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1、模拟电路全册配套最完整模拟电路全册配套最完整 精品课件精品课件2 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 1.1 半导体和半导体和PNPN结结 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 1.1.1 半导体半导体 1.1.导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。属一般都是导体。 2.绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如 橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。 3.半导体：另有一

2、类物质的导电特性处于导体和绝半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝 缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷 化镓和一些硫化物、氧化物等。化镓和一些硫化物、氧化物等。 1.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为 本征半导体。 1.本征半导体的原子结构及共价键本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一 个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为 硅和锗的原子结构和共价键结构。 图1.1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构 2.本征激发和两种载流子 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越 多。束缚电子脱离共价键成为

3、自由电子后，在 原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数 目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子 空穴对。 1.1.3 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 n 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使 半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三 价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半 导体。导体。 n根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电 子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。 一、一、

4、N 型半导体型半导体(Negative) 在硅或锗的晶体中掺入少在硅或锗的晶体中掺入少 量的量的5 价杂质元素，如磷、锑、价杂质元素，如磷、锑、 砷等，即构成砷等，即构成 N 型半导体型半导体( (电电 子型半导体子型半导体) )。 常用的常用的 5 价杂质元素有磷、价杂质元素有磷、 锑、砷等。锑、砷等。 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4+5 自由电子自由电子 施主原施主原 子子 图 1.1.3N 型半导体 二、二、 P 型半导体型半导体 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如价杂质元素，如 硼、镓

5、、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。型半导体。 +3 空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子 浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴 为多数载流子为多数载流子，电子为，电子为 少数载流子。少数载流子。 3 价杂质原子称为价杂质原子称为 受主原子受主原子。 受主受主 原子原子 空穴空穴 图 1.1.4P 型半导体 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另型半导体，另 一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 一、一、PN 结的形成结的形成 P

6、N 结中载流子的运动结中载流子的运动 1. 扩散运动扩散运动 电子和空穴浓度差形成电子和空穴浓度差形成 多数载流子的扩散运动。多数载流子的扩散运动。 图1.1.5 P型和N型半导体交界处载流子的扩散 1.1.4PN结结 P N 2. 扩散运动形成空间电荷区扩散运动形成空间电荷区 PN 结，耗尽层结，耗尽层 3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负空间电荷区正负 离子之间电位差离子之间电位差 Uho 电位壁电位壁 垒；垒； 内电场；内内电场；内 电场阻止多子的电场阻止多子的 扩散扩散 阻挡阻挡 层。层。 4. 漂移运动漂移运动 内电场有利于内电场有利于 少子运动少子运动漂移

7、。漂移。 图1.1.6 PN结的形成 P N 空间电荷区空间电荷区 内电场内电场 Uho 阻挡层阻挡层 5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等结总的电流等 于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。 1. 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态

8、又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。 外电场方向外电场方向 图 1.1.7 PN结外加正向电压 内电场方向内电场方向 耗尽层耗尽层 V R I P N 在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。 2. 外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) ) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用；电场的作用； 外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽； 不利于扩散运

9、动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I ； 由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的 正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态；导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小， 几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于截止状态。结处于截止状态。 综上所述：综上所述： 可见，可见， PN 结具有单向导电性。结具

10、有单向导电性。 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.2.1二极管的结构与符二极管的结构与符 号号 1.二极管的结构和符号二极管的结构和符号 触型触型 图 1.2.1 二极管的结构示意图图 1.2.2 二极管符号 2. 2.常用二极管常用二极管 图图1.2.3 1.2.3 二极管的几种二极管的几种外形外形 1.2.2 二极管的伏安特性和参数二极管的伏安特性和参数 )1(e T S V V II 1.二极管的伏安特性 二极管是由PN结构成的，具有单向导电性。根据理论推 导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示: (1.1) 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10

