第一章常用半导体器件.ppt

1、第一章 常用半导体器件,1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管,本征半导体、杂质半导体,有关半导体的基本概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,自然界的物质按其导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三类。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体器件是构成电子电路的基本元件，它们所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。单纯从导电性能来看，半导体既不能很好地传导电流，又不能可靠地隔绝电流。主要是半导体具有下列的重要特性：, 1.1 半导体基础知识,热敏特

2、性 (2) 光敏特性 (3) 掺杂特性,用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、 光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从30升高到40时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30升高到100时， 电阻率的增加还不到 1 倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为 2.14105cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的电阻率却下降到 0.2 cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见， 当半导体受热或掺入杂质后，导电性能

3、会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件， 利用掺杂特性制成的P结是各种半导体器件的主要组成部分。,本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1.本征半导体,本征硅和锗的共价键结构,图 1-1 硅和锗的原子结构模型 (a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对

4、温度的敏感性，可以制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,图 1.1.2 电子-空穴对的产生和空穴的移动,本征半导体中的两种载流子：自由电子和空穴,空穴共价键中的空位。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。空穴的定向移动形成空穴电流。本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和，(而导体只有自由电子导电)。,本征激发半导体在热激下产生自由电子-空穴对的现象。,复合自由电子填补空穴而使两者同时消失的现象。,在本征半导体中不断地进行着激发与复合

5、两种相反的过程， 当温度一定时， 两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为动态平衡状态（热平衡）。 半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的， 并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。,根据半导体物理中的有关理论，可以证明,式中: ni：自由电子的浓度； pi： 空穴的浓度； k：波尔兹曼常数； T：热力学温度； EGO：禁带宽度； K1：与半导体材料载流子有效质量，有效能级有关的常数。 应当指出，本征半导体的导电性能很差。 例如，T=300K时，且材

6、料导电性能与温度密切相关，可制作热敏和光敏器件，因此，半导体器件的温度稳定性均较差。,2.杂质半导体,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可使半导体的导电性能发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 （主要载流子为电子、电子半导体） P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 （主要载流子为空穴、空穴半导体）,（1）N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质

7、原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 N型半导体中主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主原子。,图1.1.3 N型半导体,多余电子,硅原子,磷原子,（2） P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 P型半导体中主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。,杂质原子中的空穴很容易俘获电子，使杂质原

8、子成为负离子。三价杂质原子因而也称为受主原子。,图1.1.4 P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,杂质半导体的示意表示法,对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。多子的浓度约等于所掺杂质的浓度，因而受温度的影响很小；而少子是本征激发形成的，所以尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这将影响半导体器件的性能。,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,（3）. 杂质对半导体导电性的影响,一、 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散和漂移

9、，在它们的交界面处就形成了PN结。,1.1.3 PN结,半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结； 半导体三极管具有两个PN结； 场效应管的基本结构也是PN结。,图1.1.5 PN结的形成,在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho, 处于室温时，锗的Uho0.20.3 V，硅的ho0.50.7 V。 ,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂

10、质离子形成空间电荷区,二、 PN 结的单向导电性：正向导通、反向截止。,图1.1.6 PN结加正向电压时导通,内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大,图1.1.7 PN结加反向电压时截止,内电场加强，阻止扩散进行， 有少子飘移，反向电流很小,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；(正向导通)PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。(反向截止)由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,三、 PN结的电流方程,理论分析可知：PN结的电流方程为,PN结的伏安特性,反向特性,正向特性,如图示， PN结的伏安特性曲线与PN结的电流方程是一一对应的。 但当PN结的

11、反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,四、 PN结的伏安特性,五、 PN结的电容效应 给PN结加上变化的电压，PN结将呈现电容效应。（电压变化时有电荷的堆积与泄放的过程）,势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容。 Cb是由空间电荷的积累引起的。正向偏置时，以势垒电容Cb为主。,当外加的正向电压增加时，PN结变窄，空间电荷量减少，相当于PN结放电；,当外加的正向电压减少时，PN结变宽，空间电荷量增加，相当于PN结充电；,变容二极管,图1.1.12 P区少子浓度分布曲线,外加反偏电压变化时也具有相同的效应。理论推导得：,式中是介质常数，S是PN结的面积，d是P

