥着至关重要的作用。常见的功率半导体包括IGBT、MOSFET、GTR和SCR等，它们能够承受较大的电压和电流，且功率密度更高。正因如此，功率半导体器件在电力、电子、机械等高压大功率电路中占据不可或缺的地位，例如在电动机、逆变器以及新能源汽车等应用中，它们均发挥着举足轻重的作用，确保了电能的高效、稳定和安全传输。

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