11、 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死死区区 Vth VBR 图图1.2.4 1.2.4 硅二极管硅二极管2CP102CP10的的 伏安特性伏安特性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA Vth VBR 图图1.2.5 1.2.5 锗二极管锗二极管2AP152AP15的伏的伏 安特性安特性 Uon U(BR) 2.半导体二极管的参数 电子器件的参数是用来表征器件性能优劣和适电子器件的参数是用来表征器件性能优劣和适 用范围的，是合理选择和正确使用器件的依据。用范围的，是合理选择和正确使

12、用器件的依据。 (1) 最大整流电流最大整流电流IF： ：二极管长期连续工作 二极管长期连续工作 时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。 (2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR： ：二极管反向电流急剧增加 二极管反向电流急剧增加 时对应的反向电压值称为反向击穿电压时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR 。 最大反向工作电压最大反向工作电压VRM： ：为安全计，在实际工 为安全计，在实际工 作时，最大反向工作电压作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿一般只按反向击穿 电压电压VBR的一半计算。的一半计算。 (3) 反向电流反向电流I IR R

13、 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最在室温下，在规定的反向电压下，一般是最 大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的 反向电流一般在纳安反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安 ( A)级。级。 (4) 正向压降正向压降VF 二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态定性分析：判断二极管的工作状态 导通导通 截止截止 否则，正向管压降否则，正向管压降 硅硅0 0.60.7V 锗锗0.20.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压的高低或

14、所加电压UD的正负。的正负。 若若 V阳 阳 V阴阴或 或 UD为正，二极管导通（正向偏置）为正，二极管导通（正向偏置） 若若 V阳 阳 V阴阴 ，二 二 极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短 路，路，UAB = 6V。 实际上实际上， UAB低于低于6V一个管压降，为一个管压降，为 6.3或或6.7V 例例1 1： 取取B 点作为参考点作为参考 点，断开二极管，分点，断开二极管，分 析二极管阳极和阴极析二极管阳极和阴极 的电位。的电位。 例例2: 2: 电路如图，求：电路如图，求：UAB 若忽略二极管正向若忽略二极管正向 压降，二极管压降，二极管VD2

15、可看作可看作 短路，短路，UAB = 0 V ，VD1 截止。截止。 VD 6V 12V 3k B A VD2 取取 B 点作点作参考点参考点，V1 阳 阳 = 6 V，V2 阳 阳 =0 V ， ， V1 阴 阴 = V2 阴阴 ，由于 ，由于V2 阳 阳电压高，因此 电压高，因此VD2导通。导通。 1.2.3半导体二极管的型号半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 半导体二极管图片 利用半导体的光敏特性，其反向电流随光利用半导体的光敏特性，其反向电流随光 照强度的增加而上升。无光照时，与普通二极照强度的增加而上升。无光照时，与普

16、通二极 管一样。有光照时，分布在第三、四象限。管一样。有光照时，分布在第三、四象限。 I V 照度增加照度增加 图图1.2.6 光敏二极管的符号和伏安特性光敏二极管的符号和伏安特性 1.2.4 特殊二极管简介特殊二极管简介 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，有正向电流流过时，发出一定波长范围的光， 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光， 它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般 二极管高，电流为几二极管高，电流为几 几十几十mA 图1.2.7 发光二极管符号 发光类型：发光类型： 可见光：红、黄、绿

17、可见光：红、黄、绿 显示类型：显示类型： 普通普通 LED ， 不可见光：红外光不可见光：红外光 点阵点阵 LED七段七段 LED , 3. 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特稳压二极管是应用在反向击穿区的特 殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与 硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二 极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应 用电路如图用电路如图1.2.8所示。所示。 图图 1.2.8 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 (a)符号符号 (b) 伏安特性

18、伏安特性 (c)应用电路应用电路 (b) (c) (a) 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电 阻。阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管 ；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该 电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压 管的工作电流，从而起到稳压作用。管的工作电流，从而起到稳压作用。 例例1：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用 RL ui uO R DZ i iz iL UZ 稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数