12、N结的宽度。,扩散电容Cd,Cd是PN结正向电压变化时，多数载流子在扩散过程中积累引起的。反向偏置时，以扩散电容Cd为主。,PN结正偏时，多数载流子扩散到对方成为对方区域中的“少子” (称为“非平衡少子”）这些少子在正偏电压变化时，也有堆积与泄放的过程。,根据理论分析不对称结的CD为：,VT为温度的电压当量，常温时为26mv；为非平衡少子的寿命；I为正向电流。,注意：,1、PN结的结电容Cj=Cb+Cd。 2、Cb和Cd在结构上都是和PN结并联的，正偏时CdCb，Cd起作用；反偏时Cb起作用。 3、Cb和Cd的存在都是破坏单向性的。,返回,1.2.1.半导体二极管的几种常见结构,PN结加上管壳

13、和引线，就成为半导体二极管。, 1.2 半导体二极管,图二极管的几种外型,图二极管的几种常见结构,二极管实物图片,图1.2.3温度对二极管伏安特性的影响,1.2.2. 二极管的伏安特性,(1) 最大整流电流IF IF是指二极管长时间连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值。(2) 最大反向工作电压UR UR是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压， 通常取UR=1/2U(BR) 。超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。(3) 反向电流IR IR是指二极管未击穿时的反向电流值，此值越小，二极管的单向导电性能越好。(4) 最高工作频率fM最高工作频率主要由P

14、N结的电容大小决定，工作频率超过fM时，二极管的单向导电性变坏。,1.2.3. 二极管的主要参数,1.2.4. 二极管的等效电路,(a)理想二极管,(b)正向导通时端电压为常量,(c)正向导通时端电压与电流成线性关系,图由伏安特性折线化得到的等效电路,二、二极管微变等效电路,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个动态电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,对交流小信号的等效模型,例1. 二极管为理想二极管：开启电压为0 ，正向压降为。,二极管半波整流,例开关电路,电路如图所示，二极管为理想二极管。求AO的电压值U AO 。,解：,先断开D，以O

15、为基准电位，即O点为0V。,则接D阳极的电位为6V，接阴极的电位为12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。,所以，AO的电压值为 U AO 6V。,稳压二极管工作在反向击穿状态,当工作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,工作电流,稳定电压,1.2.5 稳压二极管,(1) 稳定电压UZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =UZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳

16、定电压温度系数: = UZ/ T,二、稳压二极管主要参数,稳压电路,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,# 上述电路ui为正弦波，且幅值大于UZ ， uo的波形是怎样的？,正常稳压时 uO =UZ,由图 1-17 可知，当ui, RL变化时，UZ中的电流应满足IZminIZmin，即,即,当ui=Uimax , RL=RLmax时，UZ中的电流最大，并应满足,限流电阻R的取值范围是,若得出RminRmax，则说明在给定条件下，已超出了UZ管的稳压工作范围。此时需要修改使用条件或重新选择更大容量的稳压二极管。,返回,1.3 晶体三极管(BJT),图1.3.1 晶体管的几种常见外形,Bipo

17、lar Junction Transistor(BJT),NPN型,PNP型,结构与分类 两个PN结、三个引脚，两种类型：NPN和PNP型。,1.3.1 晶体管的结构及类型,集电结,发射结,BJT符号,由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用。,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,结构特点,BJT放大的内部条件,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米， 且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分

18、与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,BJT放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏,Rc,1.3.2 晶体管的电流放大作用,一、晶体管内部载流子的运动,EB,RB,Ec,由于集电结反偏，从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,三极管能放大电流的必要条件：发射结正偏，集电结反偏。,IE=IB+ IC,根据KCL IE=IB+ IC,Rc,二、晶体管的电流分配运动关系,令 = IC / IE 为共基极电流放大系数 1 (0.90.99),根据KCL IE=IB+ IC,令 = IC / IB 为共射极电流放大系数 1 (10100)一般放大电路采用3080为宜，太小放

19、大作用差，太大性能不稳定。,三、晶体管的共射电流放大系数,因为 IC = IE,IB = IE IC = IE IE,所以 = IC / IB = IE /(IE IE ) = /(1-),即为与的关系,对NPN管，放大时 VC VB VE 对PNP管，放大时 VC VB VE,vCE = 0V,iB=f(uBE) uCE=const,(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,一、 输入特性曲线,此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。,(3) 输入特性曲线的

