长沙理工大学《模拟电子技术》第01章-常用半导体课件.ppt

1、第第一章一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 双极型晶体管1.4 场效应管重点掌握重点掌握内容：内容：（1 1） PNPN结结的原理及特性，的原理及特性，二极管二极管（包括（包括稳压管稳压管）的特性及应用电路分析；）的特性及应用电路分析；（2 2） 晶体管晶体管的工作原理、特性、主要参的工作原理、特性、主要参数及应用电路分析。数及应用电路分析。1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识在物理学中，根据材料的导电能力，将其划分为三类：在物理学中，根据材料的导电能力，将其划分为三类：a. a. 导体：电阻率导体：电阻率1010109 9cmcm的物质

2、；的物质；c. c. 半导体：电阻率介于二者之间的物质；半导体：电阻率介于二者之间的物质；典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是，它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。正离子核正离子核 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此因此,本本征半导体征半导体的

3、导电能力很弱的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。1.1.1 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净、结构完整的半导体晶体化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。当当温度升高温度升高或或受到光照受到光照时，共价键中的束缚电子能量增高，有的电子时，共价键中的束缚电子能量增高，有的电子挣脱原子核的束缚而参与导电，成为挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为这一现象称为本征激发，即，即热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中出现一个空位，称为自

4、由电子产生的同时，在其原来的共价键中出现一个空位，称为空穴。 可见，本征激发同时可见，本征激发同时产生电子空穴对。产生电子空穴对。 外加能量越高（温度外加能量越高（温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。 与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激发在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到和复合同时进行，达到动动态平衡态平衡。电子空穴对的浓。电子空穴对的浓度一定。度一定。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对E自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带

5、正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度温度变化，导电性变化；变化，导电性变化；光照光照变化，导电性变化。变化，导电性变化。导电机制导电机制1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入五价五价杂质元素，例杂质元素，例如如磷，砷磷，砷等，称为等，称为N型型半导体。半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+

6、5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价三价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓硼、镓等。等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子少子浓度浓度与温度与温度有关有关多子

7、多子浓度浓度与温度与温度无关无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层1.1.31.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 少子漂移少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少

8、子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：扩散电流动态平衡：扩散电流 漂移电流漂移电流 总电流总电流02. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动 多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电

9、场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关与温度有关。 PN结加结加正向正向电压时，具有较大的电压时，具有较大的正向正向扩散扩散电流，呈现低电阻，电流，呈现低电阻， PN结结导通导通

10、； PN结加结加反向反向电压时，具有很小的电压时，具有很小的反向反向漂移漂移电流，呈现高电阻，电流，呈现高电阻， PN结结截止截止。 结论：结论：PN结具有结具有单向导电性单向导电性。) 1(eTSUuIi 根据理论分析，根据理论分析，电流方程电流方程为：为：u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为为反向饱和电流反向饱和电流UT kT/q 称为称为温度的电压当量温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 k 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度室温（即室温（即T=300 K）时，）时，UT26

11、 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi3. PN结结的电流方程和伏安特性曲线的电流方程和伏安特性曲线PNPN结的结的伏安特性曲线：伏安特性曲线：电击穿电击穿可逆可逆热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）TeSUuIi IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿SIi1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-二极管的几种外形：二极管的几种外形：二极管按结构分为三大类：

12、二极管按结构分为三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座(3) 平面型二极管：平面型二极管：用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管：面接触型二极管：PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工

13、频大电流整流电路。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：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 1.2.1 半导体二极管的半导体二极管的VA特性曲线特性曲线反向饱和电流反向饱和电流 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V死区死区电压

14、电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线(1) 正向特性正向特性uEiVmA(2) 反向特性反向特性uEiVuA锗锗导通压降导通压降 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V1.2.2 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二极管的作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。最大正向平均电流。(2) 最高反向工作电压最高反向工作电压UR 二极管工作时允许外加的二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过最大反向电压，超过此值此值，二极管二极管可能因反向击穿而损坏。可能因反向击穿而损坏。 (3) 反向电流反向电流I IR