19、据为：稳压值U UZ Z=10V=10V，I Izmax zmax=12mA =12mA， I Izmin zmin=2mA =2mA，负载电阻，负载电阻R RL L=2k=2k ，输入电压，输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻，限流电阻 R=200 R=200 ，求，求iZ。 若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k - 4 - 4 k k ，是否还能稳，是否还能稳 压？压？ RLui uO R DZ i iz iL UZ 解：解：iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ =

20、 i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA） 负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起稳压作用所以稳压管仍能起稳压作用 1.3.1 1.3.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构 1.3.2 1.3.2 半导体三极管电流放大作用半导体三极管电流放大作用 1.3.3 1.3.3 半导体三极管的特性曲线半导体三极管的特性曲线 1.3.4 1.3.4 半导体三极管的参数半导体三极管

21、的参数 1.3.5 1.3.5 半导体三极管的型号半导体三极管的型号 1.3 半导体三极管 1.3.1半导体三极管的结构半导体三极管的结构 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。 图图1.3.1三极管的结构三极管的结构 ( (a) )平面型平面型( (NPN) ) ( (b) )合金型合金型( (PNP) ) eb b e c P N P e 发射发射 极，极，b基基 极，极，c 集电极。集电极。 N c N P 二氧化硅二氧化硅 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 基区基区 发射区发射区 集电区集电区 图 1.3.2三极管结构示意图

22、和符号（NPN 型） e c b 符号符号 集电区集电区 集电结集电结 基区基区 发射结发射结 发射区发射区 集电极集电极 c 基极基极 b 发射极发射极 e N N P 集电区集电区 集电结集电结 基区基区 发射结发射结 发射区发射区 集电极集电极 c 发射极发射极 e 基极基极 b c b e 符号符号 N NP P N 图 1.3.3三极管结构示意图和符号（PNP 型） 2.1.22.1.2半导体三极管电流放大作用半导体三极管电流放大作用 一、三极管内部结构要求：一、三极管内部结构要求： 1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。 2.基区做得很薄，通常只有几微米到几十微米，掺杂较少。基区做得很

23、薄，通常只有几微米到几十微米，掺杂较少。 三极管放大的外部三极管放大的外部 条件：条件：外加电源的极性外加电源的极性 应使发射结处于正向偏应使发射结处于正向偏 置状态，而集电结处于置状态，而集电结处于 反向偏置状态。反向偏置状态。 3. 集电结面积大。集电结面积大。 b UBB UCC 2.1.22.1.2半导体三极管电流放大作用半导体三极管电流放大作用 半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏 置电压。置电压。 若在放大工作状态：发射结外加正向电压，集电若在放大工作状态：发射结外加正向电压，集电 结外加反向电压。结外加反向电压。 现以 NPN型三极

24、 管的放大状态为例，来 说明三极管内部的电流 关系， 见图1.3.4。 图图 1.3.4 双极型三极管的双极型三极管的 电流传输关系电流传输关系 b e c Rc Rb 二、晶体管内部载流子的运动二、晶体管内部载流子的运动 I E IB 1. 发射结加正向电压，扩散发射结加正向电压，扩散 运动形成发射极电流运动形成发射极电流 发射区的电子越过发射结扩散发射区的电子越过发射结扩散 到基区，基区的空穴扩散到发到基区，基区的空穴扩散到发 射区射区形成发射极电流形成发射极电流 IE ( (基基 区多子数目较少，空穴电流可区多子数目较少，空穴电流可 忽略忽略) )。 2. 扩散到基区的自由电子与扩散到基

25、区的自由电子与 空穴的复合运动形成基极空穴的复合运动形成基极 电流电流 电子到达基区，少数与空穴复电子到达基区，少数与空穴复 合形成基极电流合形成基极电流 Ibn，复合掉的，复合掉的 空穴由空穴由 VBB 补充补充。 多数电子在基区继续扩散，到达多数电子在基区继续扩散，到达 集电结的一侧。集电结的一侧。 图图1.3.5 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动(1) b e c I E I B Rc Rb 3.集电结加反向电压，漂移集电结加反向电压，漂移 运动形成集电极电流运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区集电结反偏，有利于收集基区 扩散过来的电子而形成集电极扩散过来的电子