20、三个部分,死区,非线性区,线性区,iC=f(uCE) IB=const,二、输出特性曲线,饱和区：Je正偏，Jc正偏。 即uBE Uon 且uCEuBE 该区域内，一般UCES=0.3V(硅)。,放大区： Je正偏，Jc反偏。 即uBE Uon 且uCEuBE；IC=IB， iC= IB 。 曲线基本平行等距。,截止区： Je反偏，Jc反偏。 uBE Uon且uCEuBE； IB=0，而 icICEO轴接近零的区域。,判断饱和的依据（1） uBE Uon 且uCEuBE （2）IB IBSICS / ,(1)共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC / IB UCE=const,1

21、. 电流放大系数,1.3.4 晶体管的主要参数,(2) 共发射极交流电流放大系数 =iC/iBUCE=const,(4) 共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,1. 电流放大系数,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+ ）ICBO,2. 极间反向电流,ICEO,(1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,(3) 反向击穿电压, U(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。, U(BR) EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。, U(BR)CEO基极开路时集电极

22、和发射极间的反向击 穿电压。,几个击穿电压有如下关系 U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR) EBO,3. 极限参数,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM： PCM= ICVCE,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,返回,1.4.1 结型场效应管结型场效应管又分为N沟道JFET和P沟道JFET。在一块N型半导体两侧制作两个高掺杂的P型区，形成两个P+N结。将两个P型区连在一起，引出一个电极称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为漏极d和源极s，两个P+N结中间

23、的N型区域称为导电沟道，故该结构是N沟道JFET。N沟道JFET的结构示意图和电路符号如图1-29（a ）、（b）所示，符号上的箭头方向表示栅源之间P+N结正向偏置时，栅极电流的方向由P指向N。, 1.4 场效应管(FET),图 1-29 结型场效应管的结构示意图和符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道JFET符号； (c) P沟道JFET符号,S源极,一、结型场效应管工作原理JFET正常工作时，JFET的PN结必须加反偏电压。对于N沟道的JFET， 在栅极和源极之间应加负电压（即栅源电压uGS0），以形成漏极电流iD。在外加电压uGS一定时，iD的大小由导电沟道的宽度决定。,1）uGS对

24、导电沟道的控制作用令uDS=0，即将漏极和源极短接，此时N沟道宽度仅受栅源电压uGS的影响。 当uDS=0，且uGS=0时，P+N结耗尽层最窄，导电沟道最宽, 如图1-30（a）所示。当|uGS|增大时，反向电压加大，耗尽层加宽， 导电沟道变窄，如图1-30（b）所示，沟道电阻增大。当|uGS|增大到一定数值时，沟道两侧的耗尽层相碰，导电沟道消失，如图1-30（c）所示，沟道电阻趋于无穷大，称此时的uGS为夹断电压，记作UGS(off)。N沟道的夹断电压UGS(off)是一个负值。,图 1-30,2） uDS对iD的影响当uGS一定时，若uDS=0，虽然存在导电沟道，但是多数载流子不会产生定向

25、移动，所以漏极电流iD为零。 当加上漏源电压uDS0后，多数载流子自由电子在导电沟道上定向移动，形成了漏极电流iD，同时在导电沟道上产生了由漏极到源极的电压降。 这样从漏极到源极的不同位置上，栅极与沟道之间的P+N结上所加的反向偏置电压是不等的，靠近漏端的P+N结上，反偏电压uGD=uGS-uDS最大，耗尽层最宽，沟道最窄；靠近源端的P+N结上，反偏电压uGS最小，耗尽层最窄，沟道最宽，导电沟道呈楔形，如图1-31（a）所示。由图可见，由于uDS的影响，导电沟道的宽度由漏极到源极逐渐变宽，沟道电阻逐渐减小。,在uDS较小时，沟道靠近漏端的宽度仍然较大，沟道电阻对漏极电流iD的影响较小，漏极电流

26、iD随uDS的增大而线性增加， 漏-源之间呈电阻特性。随着uDS的增大，靠近漏端的耗尽层加宽， 沟道变窄，如图1-31（b）所示，沟道电阻增大，iD随uDS的增大而缓慢地增加。 当uDS的增加使得uGD=uGS-uDS=UGS(off)，即uDS=uGS-UGS(off)时， 靠近漏端两边的P+N结在沟道中A点相碰，这种情况称为预夹断，如图1-31（c）所示。在预夹断处，uDS仍能克服沟道电阻的阻力将电子拉过夹断点，形成电流iD。,当uDSuGS-UGS(off)以后，相碰的耗尽层扩大，A点向源端移动，如图1-31（d）所示。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多， 因此uDSuGS-UGS(off

