1、 第一章第一章 半导体器件的特性半导体器件的特性 1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、本征半导体的导电特性 自然界的各种物质，根据其导电能力的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于104cm的物质称为导体导体，例如铜、铝等金属；电阻率大于109cm的物质称为绝缘体绝缘体，例如橡胶、塑料等；导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体半导体。大多数半导体器件所用材料主要是硅(Si)和锗(Ge)。半导体的导电性能由其原子结构决定。以硅、锗为例。硅的原子序数是14，锗的原子序数是32，它们有一个共同点，即都是4价元素价元素，且都具有晶格结构晶格结构。它们每个原子最外
2、层的价电子，不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现在相邻原子核的最外层轨道上。于是两个相邻原子共有一对价电子，组成共价键共价键，如图所示。纯净的、不含其他杂质的半导体称为本本征半导体征半导体。对于本征半导体来说，由于晶体中共价键的结合力较强，在热力学温度零度(T=0K，相当于273)时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，此时，晶体中没有自由电子。所以，在热力学温度零度时，本征半导体(电阻率约1014cm)不能导电，如同绝缘体一样。当温度升高，例如在室温条件下，将有少数价电子获得足够的能量，克服共价键的束缚而成为自由电子自由电子。此
3、时，本征半导体具有一定的导电能力，但由于自由电子的数量很少，因此它的导电能力比较微弱。当部分价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键中留下一个空位，称为空空穴穴。空穴是半导体区别于导体的重要特征。由于存在空穴空穴这样的空位，附近共价键中的价电子就比较容易填补进来，而在附近的共价键中留下一个新的空位，这个空位又被相邻原子的价电子填补。从效果上看，这种共有电子的填补运动，相当于带正电的空穴在运动一样。为了与自由电子的运动区分,称为空穴运动空穴运动。将物质内部运载电荷的粒子称为载流子载流子。半导体中存在两种载流子两种载流子：带负电的自由电子自由电子和带正电的空穴空穴。物质的导电能力取
4、决于载流子的数目数目和运运动速度动速度。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，成为电子电子空穴对空穴对，因此，两种载流子的浓度是相同的。用 n 和 p 表示自由电子和空穴的浓度，用 ni 和 pi 表示本征半导体中自由电子和空穴的浓度，则有ni=pi。由于物质的热运动，半导体中的电子空穴对不断地产生，同时，当电子与空穴相遇时又因复合而使电子空穴对消失。在一定温度下，上述产生和复合两种运动达到了动态平衡，使电子空穴对的浓度一定。本征半导体中载流子的浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关,且随温度的升高，基本上按指数规律指数规律增加。故本征载流子对温度十分敏感。例如硅材料每升高
5、8,本征载流子浓度增加一倍；对于锗材料每升高12，本征载流子浓度增加一倍。由此可见，温度温度是影响半导体导电性能的一个重要因素。二、杂质半导体的导电特性：本征半导体中虽存在两种载流子，但因本征载流子浓度很低，所以导电能力很差。若在本征半导体中掺入某种特定的杂质，成为杂质半导体杂质半导体，则它们的导电性能将发生显著变化。根据掺杂的不同，杂质半导体可分为N N型型和P P型型两种。1、N型半导体型半导体 如果在硅或锗的晶体中掺入少量的5 5价元素价元素，如磷、砷、锑等，则原来晶格中的某些硅原子将被5价杂质原子代替。由于杂质原子最外层有5个价电子，因此它与周围4个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个