26、而形成集电极 电流电流 Icn。 其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。 I C 另外，集电区和基区的少另外，集电区和基区的少 子在外电场的作用下将进子在外电场的作用下将进 行漂移运动而形成反向饱行漂移运动而形成反向饱 和电流，用和电流，用ICBO表示。表示。 ICBO 图图1.3.5 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动(2) 三、晶体管的电流分配关系三、晶体管的电流分配关系 b e c e R c R b IE p ICB O IE I C I B IE n IB n ICn IC = ICn + ICBO IE=ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp IE

27、 =IC+IB 图1.3.6 晶体管的电流传输关系 图图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流晶体管内部载流子的运动与外部电流 IB=IEP+ IBNICBO IBN ICBO 四、晶体管的共射电流放大系数四、晶体管的共射电流放大系数 CBOB CBOC II II CEOBCBOBC )1 ( IIIII 整理可得：整理可得： ICBO 称反向饱和电流 ICEO 称穿透电流 1、共射直流电流放大系数、共射直流电流放大系数 BC II BE I1I）（ 2、共射交流电流放大系数、共射交流电流放大系数 B C I I VCC Rb + VBB C1 T IC IB C2 Rc + 图图1.3

28、.7 共发射极接法共发射极接法 1.3.3半导体三极管的特性曲线半导体三极管的特性曲线 iB=f(uBE) UCE=const 图图1.3.8 晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线 (1) 当当uCE=0V时，相当于时，相当于 发射结的正向伏安特性发射结的正向伏安特性 曲线。曲线。 (2) 当当uCE1V时，时， uCB= uCE - uBE0，集电结，集电结 已进入反偏状态，开始已进入反偏状态，开始 收集电子，基区复合减收集电子，基区复合减 少，在同样的少，在同样的uBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。 一一. 输入特性曲线输入特性曲线 uCE = 0V uCE 1V

29、uBE /V iC=f(uCE) IB=const 图图1.3.9 晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 二、输出特性曲线二、输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域: 放大区：放大区：iC平行于平行于uCE轴的区域，曲轴的区域，曲 线基本平行等距。此时，发射结正线基本平行等距。此时，发射结正 偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。 截止区：截止区：iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0 的曲线的下方。此时，的曲线的下方。此时， uBE小于死小于死 区电压，集电结反偏。区电压，集电结反偏。 饱和区：饱和区：iC明显受明显受uCE控制的区域，控制的区域， 该区域内，一般

30、该区域内，一般uCE0.7V(硅管硅管)。 此时，发射结正偏，集电结正偏或此时，发射结正偏，集电结正偏或 反偏电压很小。反偏电压很小。 1.3.4半导体三极管的参数半导体三极管的参数 半导体三极管的参数分为三大类半导体三极管的参数分为三大类 ：直流参数：直流参数 交流参数交流参数 极限参数极限参数 （以（以共发射极放大电路为例）共发射极放大电路为例） 一、直流参数（一、直流参数（直流电流放大系数）直流电流放大系数） =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 二、交流参数（交流电流放大系数二、交流参数（交流电流放大系数 ） = iC/ iB UCE=const 1.最大集电极耗

31、散功率最大集电极耗散功率PCM PCM= iCuCE 三、三、 极限参数极限参数 2.最大集电极电流最大集电极电流ICM 3. 反向击穿电压反向击穿电压 UCBO发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。 U EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 UCEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 U UCBOUCEOUEBO 1.3.5 1.3.5 半导体三极管的型号半导体三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命

32、名如下: : 3 D G 110 B 第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管 用字母表示材料用字母表示材料 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格 三极管三极管 1.4 1.4 场效应半导体三极管场效应半导体三极管 n1.4.1 结型场效应三极管 n1.4.2 绝缘栅

