第二章半导体器件补充部分课件.ppt

1、第二章第二章-半导体器件半导体器件(补充部补充部分分).半导体的特性半导体的特性半导体：半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。图图 1.1.1硅原子结构硅原子结构(a)硅的原子结构图硅的原子结构图 价电子价电子+4(b)简化模型简化模型本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。体称为本征半导体。将硅或锗材将硅或锗材料提纯便形成单料提纯便形成

2、单晶体，它的原子晶体，它的原子结构为共价键结结构为共价键结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当温度当温度 T=0 K 时，半时，半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将有少数价，将有少数价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子，在原来的共，在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，

3、征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到在一定的温

4、度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 5 价价杂质元素，如磷、锑、砷等杂质元素，如磷、锑、砷等电子浓度多于空穴浓度，即电子浓度多于空穴浓度，即 n p。电子为多数载流子电子为多数载流子，空穴为少数载流子。空穴为少数载流子。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+5+4+4+4

5、+4+4+4+4+4+4二、二、P 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 3 价价杂质元素，如硼、镓、铟等杂质元素，如硼、镓、铟等+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。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构半导体二极管半导体二极管PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 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

6、特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。PN 结，耗结，耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散

7、；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)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 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等

8、于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。1.外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN2.外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)不利于扩散运动，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，

9、漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流散电流，电路中产生非常小的反向电流 IS；空间电荷区空间电荷区反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述：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 结反向偏置结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处结处于于截止状态截止

10、状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零

11、。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫相应的电压叫死区电压死区电压。范。范围称围称死区。死区电压死区。死区电压与材料和温与材料和温度有关，硅管约度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗左右，锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速随着电压的升高，正向电流迅速增大。增大。2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后，当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增反向电流不随电压

12、增加而增大，即饱和；大，即饱和；二极管加反向电压，反二极管加反向电压，反向电流很小；向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)结论：结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；

13、加反向电压时截止，很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。属于非线性器件。双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：三极管有

14、两种类型：NPN 和和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形三极管的结构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常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。型。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)NecNPb二氧化硅二氧化硅e 发射极，发射极，b 基 极，基 极，c 集电极。集电极。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb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

15、NNP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 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：N

16、NPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程 发射区向基区注入电发射区向基区注入电子，形成电子电流子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流空穴，形成空穴电流IEp，因为因为I

17、EnIEp，所以发射，所以发射极电流极电流IEIEn。注入电子在基区注入电子在基区边扩散边复合，形成边扩散边复合，形成复合电流复合电流IBn。集电区收集扩散来的电子，集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流形成集电极电流IC。集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入电子注入复复合合少子漂移少子漂移一、输入特性一、输入特性常常数数 CE)(BEBUUfI (1)UCE=0 时的输入特时的输入特性曲线性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceV/BEUO0CE UIB/A 当当

18、UCE=0 时，基极和发时，基极和发射极之间相当于两个射极之间相当于两个 PN 结结并联。所以，当并联。所以，当 b、e 之间加之间加正向电压时，应为两个二极正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。管并联后的正向伏安特性。1.3.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线(2)UCE 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)VCE1UV/BEUO0CE

19、 UIB/AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特，特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线划分三个区：截止区、划分三个区：截止区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1.截止区截止区IB 0 的的区域。区域。两个结都处于反向偏两个结都处于反向偏置。置。IB

20、=0 时，时，IC=ICEO。硅管约等于硅管约等于 1 A，锗管，锗管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区截止区截止区IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 1543212.放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特点特点：各条输出特性曲各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性放放大大区区集电极电流和基极电流集电极电流和基极电流体现放大作用，即体现放大作用，即BC II 放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管

21、管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特点特点：IC 基本上不随基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失而变化，在饱和区三极管失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE，即，即 UCB=0 时，称时，称临界饱和临界饱和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区判断判断BJTBJT工作状态的关键知识工作状态的关键知识Je零偏或反偏，零偏或反偏，Jc也反偏也反偏BJT截止截止Je正偏正偏放大还是饱和？放大还是饱和？）（锗管约硅管Vu3.07.0V BE先

22、假设饱和求先假设饱和求IBSIBS=ICS/再求再求IB比较比较IB与与IBSIB IBS饱和管压降饱和管压降BJT饱和饱和0.1V)锗管约硅管(V 0.3uCES进而确定进而确定I C 和和UCE VCCVBBRbRc10V2V2K20K+UBE+UCEIBIC题题114（a）：已知三极管：已知三极管=50，UBE 0.7V。试估算电路。试估算电路中的中的IC、UCE，判断工作状态。，判断工作状态。解解:(1)Je正偏，假设正偏，假设BJT饱和导通饱和导通.饱和导饱和导通条件：通条件：BSBII cCESCCCSBSRUVIImA 1.0mA25010 cCCRVbBEBBBRUVImA 0