27、)的部分几乎全部降在相碰的耗尽层上，夹断点A与源极之间沟道上的电场基本保持在预夹断时的强度，iD基本不随uDS的增加而增大，iD基本不变，漏极电流趋于恒流。当uDS为一常量时，对确定的uGS，就有确定的iD。此时，可通过改变uGS来控制iD的大小。从而实现栅源电压控制漏极电流。称场效应管为电压控制元件（VCCS）。若uDS继续增加，最终将会导致P+N结发生反向击穿，漏极电流迅速上升。,图 1-31,综上分析，uGS和uDS对导电沟道均有影响，但改变uGS，P+N结的宽度发生改变，整个沟道宽度改变，沟道电阻改变，漏极电流跟着改变， 所以漏极电流主要受栅源电压uGS的控制。 由以上分析可得下述结论

28、： (1) JFET栅极和源极之间的PN结加反向偏置电压，故栅极电 流iG0，输入电阻很高； (2)预夹断前，iD与uDS呈线性关系（可变电阻）；(3)预夹断后，漏极电流iD趋于恒定。JFET是一种电压控制型器件，改变栅源电压uGS，漏极电流iD改变（VCCS）； P沟道JFET正常工作时，其各电极间电压的极性与N沟道JFET的相反。,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是指在栅源电压UGS为某一固定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系曲线， 即,（1-27）,对应于一个uGS，就有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一特性曲线族，如图1-32 所示。图中将各条曲线上u

29、DS=uGS-UGS(off)的点连成一条虚线， 该虚线称为预夹断轨迹。,图 1-32 N沟道JFET输出特性曲线,整个输出特性曲线可划分为四个区： (1) 可变电阻区。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。 它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受uGS控制的可变电阻区。 ,(2) 恒流区（饱和区） 恒流区又称为饱和区或放大区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。 其特

30、点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特性曲线是一族平行线。 因此，在该区域iD可视为一个受电压uGS控制的电流源（VCCS）。 JFET用作放大管时， 一般就工作在这个区域。,(3) 夹断区。当uGSuGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。 (4) 击穿区。击穿区是当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域。该区产生的原因是：加在沟道中耗尽层的电压太高，使栅漏间的P+N结发生雪崩击穿而造成电流iD迅速增大。 栅漏击穿电压记为U(BR)GD。通常不允许场效应管工作在击穿区

31、， 否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的uDS值称为漏源击穿电压，记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-U(BR)GD。由于PN结反向击穿电压总是一定的， 因此uGS越小，出现击穿的uDS越小。,2） 转移特性曲线由于场效应管栅极输入电流近似为零，因此讨论输入特性是没有意义的。但是，场效应管是一种电压控制型器件，其栅源电压uGS可以控制漏极电流iD，故讨论uGS和iD之间的关系可以研究电压对电流的控制作用。所谓转移特性曲线, 就是在漏源电压UDS为一固定值时，漏极电流和栅源电压之间的关系曲线，即,转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。由于在饱和区内，不同uDS作用下iD基本不变，因此可以

32、用一条转移特性曲线来表示饱和区内iD与uGS的关系。在输出特性曲线的饱和区中作一条垂直于横轴的垂线，如图1-33所示。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应管在UDS一定的条件下iD与uGS关系。把各交点的iD与uGS值画在iDuGS的直角坐标系中，连接各点便得到转移特性曲线。在工程计算中，饱和区里iD与uGS关系可用转移特性方程来描述，即,(UGS(off)uGS0),（1-29）,式中IDSS是uGS=0时的漏极电流，常称为饱和漏极电流。,图 1-33 由输出特性曲线绘制转移特性曲线,【例1-4】结型场效应管共源电路如图1-34所示。已知管子的UGS(off)= -5 V, 试分析: （

33、1）UGS= -7 V, UDS=4 V；（2）UGS= -3 V, UDS=4 V；（3）UGS= -3 V, UDS=1 V三种情况下, 场效应管的工作状态。 解（1） 因为UGS= -7 VUGS(off)=-5 V，所以 N沟道JFET的导电沟道全部夹断，无论UDS为何值，漏极电流iD=0，故管子工作在截止状态。,（2）因为UGS= -3 VUGS(off)= -5 V，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off) = -3-(-5)=2 V，UDS=4 V大于预夹断处的UDS值，故管子工作在饱和区（恒流区）。 （3）因为UGS= -3 VUGS(off)= -5 V