6、电子不受共价键的束缚，只受自身原子核的吸引，这种束缚较弱，在室温条件下即可成为自由电子，如图所示。在这种杂质半导体中，自由电子的浓度将大大高于空穴的浓度，即np。因此这类半导体主要依靠电子导电，故称为电子型半导体电子型半导体或N型半导体型半导体(由于电子带负电，故用Negative表示)，其中的 5 价杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子施主原子。N 型半导体中的自由电子称为多数载流子多数载流子(简称多子多子)，而其中的空穴称为少数载流子少数载流子(简称少子少子)。2、P型半导体型半导体 如果在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素,如硼、镓、铟等，此时杂质原子最外层有3个价电子，因此它与周围
7、4个硅原子组成共价键时，由于缺少一个电子而形成空穴，如图所示。因此，在这种杂质半导体中，空穴的浓度将比自由电子的浓度高的多，即 p n。因此这类半导体主要依靠空穴导电，故称为空穴型半导体空穴型半导体或P型半导体型半导体(由于电子带正电，故用 Positive 表示)，这种3价杂质原子能够产生多余的空穴，起着接受电子的作用，故称为受主原子受主原子。在 P型半导体中多子是空穴，少子是电子。；一、PN结的形成：如果将一块半导体的一侧掺杂成 P型半导体，而另一侧掺杂成 N型半导体，则在交界处将形成一个PN结结(PN junction)。如图所示，当P型与N型半导体结合时，由于P型半导体空穴浓度大，N型
8、半导体中的自由电子浓度大，空穴将由 P区向 N区扩散，自由电子则由N区向P区扩散。进入P区的电子及进入N区的空穴，将发生复合而消失，于是，在交界面两侧形成一个由不能移动的正、负离子组成的空间电荷区空间电荷区，也就是PN结结。由于空间电荷区内载流子因扩散和复合而消耗掉了，因此空间电荷区又称耗尽层耗尽层。空间电荷区的左侧(P区)带负电，右侧(N区)带正电，因此，在空间电荷区产生由N区指向P区的电场，称为内电场内电场。内电场对应的电位差VD称为电位壁垒电位壁垒。内电场的作用是阻止多子的扩散，因此又称空间电荷区为阻挡层阻挡层。而这个内电场却有利于少子的运动，即有利于P区中的电子向N区运动，N区中的空穴
9、向P区运动。通常将少子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动。由此可知，PN结中进行着两种载流子的运动：多子的扩散运动多子的扩散运动和少子的漂移运动少子的漂移运动。扩散运动产生的电流称为扩散电流扩散电流，漂移运动产生的电流称为漂漂移电流移电流。随着扩散运动的进行，PN结的宽度将逐渐增大；而随着漂移运动的进行，空间电荷区的宽度将逐渐减小。达到平衡时，无论电子和空穴，它们各自产生的扩散电流和漂流电流都达到相等，则PN结中总的电流等于零，空间电荷区的宽度也达到稳定。一般PN结很薄(约几微米几十微米)。电位VD的大小，硅硅材料约为(0.6 0.8)V，锗锗材料约为(0.2 0.3)V。二、PN结
10、的单向导电性单向导电性：1、加加正向正向电压，电压，PN结结导通导通：当外电源的正极接正极接P P区，负极接区，负极接N N区区时，PN结加的是正向电压，称为正向偏置正向偏置。此时外电场与内电场的方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄(VD降低)，有利于多子扩散，而不利于少子漂移。扩散电流将大大超过漂移电流,在回路中形成较大的正向电流，称 PN结处导通导通状态，呈现的电阻很小。2、加、加反向反向电压，电压，PN结结截止截止：外电源正极接正极接N区，负极接区，负极接P区区时，PN结加的是反向电压称为反向偏置反向偏置。这时的外电场Eo与内电场Ei方向一致，加强了内电场，空间电荷区变宽，不利于多子
11、的扩散，有利于少子的漂移。漂移电流超过扩散电流。在回路中产生由少子漂移形成的反向电流。因反向电流很小，称PN结处于截止截止状态,呈现很大的电阻。一、二极管的结构 在PN结两端引出相应的电极并加上外壳，就制成一个半导体二极管，如图所示。由P区引出的电极叫正正(或阳阳)极极(A A)，由N区引出的电极叫负负(或阴阴)极极(K K)，符号中的箭头方向表示正向导通(即电流)方向。二极管的种类较多，按其结构结构可分为点接触型点接触型、面接触型面接触型、和平面型平面型等。点接触型二极管结电容小，工作频率高，但不能承受较高的反向电压和较大的电流。这类管子适用于高频检波和脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极