15、R室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在硅二极管的反向电流一般在纳安纳安(nA)级级；锗二极管在；锗二极管在微安微安( A)级级。 (4) 最高工作频率最高工作频率f fM M f fM M是二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，是二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，二极管的单向导电性将不能很好的体现二极管的单向导电性将不能很好的体现。fCZC21C+-当当f很高时，很高时，CZ很小，电容近似短路，二极管很小，电容近似短路，二极管失去单向导电作用。失去单向导电作用。C1.2.3 二极管的模型及近似分析计

16、算二极管的模型及近似分析计算1.二极管的直流模型二极管的直流模型IR10VE1k)1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu 二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型（恒压降模型）串联电压源模型（恒压降模型）DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算mA3 . 9K1V)7 . 010(IIR10VE1k例例1：实际测量值：实

17、际测量值：I=9.32 mA相对误差相对误差00002 . 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 910IR10VE1k串联电压源模型串联电压源模型0.7V例例2：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、串联电压源模型计算电流串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想

18、模型分析。）采用理想模型分析。采用串联电压源模型分析。采用串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如下图右所示，的交流三角波，波形如下图右所示，分别采用理想二极管模型和串联电压源模型分析电路并画出分别采用理想二极管模型和串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管模型采用理想二极管模型 分析。波形如右图所示。分析。波形如右图所示。0-4V4Vuit2V2Vu

19、ot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用串联电压源模型采用串联电压源模型 分析，波形如右图所示。分析，波形如右图所示。+-+UIuREFRiuO例例3 3：图示电路，设二极管是理想的，图示电路，设二极管是理想的，U1U120V20V，U2U215V15V，R1R118k18k，R2R22k2k，R3R325k25k，R4R45k5k，R5R5140k140k，R6R610k10k，通过计算判断图中的二极管是导通还，通过计算判断图中的二极管是导通还是截止？是截止？ 解：U UB B U UA A，故，故D D反偏截止。反偏截止。)( 12656VURRRUA)(5 . 22434VU

20、RRRUC)(5 . 425 . 215 . 2212VURRRUUUBCCB当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工反向击穿状态下，工作电流作电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时，其两端之间变化时，其两端电压近似为常数。电压近似为常数。稳定稳定电压电压1.2.4 稳压二极管稳压二极管稳压二极管是应用在稳压二极管是应用在反向击穿区反向击穿区的特殊二极管的特殊二极管+-DZiuUZIUIzminIzmax反偏电压反偏电压UZ时，时，稳压管反向击穿。稳压管反向击穿。UZ限流电阻限流电阻 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数：参数： (1) (1) 稳定电压稳定电压U UZ

21、 Z 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，下，所对应的反向工作电压。所对应的反向工作电压。(2) (2) 动态电阻动态电阻r rZ Z rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。(3) (3) 最小稳定工作电流最小稳定工作电流I Izminzmin 保证稳压管击穿所对应的电流，保证稳压管击穿所对应的电流，若若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流I Izmaxzmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZI

22、UIzminIzmax2022-6-221.3 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为称为双极型晶体管（双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称简称BJT）。BJT是由是由两个两个PN结结组成的。组成的。图图1.3.1 晶体管的几种常见外形晶体管的几种常见外形1.3.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极CEPNP型型

23、B符号符号:-bceNPN管管-ebcPNP管管BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：基区：较薄，较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：发射区：掺杂浓度较高掺杂浓度较高BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结2022-6-221.3.2 BJT的内部工作原理的内部工作原理（NPN管）管） 三极管在工作时要三极管在工作时要加上适当的直流偏加上适当的直流偏置电压。置电压。若在放大工作状态：若在放大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：由由VBB保证保证集电结反偏：集电结反偏：由由VCC、 VBB保证保证UCB=UCE - UBE 0+

24、UCE UBEUCBNNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区 （1 1）因为发射结正偏，所以发）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子射区向基区注入电子 ，形成了扩形成了扩散电流散电流IEN 。同时从基区向发射区。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电也有空穴的扩散运动，形成的电流为流为IEP。但其数量小，可忽略但其数量小，可忽略。 所以发射极电流所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注入）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复子。少部分遇到的空穴复合掉，形成合掉，形成IBN。所以。所以基极