34、，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off)= -3-（-5)=2 V，UDS=1 V小于预夹断处的UDS值，故管子工作在可变电阻区。,1.4.2 绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅极与源极之间PN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是PN结反偏时总会有反向电流存在，而且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。 如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高， 这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管。根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层， 称为金属-氧化物-半导体场效应

35、管（MOSFET, MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称MOS管。这种场效应管输入电阻约为1081010，高的可达1015，并且制造工艺简单，便于集成。,MOS管也有N沟道和P沟道两种类型，每类根据工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型。所谓耗尽型, 就是当uGS=0时， 存在导电沟道，iD0，（JFET就属于此类）；所谓增强型, 就是uGS=0时，没有导电沟道，iD=0。P沟道和N沟道MOS管的工作原理相似，下面以N沟道MOS管为例来讨论其工作原理和特性。,一、 N沟道增强型MOSFETN沟道增强型MOSFET的结构示意图如图

36、1-35（a）所示。 它以一块掺杂浓度较低的P型硅片为衬底，利用扩散工艺在衬底的上边制作两个高掺杂的N+型区，在两个N+型区表面喷上一层金属铝，引出两个电极，分别称为源极s和漏极d，然后在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在两个N+型区之间的绝缘层表面也喷上一层金属铝，引出一个电极称为栅极g。在衬底底部引出引线B，通常衬底与源极接在一起使用这样,栅极-SiO2绝缘层-衬底形成一个平板电容器，通过控制栅源电压改变衬底中靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流。,图 1-35,1. 工作原理,正常工作时，N沟道MOSFET的栅源电压uGS和漏源电压uDS均为正值。 当uGS=0时，漏-

37、源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道。此时，即使漏-源之间加上正电压，也肯定是一个PN结导通， 一个PN结截止， 因此不会有漏极电流iD。 当uDS=0,且uGS0时，由于SiO2绝缘层的作用，栅极电流为零。 但是作为平板电容器，在SiO2绝缘层中产生一个由栅极指向衬底的电场，该电场排斥栅极附近P型衬底的空穴，使之剩下了不能移动的负离子区，形成耗尽层；同时把P型衬底内的少子电子吸引到衬底表面，如图1-36（a）所示；,图 1-36,随着uGS增大，一方面耗尽层加宽，另一方面被吸引到衬底表面的电子增多，当uGS增大到一定数值时，在衬底表面形成了一个电子薄层，称为反型层， 如图1-36（b）

38、所示。这个反型层将两个N+型区相连，成为漏-源之间的导电沟道。通常将开始形成反型层所需的uGS值称为开启电压UGS（th）。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。,当uGSUGS(th)后，若在漏-源之间加正向电压，将有漏极电流iD产生。当uDS较小时，iD随uDS的增大而线性上升。由于iD通过沟道形成自漏极到源极的电位差，因此加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道变化。靠近源端的电位最大，其值为uGS，相应沟道最深；靠近漏端电位最小，其值为,uGD=uGS-uDS,（1-30）,相应沟道最浅，如图1-36（c）所示。,当uGS一定时，随着uDS增大， uGD减小，靠近漏端的沟道深度也减小，

39、直到uGD= UGS(th)，即uGS-uDS=UGS(th) 或 时，靠近漏端的反型层消失，沟道在A点被夹断，称为预夹断， 如图1-36（d）所示。如果uDS继续增大，夹断区域延长，如图1- 36（e）所示。以后，由于uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断 区对漏极电流的阻力，因此iD几乎不随uDS的增大而变化，管子 进入恒流区，iD基本上由uGS控制。,uDS=uGS-UGS(th),（1-30）,2. 特性曲线与电流方程,图 1-37 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 (a) 输出特性曲线； (b) 转移特性曲线,同JFET一样，输出特性曲线也分为四个区域，即可变电阻区、饱和区、截止区和

40、击穿区。在饱和区内，转移特性可近似地表示为,（1-32）,式中, IDO是uGS=2UGS(th)时的iD。,二、 N沟道耗尽型MOSFET在制造MOSFET时，如果预先在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，那么即使uGS=0，在正离子的作用下，P型衬底表层也会被感应出反型层， 形成N沟道，并与两个N+型区源区和漏区连接在一起，如图1-38（a）所示。只要在漏-源之间加正向电压就会产生漏极电流iD。,图 1-38 N沟道耗尽型MOSFET结构示意图和耗尽型MOS管符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道耗尽型MOS管符号； (c) P沟道耗尽型MOS管符号,如果在栅-源之间加正电压，uGS所产