23、65.0mA207.02(2)求求IB(3)IB IBS放大放大(4)求求IC和和UCEI C IB3.25mAVIRVU5.325.3210CcCCCE1.3.4三极管的主要参数三极管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数共射电流放大系数 BCII 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 BCII 3.共基电流放大系数共基电流放大系数 ECII 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 ECII +1 1或或二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基

24、极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO 小功率锗管小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的约为几微安；硅管的 ICBO 小，小，有的为纳安数量级。有的为纳安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流之间的电流穿透电流穿透电流。CBOCEO)1(II+值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。三、三、极限参数极限参数1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM在在 IC=ICM 时，时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 P

25、CM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区3.极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路：基极开路时，集电极和发射极之间时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。U(BR)CBO：发射极开：发射极开路时，集电极和基极之间路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。安全工作区安全工作区同时要受同时要受 PCM、ICM 和

26、和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区1.3.5PNP 型三极管型三极管放大原理与放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui PNP 三极管电流和电三极管电流

27、和电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP 三极管各极电流三极管各极电流和电压的规定正方向。和电压的规定正方向。PNP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电压电压(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中实际方向与规定正方向相反。计算中UBE、UCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为为负值；输入与输出特性曲线横轴为(UBE)、(UCE)。三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态工作状态工作状态 NPN PNP 特点特点截止状态截止状态E结、结、C结反偏结反偏;VB

28、 VE;VB VE ;VB VC C0 放大状态放大状态E结正偏、结正偏、C结反偏；结反偏；VCVBVEE结正偏、结正偏、C结结 反反偏偏;VCVBVE ;VBVCE结、结、C结正偏结正偏;VBVE ;VBVCVCE=VCES-bce-ebc+0.7V0V+5V 题题113 判断三极管的工作状态判断三极管的工作状态(a)+2V+12V+12V(b)+0.3V0V-5V(e)+11.7V+12V+8V(h)E结正偏，结正偏，c结反偏结反偏放大放大E结反偏，结反偏，c结反偏结反偏截止截止E结反偏，结反偏，c结反偏结反偏截止截止E结正偏，结正偏，c结反偏结反偏放大放大 题题115（a）测得放大电路中

29、测得放大电路中BJTBJT的各极电的各极电位如图所示，试识别管脚，并判断是位如图所示，试识别管脚，并判断是NPNNPN型，型，还是还是PNPPNP型，硅管还是锗管。型，硅管还是锗管。123(+3V)(+9V)(+3.2V)解解:(1)电位居中的是电位居中的是b极极3：是：是b极极 (2)与与b极电位差将近极电位差将近0.3V或或0.7V 的是的是e极极c1：是：是e极极 电位差将近电位差将近0.3V锗管锗管 电位差将近电位差将近0.7V 硅管硅管是锗管是锗管 (3)2：是：是c极极 c极电位最高极电位最高NPN型型 c极电位最低极电位最低PNP型型NPN型型本本 章章 作作 业业 题题113

30、（c）（d）（）（f）（g）题题114 （b）（c）题题115 （b）1.4场效应三极管场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1

31、.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型

32、区(N+)，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道

33、区。主要在沟道区。1.设设UDS=0，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS=UP，耗尽层，耗尽层合拢，导电沟被夹断，合拢，导电沟被夹断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b)UGS 0，在栅源间加负，在栅源间加负电源电源 VGG，观察，观察

34、 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变改变 UGS ，改变了改变了 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

35、不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线三、特性曲线1.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)常数常数 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性UGS=0，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS=UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UP(ID=0 时的时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA1.转移特性转移特性O uGS/VID/

36、mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.漏极特性漏极特性当栅源当栅源 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 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0()1(GSP2PGSDSSD时时当当UUUUII IDSS/VPGSDSUUU ID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 V8P U预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区

37、和击穿可变电阻区、恒流区和击穿区。区。2.漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA图图 1.4.6(b)漏极特性漏极特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS/VUDS=15 V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电

38、阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性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。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道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U

39、GS=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1.结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.8N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2.工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟

40、道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.9(2)UDS=0，0 UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。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

41、，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 UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UT3.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性ID/

42、mAUDS/VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时)三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区(或饱和区或饱和区)、击穿、击穿区。区。UT 2UTIDOUGS/VID/mAO图图 1.4.12(a)图图 1.4.12(b)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+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UG

43、S=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 1.4.14特性曲线特性曲线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、直流参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压夹断电压 UP3.开启电压开启电压 UT4.直流输入电

44、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，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.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。常数常数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫

45、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。一极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.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。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为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

46、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，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS=0V+_ _IDUDSo o+谢谢！