12、管PN结面积大，允许通过较大的电流，但结电容也大，适用于整流等低频电路。平面型二极管结面积较大的可用于整流等低频电路；结面积小的适用于高频检波和脉冲数字电路。按材料材料可分为硅管硅管和锗管锗管。按用途用途分，有整流二极管整流二极管、检波二极管检波二极管、开关二开关二极管极管、发光二极管发光二极管、稳压二极管稳压二极管等。二二、二极管的伏安特性：1、PN结的伏安特性伏安特性 理论证明，流过PN结的电流与PN结两端的电压之间的关系为式中，称为温度的电压当量温度的电压当量，其中k 为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量。在室温室温(300K)时，。()(1)DTvVDR satiIe TVk
13、T q 把式(1.3.1)绘成曲线，称为 PN结的伏安特性曲线，如图所示。图中曲线OA段称为正向特性正向特性，正向电流随电压vD按指数规律增加。图中曲线OC段称为反向特性反向特性，iDIR(sat)，反向电流是一个不随反向电压而变化的常数。当加在PN结的反向电压增大到一定数值，反向电流急剧增大，如图所示BC段，称此现象为PN结的反向击穿反向击穿，对应于电流开始剧增的反向电压，称为击穿电压击穿电压V(BR)。2、二极管的伏安特性伏安特性 二极管的伏安特性曲线可以用逐点测量的方法测绘出来。二极管的伏安特性与PN的伏安特性略有差别,主要是因为：二极管正向偏置时，PN结以外P区和N区的体电阻、电极的接
14、触电阻及引线电阻的存在，使正向电流有所减小；在反向偏置时,由于PN结表面漏电流的存在，使反向电流稍有增大，且随反向电压的增高略有增加。(1)正向特性正向特性 当加在二极管上的正向电压比较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，正向电流几乎为零(OA段)。只有当加在二极管两端的正向电压超过某一数值时，正向电流才明显增大。正向特性上的这一数值(A点)通常称为“门限电门限电压压”或“开启电压开启电压”。开启电压的大小与二极管的材料材料以及温温度度等因素有关。硅硅二极管的开启电压为0.5V左右；锗锗二极管的开启电压为0.1V左右。当正向电压超过开启电压以后，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。
15、二极管正常导通工作时的管压降，硅硅管通常为0.7V，锗锗管0.3V。(2)反向特性反向特性 由图可见，当在二极管上加载反向电压时，反向电流的值很小。且当反向电压超过零点几伏后，反向电流基本不再随着反向电压的增大而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和反向饱和电流电流，用IR(sat)表示。如果使反向电压继续升高，当超过V(BR)以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为二极管的击击穿穿，V(BR)称为反向击穿电压反向击穿电压。(3)反向击穿特性反向击穿特性需说明一点，发生击穿并不意味着二极管被损坏，实际上，当反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(加限流电阻)，不使其过大，以免过热而烧坏二极管，
16、则当反向电压降低时，二极管的性能可以恢复正常。3、二极管的主要参数：、最大正向电流最大正向电流IFM：指二极管长期工作时允许通过 的最大正向平均电流。IFM的数值由二极管温升(PN 结的面积、材料和散热条件)所限定。管子使用时 不应超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。、反向峰值电压反向峰值电压VRM：指二极管在正常使用时，不允 许超过的反向电压的极限值。为确保管子工作安 全，通常反向峰值电压VRM为击穿电压V(BR)的一 半，即 。、反向直流电流反向直流电流IR(sat)：指二极管未被击穿时的反向 直流电流，IR(sat)越小，管子的单向导电性越好。)(21BRMRVV最高工作频率最高工作频