41、生的外电场增强了正离子所产生的电场，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；如果在栅-源之间加负电压，uGS所产生的外电场削弱了正离子所产生的电场，吸引自由电子数量少，沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小；当uGS负到一定值时，导电沟道消失，iD=0，此时的uGS值称为夹断电压UGS（off）。可见耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，改变uGS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流iD。由于这种管子的栅极和源极是绝缘的，因此栅极基本上无电流。,三、 P沟道MOSFET与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压，当uGS0，改变uGS可实现对

42、漏极电流iD的控制。 各种MOSFET的特性比较如表1.2所示。,表1.2 各种FET的特性比较,表1.2 各种FET的特性比较,【例1-5】有一只场效应管，不知道是什么类型的管子，通过实验测出它的输出特性如图1-39所示。试确定该管类型，并分别求出它的UGS（off）（或UGS（th）、IDSS、U（BR）DS的值。,图 1-39 例1-5的输出特性曲线,解 由图1-39可知，栅源电压uGS的极性可正、可负，漏源电压uDS为负极性，故题图特性曲线所示的管子是P沟道耗尽型MOSFET。 由图可见,UGS(off)=+3 V U(BR)DS= -15V IDSS= -4mA,1.4.3 场效应管

43、的主要参数一、 直流参数（1）夹断电压UGS(off)：实际测试时，uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5A）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。 （2）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5）时的uGS。 它是增强型MOSFET的参数。 ,（3）饱和漏极电流IDSS：uGS=0, uGD大于夹断电压|UGS(off)|时所对应的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的RG

44、S(DC)大于107，而MOSFET的RGS(DC)大于109 。,二、 交流参数（1） 低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量iD和引起它变化的微变量uGS之比，即,（1-33）,它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm愈大, 表示uGS对iD的控制能力愈强。gm的单位是S（西门子）或mS。 通常情况下它在十分之几至几mS的范围内。,gm相当于转移特性上工作点的斜率。它的估算值可通过对式（1-29）和式（1-32）求导得到，即,(1-34),(1-35),（2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。 通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为 1

45、3 pF，而漏-源间极间电容Cds约为 0.11 pF。 它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。,三、 极限参数（1）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。 （2）漏源击穿电压U(BR)DS：管子进入恒流区后，使iD急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。 （3）栅源击穿电压U(BR)GS：对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。,返回,1.4 电路如图P1.4所示，已知ui5sint (V)，二极管导通

46、电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。 解：当|ui|3.7V时，D1或D2导通，uo=3.7V或-3.7V；当|ui|3.7V时，D1或D2截止，uo=ui ；波形如解图P1.4所示。,解图P1.4,图P1.4,1.6 电路如图P1.6所示，二极管导通电压UD0.7V，常温下UT26mV，电容C对交流信号可视为短路；ui为正弦波，有效值为10mV。试问二极管中流过的交流电流有效值为多少？解：二极管的直流电流ID（VUD）/R2.6mA 其动态电阻 rDUT/ID10 故动态电流有效值IdUi/rD1mA,直流电源支路构成D的直流偏置电路.,1.8 已知稳压管的稳定电压UZ6V

47、，稳定电流的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM150mW。试求图P1.8所示电路中电阻R的取值范围。,解：稳压管的最大稳定电流,图P1.8,IZMPZM/UZ25mA,电阻R的电流为IZMIZmin， 所以其取值范围为:,1.16 电路如图P1.16所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析VBB为0V、1V、1.5V、3V四种情况下T的工作状态及输出电压uO的值。,解：（1）当VBB0时，T截止，uO12V。,图P1.16,所以T处于放大状态。,（2）当VBB1V时，因为,（3）当VBB1.5V时，因为,所以T处于放大状态。,A,VBB,（3）当VBB3V时，因为,所以T处于饱和状态。,1.18 电路如图P1.18所示，晶体管的50，|UBE|0.2V，饱和管压降|UCES|0.1V；稳压管的稳定电压UZ5V，正向导通电压UD0.5V。试问：当uI0V时uO？当uI5V时uO？,解：当uI0时，晶体管截止，稳压管处于稳压状态，uOUZ5V。,图P1.18,方法：当uI5V时，假设T处于放大状态，,则有：,故假设不成立，晶体管处于饱和状态， uO |UCES| 0.1V。,此时T不可能处于放大状态（设D上电流忽略）,方法：当uI5V时，假设T处于饱和状态，,则：,而：,IBS,故假设成立，晶体管处于饱和状态， uO |UCES| 0.1V。,