25、基极电流电流I B I BN 。大部分到达。大部分到达了集电区的边缘。了集电区的边缘。1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI（3）因为集电结）因为集电结反偏，收集扩散到反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，集电区边缘的电子，形成电流形成电流ICN 。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集电结区的另外，集电结区的少子形成漂移电流少子形成漂移电流ICBO。2022-6-222电流分配关系电流分配关系NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定义：定义：ECNIIECII称

26、为共基极称为共基极直流直流电流放大系数电流放大系数ECii称为共基极称为共基极交流交流电流放大系数电流放大系数其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99，近似为，近似为1 1。 定义：定义：BCII称为共射极称为共射极直流直流电流放大系数电流放大系数BCii称为共射极称为共射极交流交流电流放大系数电流放大系数其值一般在几十到几百倍。其值一般在几十到几百倍。 一般有一般有 ， 三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系: IE =IC+IB其中：其中：CBOCEOII)1 (基本关系：基本关系：CBOBIII)1 (CCEOBII 称为穿透电流。称为穿透电流。BIICIE =IC+I

27、B111.3.3 BJT1.3.3 BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法）(1) (1) 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=常数常数+i-uBE+-uBTCE+Ci0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3ViCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时此时发射结正偏，集电结也正

28、偏发射结正偏，集电结也正偏。饱和区饱和区放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，此时，发发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏结反偏。 该区中有：该区中有：放大区放大区截止区截止区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。的曲线的下方。 此时，此时，发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏。截止区截止区 (2)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const BCIIBCII1.3.4 BJTBJT的主要参数的主要参数1.电流放大系数电流放大系数BCII BCii （2 2）共基极电流放大系数：）共基极电流放大系数： ECII ECi

29、i iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取一般取20200之间之间2.31.538A60mA3 . 2BCII40A40)-(60mA)5 . 13 . 2(BCii（1 1）共发射极电流放大系数：）共发射极电流放大系数： 2.极间反向电流极间反向电流 （2）集电极发射极间的穿）集电极发射极间的穿透电流透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射基极开路时，集电极到发射极间的电流极间的电流穿透电流穿透电流 。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 （1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极

30、开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是它实际上就是一个一个PNPN结的反向电流。结的反向电流。其大小与温度有关。其大小与温度有关。 锗管：锗管：I CBO为微安数量级，为微安数量级， 硅管：硅管：I CBO为纳安数量级。为纳安数量级。CBOCEO)1 (II+ICBOecbICEO 3.极限参数极限参数 Ic增加时，增加时， 要下降。当要下降。当 值值下降到线性放大区下降到线性放大区 值值的的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流电流ICM。（1）集电极最大允许电流）集电极

31、最大允许电流ICM（2）集电极最大允）集电极最大允许功率损耗许功率损耗PCM 集电极电流通过集集电极电流通过集电结时所产生的功耗，电结时所产生的功耗， PC= ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM UE ,且且UB - UE 0.5V， UC UB时，晶体管处于放大区。时，晶体管处于放大区。当当UB UE , UB UC时，晶体管处于饱和区。时，晶体管处于饱和区。晶体管晶体管T1T2T3T4基极直流电位基极直流电位UB /V0.71-10发射极直流电位发射极直流电位UE /V00.3-1.70集电极直流电位集

32、电极直流电位UC /V50.7015工作状态工作状态放大放大 饱和饱和 放大放大截止截止当当UB UE , UB UB,且且 UE - UB 0.5V， UC UB时，晶体管处于放大区。时，晶体管处于放大区。当当UB UE , UB UC时，晶体管处于截止区。时，晶体管处于截止区。例例1.3.2 在一个单管放大电路中，电源电压为在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管，已知三只管子的参数如表所示，请选用一只管子，并简述理由。子的参数如表所示，请选用一只管子，并简述理由。晶体管参数晶体管参数T1T2T3ICBO /微安微安0.010.10.05UCEO/V50502015100100解

33、：选用解：选用T2最合适。最合适。2022-6-22半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：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：3DG110B用数字表示同种器件型号的用数字

34、表示同种器件型号的( (生产生产) )序号序号 1.4 场效应管 BJT是一种电流控制器件是一种电流控制器件(iB iC)，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件双极型器件。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N沟道沟道P沟道沟道FET分类分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控）是一种电压控制器件制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它，工作时，只有一