17、率fM三、稳压二极管 1、稳压管的伏安特性伏安特性：当稳压管处于击穿状态时，反向电流的变化量Iz较大时，引起管子两端的电压变化量Vz却很小，说明其具有“稳压稳压”特性。稳压二极管简称稳压管，实质是一个面接触型硅二极管，具有陡峭的反向击穿特性，通常工作在反向工作在反向击穿状态击穿状态。图中Vz表示反向电压，即稳压管的稳定电压。由图可以看出击穿特性越陡，稳压管的动态电阻 rz 越小，稳压性能越好。zzzIVr稳压管除在制造工艺上保证其能在反向击穿状态下长期工作，外部电路还应有限流措施，否则，流过稳压管的电流超过其最大允许电流，稳压管就会因热击穿而损坏。2、主要参数：(1)稳定电压稳定电压Vz：稳压
18、管正常工作时的稳定压值。(2)稳定电流稳定电流 Iz：使稳压管正常工作时的参考电流。(3)动态电阻动态电阻 rz：稳压管正常工作时的电压变化量与 电流变化量之比，即 它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，rz越小稳压性能越好。(4)最大稳定电流最大稳定电流Izmax和最小稳定电流最小稳定电流Izmin 即稳压管的最大和最小工作电流。zzzIVr四、二极管电路1、限幅电路限幅电路 理想二极管理想二极管 理想开关理想开关 二极管限幅电路二极管限幅电路)()(RiRRiioVvVVvvv2、稳压电路稳压电路 稳压原理稳压原理 负载负载RL不变，不变，VI变化变化 VI不变，负载不变，负载RL变化变化 I
19、V oV ZI oVI RVozIIIzoVV ozIVVV LR oI I 不变oVoV ZI I一、晶体管的结构：双极型晶体管简称三极管或晶体管。从结构上看，晶体管相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如图所示。根据PN结的结合方式不同，可分为PNP和NPN两种类型；根据材料的不同，又有硅管硅管和锗管锗管之分。无论是PNP型还是NPN型三极管，均可分为三个区，即发发射区射区、基区基区和集电区集电区。从这三个区分别引出三个电极，即发射发射极极(emitter)e、基极基极(base)b、集电极集电极(collector)c。发射区和集电区都是同类型的半导体(N型或P型)。发射区的掺杂浓度要比集
20、电区大，以便发射更多的载流子；集电区的面积比发射区大，以便收集载流子。基区做的很薄(约几微米几十微米)，且掺杂浓度低，这样形成两个靠的很近的PN结。基区和发射区之间的PN结叫做发射结发射结，基区和集电区之间的PN结叫做集电集电结结。这种结构使基极起着控制多子流动的作用。符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时发射极电流的方向。PNP型和NPN型三极管的工作原理是相同的，现以NPN型三极管为例说明三极管的工作原理。晶体管具有放大作用放大作用和开关作用开关作用，模拟电路部分只讨论放大作用。利用晶体管的放大作用组成放大器时，晶体管三个电极中一个极作为输入端，一个极作为输出端，还有一个极作为输入和输出的公
21、共端。根据公共端电极的不同，晶体管有三种不同的连接方式：共基极共基极，共共发射极发射极和共集电极共集电极接法。无论那种接法，要使三极管具有放大作用，必须在各电极间加上极性适当的电压(Vc Vb Ve)，使发射结处于正向偏置发射结处于正向偏置，集电结处于集电结处于反向偏置反向偏置。这是三极管实现放大作用的外部条件三极管实现放大作用的外部条件。二、晶体管的放大作用放大作用：1、晶体管内部载流子的运动规律运动规律：(1)发射区向基区发射电子发射区向基区发射电子：当发射结正向偏置时，发射区有大量的电子向基区扩散，形成发射极电流 IE(注：电流方向与电子扩散方向相反)。同时，基区空穴也会扩散到发射区形成
22、空穴电流，它也是IE的组成部分，只不过基区的空穴浓度太低，故空穴电流与电子电流相比，可忽略。(2)电子在基区中扩散与复合电子在基区中扩散与复合：在基区中，同时存在着扩散和复合两种过程，但扩散占优势，复合形成基极电流IB是很小的。(3)集电区收集电子集电区收集电子：集电结反向偏置，使集电结内电场很强，因而它阻止集电区电子向基区扩散，但有利于从发射区扩散到基区的大量电子穿过集电结，从而被集电极收集形成集电极电流 IC。实际上IC还应包括从集电结两边的少子漂移所形成的反向饱和电流 ICBO，但常因其数值很小，可以忽略，但其受温度影响显著。2、晶体管直流电流传输方程直流电流传输方程(1)共基极共基极直