33、场效应三极管 n1.4.3 场效应三极管的主要参数 n1.4.4 双极型和场效应型三极管的比较 P沟道沟道 N沟道沟道 增强型增强型 耗尽型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 （耗尽型）（耗尽型） FET 场效应管场效应管 JFET 结型结型 MOSFET 绝缘栅型绝缘栅型 (IGFET) 1.4场效应三极管场效应三极管 场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场 效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管 S N 符符 号号 1.4.1结型场效应管结构结型场效应管结

34、构 图图1.4.1 N 沟道结型场效应管结构图和符号 N 型型 沟沟 道道 N型硅棒型硅棒 G（栅极）栅极） （源极）（源极） D（漏极）漏极） P+P+ P 型区型区 耗尽层耗尽层 导电沟道是导电沟道是 N 型的，称型的，称 N 沟道结沟道结 型场效应管。型场效应管。 P 沟道场效应管沟道场效应管 图1.4.2 P 沟道结型场效应管结构图和符号 N+N+ P 型型 沟沟 道道 G S D 导电沟道为导电沟道为 P 型，多数载型，多数载 流子为空穴。流子为空穴。 符号符号 G D S 一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管用改变沟道结型场效应管用改变 UGS 大

35、小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 ID 的。的。 (VCCS) 在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电 沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极减小，反之，漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 耗尽层的宽度改变主要在沟道区。耗尽层的宽度改变主要在沟道区。 1. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用 UGS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽 层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相 应变窄。应变窄。 图图1.4.3 UDS

36、 = 0 时，时， uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 ID = 0 G D S N 型型 沟沟 道道 P+P+ ( (a) ) UGS = 0 UGS = 0 时，耗尽时，耗尽 层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟 比较宽比较宽 当当 UGS = UGS（ （Off)，耗尽层 ，耗尽层 合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断. ID = 0 G D S P+P+ N 型型 沟沟 道道 ( (b) ) UGS(off) UGS UGS（ （Off) ， ，iD 较大较大。 图图1.4.4 UDS 对导电沟道的影响（对导电沟道的影响（1） G D S P+ N iS iD P+P+VDD VGG

37、 uGS UGS（ （Off) ， ，iD 更小。更小。 G D S N iS iD P+P+ VDD 注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。 ( (a) ) ( (b) ) uGD uGS uDS G D S P+ N iS iD P+P+ VDD VGG uGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 图1.4.4 UDS 对导电沟道的影响（2） uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变 G D S iS iD P+ VDD VGG P+P+ ( (1) ) 改变改变 uGS ， ，改变了 改变了

38、PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场效应管；，故称场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。 ( (c) )( (d) ) 3. 3.当当u uGD GD u uGS(off) GS(off), ,时， 时， , , u uGS GS 对漏极电流 对漏极电流i iD D的控制作用的控制作用 场效应管用低频跨导场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流 的控制作用。的控制

39、作用。 场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。 在在u uGD GD u uGS GS u uDS DS u uGS(off) GS(off)时 时, , 即当即当u uDS DS u uGS GS - -u uGS(off)GS(off) 对应于不同的对应于不同的u uGS GS ， ，d-sd-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。 (2)(2)当当u uDS DS使 使u uGD GD u uGS(off) GS(off)时， 时，d-sd-s之间预夹断之间预夹断 (3)(3)当当u uDS DS使 使u uGD GD u uGS(off) GS(off)

40、时， 时， i iD D几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于u uGS GS ， ， 而与而与u uDS DS 无关。此时， 无关。此时， 可以把可以把i iD D近似看成近似看成u uGS GS控制的电流源。 控制的电流源。 二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线 1 .输出特性曲线输出特性曲线(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) ) 当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 iD 与漏源与漏源 之间电压之间电压 uDS 的关系，即的关系，即 常数 GS )( DSDU ufi iD/mA uDS /V O UGS = 0V - -1 -