35、种载流子参与导电，因此它是是单极型器件单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。一、结构及工作原理一、结构及工作原理1.4.1 1.4.1 结型场效应管结型场效应管: :NPPG(栅极栅极)S(源极源极)D(漏极漏极)N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS基底基底 ：N型半导体型半导体两边是两边是P区区导电沟道导电沟道PNNG(栅极栅极)S(源极源极)D(漏极漏极)P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSNP耗尽层耗尽层VGGUGSVDDUDS ID +-耗尽层耗尽层

36、NPVGGUGSVDDUDS ID +-工作原理工作原理-+-+1. 输出特性曲线输出特性曲线二、二、JFET的特性曲线的特性曲线)(DSDufi 常数GSU2. 转移特性曲线转移特性曲线)(GSDufi 常数DSU2)()1 (offGSGSDSSDuuIiGSDmuig低频跨导低频跨导GSmDugi1.4.2 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1

37、1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底P型衬底型衬底高参杂浓度的高参杂浓度的N型区型区耗尽层耗尽层二氧化硅二氧化硅当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴将靠近栅极下方的空穴向下排斥向下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用

38、-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 定义：定义：开启电压（开启电压（ UGS(th)）刚刚产生导电沟刚刚产生导电沟道所需的栅源电压道所需的栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UGS(th) ，管子截止，管子截止， uGS UGS(th) ，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作 用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUGS(th)，且固定为某一

39、值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UGS(th) =2V， uGS=4V） （a）uds=0时，时， id=0。（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增到增到ugd=UGS(th)时，沟时，沟道靠漏区夹断，称为道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长， uds增加的部分基本降增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。基本不变。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNV

40、b+DDdVP衬底GGg-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg（3 3）特性曲线）特性曲线输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS) uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。 （b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区夹断区夹断区击穿区击穿区(V)i(mA)DGS=6Vuu=5V

41、GS=4VuGSu=3VGSuDS10V1234Di(mA)1432(V)uGS246 转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出转可根据输出特性曲线作出转移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：UGS(th) 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为曲线的斜率。为曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输

42、出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD2. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

43、 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UGS(off)）导电沟道刚刚消失所需的栅源电压导电沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-sbgdN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i= -1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)= -2VUPGSuUGS(off) 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不完

44、全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。4. MOS4. MOS管的主要参数管的主要参数（1）开启电压）开启电压UGS(th)（2）夹断电压）夹断电压UGS(off)（3）跨导）跨导gm ：gm= iD/ uGS uDS=const （4）直流输入电阻）直流输入电阻RGS 栅源间的等效栅源间的等效电阻。由于电阻。由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015。 本章小结本章小结1半导体材料中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子带负电

45、，空半导体材料中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子带负电，空穴带正电。在纯净的半导体中掺入不同的杂质，可以得到穴带正电。在纯净的半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。2采用一定的工艺措施，使采用一定的工艺措施，使P型和型和N型半导体结合在一起，就形成了型半导体结合在一起，就形成了PN结。结。PN结的基本特点是单向导电性。结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。描述。在研究二极管电路时

46、，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4BJT由两个由两个PN结构成。工作时，两种载流子均参与导电，称为双极型结构成。工作时，两种载流子均参与导电，称为双极型晶体管。晶体管。BJT是一种是一种电流控制电流型电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。电极电流。BJT的特性可用输入特性和输出特性曲线来描述。其性能可用的特性可用输入特性和输出特性曲线来描述。其性能可用一系列参数来表征。一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。5FET分为分为JFET和和MOSFET两种。工作时，只有一种载流子参与导电，两种。工作时，只有一种载流子参与导电，因此称为单极型晶体管。因此称为单极型晶体管。FET是一种是一种电压控制电流型电压控制电流型器件，改变其栅源电器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。压就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性和输出特性曲线来描的特性可用转移特性和输出特性曲线来描述。其性能可用一系列参数来表征。述。其性能可用一系列参数来表征。第1章 作业习题：1.5 1.6 1.8 1.10 1.11 1.12 1.15 1.16