23、流电流传输方程:由发射区传输到集电区的电流ICN与IE之间保持一定的比例，比例系数称为共基极电流放大系数共基极电流放大系数hFB,即：CBOEFBCECBOCECNFBIIhIIIIIIh则 共基极直流电流传输方程)1(CBOEFBBCBOEFBCBCEIIhIIIhIIII由图可得晶体管三个电极的电流关系晶体管三个电极的电流关系：(2)共发射极共发射极直流电流传输方程:虽然共发射极放大电路和共基极放大电路的放大性能各不相同，但管内载流子的运动规律相同，因此，可从前面讨论得到的晶体管三个电极的电流基本关系，导出共射电路的直流电流传输方程。将NPN型三极管按图示电路连接，其中发射极是公共端。输入
24、电流为IB，输出电流为IC，由于IC IB，故共射放大电路有电流放大作用。共发射极共发射极直流电流传输方程：式中ICEO=(1+hFE)ICBO表示基极开路(IB=0)时，集电极到发射极的直通电流，称为穿透电流穿透电流。FBFBFEhhh1CEOBFECBOFEBFEC I I h I h I h I)1(一般ICICEO，可得：BCFEIIh如果取电流变化量，则有 IC=hfeIB，其中hfe叫交流电流放大系数流电流放大系数。这表明基极电流一个小的变化IB，可以引起集电极电流一个大的变化IC。这就是晶体三极管的电流放大作用电流放大作用。需要说明的是，hFE与hfe的含义是不同的，但对大多数三
25、极管，hFE与hfe的数值相差不大，故在计算时，不严格区分。(3)共集电极共集电极直流电流传输方程:共集电极电路中，输入电流为IB，输出电流为IE。故共集电极直流电流传输方程为：CEOBFEEIIhI)1(CBOEFBBBCEIIhIIII)1(CEOBFEEIIhI)1(FBFBFEhhh1CEOBFECBOFEBFEC I I h I h I h I)1(晶体管三个电极的电流关系：CBOEFBCIIhIECBOCECNFBIIIIIh三、晶体管的共射组态共射组态特性曲线：晶体管外部各极电流和电压的关系曲线，称为晶体管的特性曲线特性曲线，特性曲线全面反映了晶体管性能，是分析放大电路的重要依据
26、。对于晶体管不同的连接方式，有不同的特性曲线，下面讨论最常用的是共发射极接法的输入特性和输出特性。测量共射极特性曲线的电路1、输入特性曲线输入特性曲线：是指集电极电压VCE一定时，基极电流IB与基射极电压VBE之间的函数关系曲线，即 如图所示。常数CEVBEBVfI)(对硅管而言VCE1V时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，且基区很薄，可以把发射区扩散到基区的电子绝大部分拉入集电区。此时，再增大VCE，只要VBE不变(从发射区扩散到基区的电子数就一定)，IB也就不在明显减小。就是说，VCE1V后的输入特性曲线基本上是重合的。所以通常只画出VCE1V的一条输入特性曲线就可以了。与二极管(正
27、向特性)一样，晶体管的输入特晶体管的输入特性曲线亦为一指数曲性曲线亦为一指数曲，也有一开启电压，硅硅管约0.5V；锗锗管0.2V)。正常工作时，VBE很小，硅硅管约0.7V(锗锗管的约0.3V)左右。2、输出特性曲线：指基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集射极电压VCE之间的函数关系曲线，即常数BICECVfI)(以IB=20A曲线为例分析：当当VCE从 0V升高到1V，IC 随VCE的升高而很快增加。这是因为VCE很小时，加在集电结的反向电压很小，不能把发射区注入基区的电子大部分拉过去；随着VCE的增大，拉过去的电子急剧增多，IC 迅速增大。当当VCE1V以后，曲线平坦，IC几乎不受的V
28、CE的影响。这是因为VCE增大到一定数值后，已有足够能力将发射区注入基区的电子几乎全部拉过去，VCE再增大，IC几乎不变。此时IC主要由IB决定,与VCE无关，这段特性称为恒流特性恒流特性。若若VCE继续增加,大于某一值时，IC将急剧增大，产生击穿击穿现象。从输出特性曲线还可看出，IB=0(相当于基极开路)时，IC=ICEO 0，这个电流就是在VCE作用下，从c极到e极的漏电流漏电流，也叫做穿透电流穿透电流。通常把晶体管输出特性曲线分为三个工作区三个工作区：A、截止区截止区：即IB0的的区域，图中为IB=0特性曲线下的阴影 部分。该区特点特点：e结和结和 c结均处于反向偏置结均处于反向偏置，晶