41、 -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8 P U 漏极特性也有三个区：可漏极特性也有三个区：可 变电阻区、恒流区和夹断变电阻区、恒流区和夹断 区。区。 图1.4.5 漏极输出特性曲线 2. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) ) 常数 DS )( GSDU ufi O uGS iD IDSS UGS(off) 图 1.4.6转移特性 uGS = 0 ，iD 最大；最大； uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小； uGS = UGS(off) ， ，iD 0。 。 1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为金

42、属由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物氧化物-半半 导体场效应管，或简称导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。场效应管。 N 沟道沟道 类型类型 P 沟道沟道 增强型增强型 耗尽型耗尽型 增强型增强型 耗尽型耗尽型 UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管； UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。 一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构 图 1.4.7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图 S G D B P 型衬底型衬底 N+N+ B GSD

43、 SiO2 源极源极 S 漏极漏极 D 衬底引线衬底引线 B 栅极栅极 G 1. 工作原理工作原理 ( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个漏源之间相当于两个 背靠背的背靠背的 PN 结，无论漏结，无论漏 源之间加何种极性电压，源之间加何种极性电压， 总是不导电。总是不导电。 S B 图图1.4.8 UGS = 0时等效符号时等效符号 D ( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) ) 导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。 b. UDS= UGS UT， UGD = UT 靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。靠近漏极沟道达到临界开

44、启程度，出现预夹断。 c. UDS UGS UT， UGD UT 由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电 沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变， iD因而基本不变。因而基本不变。 a. UDS UT D P型衬底型衬底 N+N+ B GS VGG VDD P型衬底型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD P型衬底型衬底 N+N+ B GSD VGG VDD 夹断区夹断区 图图 1.4.10UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 ( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对

45、应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。 此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。 二、二、 特性曲线特性曲线 1.1.输出特性输出特性 三个区：可变电三个区：可变电 阻区、恒流区阻区、恒流区( (或饱或饱 和区和区) )、夹断区、夹断区。 图 1.4.11 输出特性曲线 iD/mA uDS /V O TGS UU 预夹断轨迹预夹断轨迹 恒流区恒流区 可变可变 电阻区电阻区 夹断区。夹断区。 UGS增加增加 2.2.转移特性转移特性 UGS UT 时时) ) UT 2UT IDO uGS /V iD /mA O 图 1.4

46、.12 转移特性曲线 二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管 P型衬底型衬底 N+N+ B GSD + 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些 正离子电场在正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反型层反型层”。 当当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形 成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。 + 当当VGS0时，将使时，将使 ID进一步增加。进一步增加。VG

47、S0 时，随着时，随着VGS的减小漏的减小漏 极电流逐渐减小，直至极电流逐渐减小，直至 ID=0。对应。对应ID=0的的VGS 称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号 VGS(off)表示，有时也表示，有时也 用用VP表示。表示。 图 1.4.13 耗尽型 MOS 管的结构和符号 S G D B N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 管特性管特性 iD/mA uGS /VOUP ( (b) )转移特性转移特性 IDSS (a)(a)输出特性输出特性 图 1.4.14 耗尽型 MOS 管的输出特性和转移特性 iD/mA uDS /V O +1V UGS=0 3 V 1 V 2 V 4 3 2 1

48、51015 20 1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数 一、直流参数一、直流参数 1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 2. 夹断电压夹断电压 UP 或或UGS(off) 3. 开启电压开启电压 UT 或或UGS(th) 4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS 为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。 为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。 为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。 输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，以上， 绝缘栅场效应管更高，一般大于绝缘栅场效

49、应管更高，一般大于 109 。 二、交流参数二、交流参数 1. 低频跨导低频跨导 gm 2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的控的控 制作用。制作用。 常数 DS GS D m U u i g 单位：单位：iD 毫安毫安( (mA) )；uGS 伏伏( (V) )；gm 毫西门子毫西门子( (mS) ) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、 Cgd、Cds。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。 一般为几个皮法。一般为几个皮法。 三、极

50、限参数三、极限参数 3. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM 2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS 4. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为 热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。 当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若 UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击 穿的情况类似，属于破坏性击