29、体管失去 了放大能力；管子处于截止状态，IC=ICEO0；c极和e极 间等效阻抗很大，相当于断开的开关相当于断开的开关。B、放大区放大区：放大区内各条特性曲线比较平坦，近似为水平的 直线，表示当 IB 一定时，IC 的值基本上不随VCE而变化。当基极电流有一个微小的变化量IB时，在集电极相应会产 生较大的变化量IC，比IB 放大hfe倍，即有IC=hfeIB。该区特点特点：e结正向偏置结正向偏置，c结反向偏置结反向偏置，IC随IB变化。C、饱和区饱和区：即图中虚线左边的阴影部分，由各条输出特性曲线 的上升部分构成。此区域内，不同IB值的各条特性曲线基本 上重叠在一起，表明在VCE较小时，管子的
30、集电极电流IC基 本上不随基极电流IB而变化，称为饱和饱和。一般认为，当VCE =VBE，即VCB=0时，三极管达到临界饱和状态，当VCE VBE时称为过饱和过饱和。三极管饱和时的管压降记为VCES。该区 特点特点:e结和结和c 结均处于正向偏置结均处于正向偏置，晶体管失去了放大能力；此时三 极管的饱和管压降VCES很小(一般 小功率硅管的VCES 0.4V)；c极 和e极间相当于接通的开关相当于接通的开关。四、晶体管的主要参数：1、电流放大倍数电流放大倍数：常数CEVBCFEIIh常数CEVBCfeIIh低频时hfe值不变，记为hfeo，高频时hfe随 f的升高而减小；图中 ：共射极截止频率
31、共射极截止频率；fT：特征频率特征频率。20)(1fehffhhfefefehf2、极间反向电流极间反向电流ICBO和和ICEO:ICEO=(1+hfe)ICBO ICBO为e极开路，集电结反向偏置时，基极回路中的集电极反向饱和电流。ICEO为集射反向穿透电流。3、极限参数极限参数：集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 集电极最大功耗集电极最大功耗 PCM=ICMVCE 集基极反向击穿电压集基极反向击穿电压V(BR)CBO 集射极反向击穿电压集射极反向击穿电压V(BR)CEO 射基极反向击穿电压射基极反向击穿电压V(BR)EBO一、绝缘栅型场效应管 前面介绍的晶体管又称双极型双极型三极管
32、三极管，这是因为在这类三极管中，参与导电的有两种极性的载流子：多子和少子。现在要讨论另一种类型的三极管，它们依靠一种极性的载流子(多子)参与导电，所以称为单极型单极型三三极管极管。又因这类管子是利用电场效应来控制电流的，因此又称场效应管场效应管。场效应管其外观与普通晶体管相似，但它们的控制特性控制特性却截然不同，普通晶体管晶体管是电流控制电流控制元件，即通过基极电流来控制集电极电流，晶体管要求信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低输入电阻较低，仅102104。场效应管场效应管是电压控制电压控制元件，它的输出电流取决于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很
33、输入电阻很高高，高达1091014。场效应管按其结构的不同分为两大类：结型场结型场效应管效应管，绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管。本节只讨论绝缘栅型场效应管的结构、工作原理和特性曲线。绝缘栅型场效应管由金属(metal)、氧化物(oxide)和半导体(semiconductor)制成，所以又称为金属金属氧氧化物化物半导体场效应管半导体场效应管，简称MOS场效应管场效应管。由于这类场效应管的栅极被绝缘层(如SiO2)隔离，因此其输入电阻很高，达109以上。以导电沟道导电沟道来分，MOS管有N沟道沟道和P沟道沟道两种类型。无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型增强型和耗尽型耗尽型两种。这里首先介绍
34、 N沟道增强型MOS管的结构、工作原理和特性曲线。二、N沟道沟道增强型增强型MOS场效应管：1、结构：N沟道增强型MOS场效应管的结构如图所示用一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2绝缘层上刻出两个窗口，通过扩散形成两个高掺杂的N区(用N表示)，分别引出源极源极S和漏极漏极D，然后在源极和漏极之间的SiO2上面引出栅极栅极G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬衬底底也引出一根线，用B表示，通常情况下将它与源极在管子内部连接在一起。2、工作原理：从图可知，N型源区与N型漏区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结，当栅源电压VGS=0时，
35、不管漏极和源极之间所加的电压极性如何，总是不能导电。如果在栅极和源极之间加正向电压VGS(0)，此时栅极的金属极板(铝)与P型衬底之间构成一个平行板电容，中间为SiO2绝缘层作为介质。由于栅极的电压为正，它所产生的电场对P型衬底中的多子(空穴)起排斥作用，对少子(电子)有吸引作用。即P型衬底中的少子(电子)在电场作用下吸引到靠近SiO2的一侧，与空穴复合，形成由负离子组成的耗尽层。耗尽层的宽度随VGS的增大而变宽。当VGS增大到一定值时，由于吸引了足够多的电子，便在SiO2绝缘层与耗尽层之间形成了由电子作为多数载流子的表面电荷层，如图所示。因为是在P型半导体中感应产生出N型电荷层，所以称之为反
36、型反型层层。于是，在漏极和源极之间有了N型的导电沟道(与P型衬底间被耗尽层隔开)。开始形成反型层所需的VGS称为开启电压开启电压，用VGS(th)表示。由于在漏极和源极之间形成了N型的导电沟道。此时加上 VDS，就会产生漏极电流ID。当VGS VGS(th)后，随着VGS的升高，感应电荷增多，导电沟道变宽，沟道电阻减小，在VDS不变的条件下，ID随之增加。这表明VGS对漏极电流ID有控制作用。假设VGS为一个大于VGS(th)的固定值，并在漏极和源极之间加上正电压VDS，且VDSVGS(th)。此时由于漏源之间存在导电沟道，所以将有一个电流 ID。但因 ID流过导电沟道时产生电压降落，使沟道上
37、各点电位不同。沟道上靠近漏极处电位最高，故该处栅漏之间的电位差VGD=VGSVDS最小，因而感应电荷产生的导电沟道最窄；而沟道上靠近源极处电位最低，栅源之间的电位差VGS最大，所以导电沟道最宽，结果，导电沟道呈现一个楔形，如图所示。当VDS增大时，ID将随之增大。与此同时，导电沟道宽度的不均匀性也愈益加剧。当VDS增大到VDS=VGSVGS(th)，即VGD=VGSVDS=VGS(th)时，靠近漏极处的沟道达到临界开启的程度，出现了预夹预夹断断的情况，如图所示。如果继续增大VDS，则沟道的夹断区逐渐延长，见图。在此过程中，由于夹断区的沟导电阻较大，所以当VDS逐渐增大时，增加的VDS几乎都降落
38、在夹断区上，而导电沟道两端的电压几乎没有增大，即基本保持不变，漏极电流ID因此也基本不变。3、特性曲线特性曲线：通常用以下两种特性曲线来描述场效应管的电流和电压之间的关系：转移特性转移特性和漏极特性漏极特性。测试场效应管特性曲线的电路如图所示。转移特性：当场效应管的漏源之间的电压VDS保持不变时，漏极电流ID与栅源电压VGS的关系称为转移转移特性特性，其表达式如下：常数DSVGSDVfI)(转移特性描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管转移特性转移特性由图可见当VGS VGS(th)时)2)()1(thGSGSDODVvIi 漏极特性：常数GSD
39、SDVVfI)(N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性曲线与晶体管的共射极输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别，即场效应管的漏极特性以栅源电压VGS为参变量，而晶体管输出曲线的参变量是基极电流IB。漏极特性表示当栅源电压VGS不变时，漏极电流ID与漏源电压VDS的关系，即N沟道增强型沟道增强型MOS管管漏极特性曲线漏极特性曲线N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性曲线可以划分为三三个区个区：可变电阻区可变电阻区、恒流区恒流区和击穿区击穿区。漏极特性中最左侧的部分，表示当VDS比较小时，ID随着VDS的增加而直线上升两者之间基本上是线性关系，此时场效应管似乎是一个线性电阻。不过，当VGS不同
40、时直线的斜率不同，相当于电阻的阻值不同；VGS越大，则相应的电阻值越小。因该区场效应管的特性呈现为一个由VGS控制的可变电阻，所以称为可变电阻区可变电阻区。在漏极特性的中间部分，即图中左右两条虚线之间的区域，ID基本上不随VDS而变化，ID的值主要决定于VGS。在此区域各条漏极特性曲线近似为水平的直线，故称为恒流区恒流区。漏极特性中最右侧的部分，表示当VDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被击穿，将急剧增大，这个区域称为击穿区击穿区。如果电流过大，将使管子损坏。场效应管的上述两组特性曲线之间是有联系的，可以根据漏极特性漏极特性，利用作图的方法得到相应的转移特性转移特性。P沟道增强型MOS场效
41、应管的结构与N沟道增强型MOS场效应管类似，如图所示。工作原理相似，只是调换电源极性，电流方向也相反。三、N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管：根据前面的介绍可知，对于N沟道增强型MOS场效应管，只有当VGS VGS(th)时，漏极和源极之间才存在导电沟道。而耗尽型MOS场效应管则不同，在制造过程中由于预先在SiO2的绝缘层中掺入了大量的正离子，因此，即使VGS=0，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的负电荷，形成反型层，从而产生N型导电沟道。如图所示。如果使VGS 0时，ID增大；当VGS 0时，ID减小。P沟道耗尽型MOS场效应管的工作原理与N沟道型类似，不再介绍。同学们可
42、自己类推。四、场效应管的主要参数：1、直流参数直流参数：开启电压开启电压 VGS(th)VGS(th)是增强型MOS管的一个重要参数。其定义是当VDS一定时，使漏极电流达到某一数值(如10A)时所需的VGS值。夹断电压夹断电压 VGS(off)VGS(off)是耗尽型MOS管的一个重要参数。其定义是当VDS一定时，使漏极电流减小某一微小电流(如50A)时所需的VGS值。饱和漏极电流饱和漏极电流 ID(sat)这是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源电压VGS=0，而漏源电压VDS大于夹断电压VGS(off)时对应的漏极电流。直流输入电阻直流输入电阻 RGS （IG0）指在漏-源短路的
43、情况下，栅源直流电压VGS与产生的栅极直流电流之比。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很高，MOS管的输入电阻一般大于109。GGSGSIVR2、交流参数：(低频)跨导跨导 gm 用于描述栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用。它的定义是当vDS一定时，iD与vGS的变化量之比，即：若iD的单位是mA，vGS的单位V，则gm的单位是mS。极间电容极间电容 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD和CDS。极间电容越小，则管子的高频性能越好。一般为几个皮法(pF)。常数DSGSDmvvig3、极限参数：漏源击穿电压漏源击穿电压 V(BR)DS 当VGS一定时，使漏极电流突然激增(雪崩击穿)时的VDS值。栅源击穿电压栅源击穿电压 V(BR)GS 就是使二氧化硅绝缘层击穿的栅源电压。这种击穿不同于一般的PN结击穿，而与电容器击穿类似，属于破坏性击穿。*最后指出，对于MOS管，由于它的输入电阻很高，使得栅极上感应的电荷很难泄掉。栅极和衬底间的电容量很小，电荷累积造成电压升高，使栅极氧化层易被击穿(栅穿)，导致管子损坏。为了避免这种损坏，在保存时，必须将三个电极短接；在焊接时，应使电烙铁有良好的接地；在电路中，栅源间应有直流通路。思考题：思考题：习习 题：题：
