绝缘栅场效应管IGFET课件.ppt

1,课程简介,专业基础课40学时（低频）+20学时（高频）由易到难：元器件、分立电路、集成电路、应用电路先修课程：高等数学、普通物理、电路理论,2,课程要求,了解：熟知基本概念和基本原理理解：概念清楚，原理明白，并具有分析和计算能力。掌握：比“理解”要求更高，有的知识必须记住。,3,学习要求,复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践,4,参考书,模拟电子技术基础，孙肖子、张企民编著，西安电子科技大学出版社模拟电子技术基础，童诗白、华成英主编，高等教育出版社电子线路：线性部分，谢嘉奎主编，高等教育出版社,5,教材及辅导书,6,仿真软件,ProtelWorkbenchMatlabMultisim,7,MULTISIM的操作界面,Multisim启动界面,8,Multisim主界面,主菜单,器件工具箱,系统工具栏,Multisim设计工具栏,仿真开关,虚拟仪器工具箱,电路原理图编辑窗口,9,Multisim器件工具箱,电源器件工具箱,无源器件工具箱,二极管器件箱,三极管器件箱,指示器件工具箱,10,Multisim虚拟仪器工具箱,万用表,函数信号发生器,功率表,示波器,11,作业及上课,每章交一次，除第二章和第六章每次全交，批改一半不定期抽点名大作业一次,第 1 章,半导体器件,13,引 言,半导体器件优点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小等目的：正确选用各种合适的半导体器件本章特点：概念多，琐碎重点及难点：器件的工作原理、特性曲线、主要参数,15,半导体的基础知识 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流,第一章 目录,PN结与晶体二极管 PN结的基本原理 晶体二极管 二极管应用电路,特殊二极管,16,晶体三极管 晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理 晶体三极管特性曲线 晶体管的主要参数,第一章 目录（续）,场效应晶体管 结型场效应晶体管（JFET） 绝缘栅场效应管（IGFET） 场效应管的参数及特点,17,第一章作业(p4447),作业：3，5，6，7(a,d,f)，10 ，1215，16，22，24,18,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流,19,半导体,预备知识,常用半导体材料：Si、Ge、GaAs、InP、,（Semiconductor）,20,共价键结构,预备知识,每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子，形成稳定结构。,21,掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而 导电能力显著增强。 用途：可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。,预备知识,为什么要使用半导体？,热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。 用途：可制作温度敏感元件，如热敏电阻。,22,光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。 用途：可制作各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。,为什么要使用半导体？,预备知识,半导体为什么具备上述特性？,23,半导体的原子结构:,化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。,硅(Si),锗(Ge),本征半导体-定义,24,半导体的共价键结构,共价键,共价键中的两个价电子,原子核,本征半导体-晶体结构,25,价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。,该现象称为本征激发(热激发),本征半导体-导电机理,26,成对的电子和空穴,复 合自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子空穴成对消失。,本征半导体-导电机理,（热）温度 光核辐射,激发,27,温度每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。,本征半导体-载流子密度,28,杂质半导体在本征半导体中掺入微量其它元素而得到的半导体。,杂质半导体可分为： N型(电子)半导体和P型(空穴)半导体两类。,29,1.N型半导体,构成：在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。,结构图,本征半导体+施主杂质(Donor)= N型半导体,30,提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。上述过程称为施主杂质电离。5价杂质原子又称施主杂质。,1.N型半导体,N型半导体是带负电的吗？,31,构成：在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。,结构图,2.P型半导体,本征半导体+受主杂质(Acceptor)= P型半导体,32,接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。3价杂质原子又称受主杂质。,2.P型半导体,P型半导体是带正电的吗？,33,扩散运动载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,1.扩散运动及扩散电流,浓度分布不均匀,34,漂移运动载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,漂移电流大小与电场强度成正比,2.漂移运动及漂移电流,35,半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。掺入不同杂质，形成N型和P型半导体。载流子的两种运动：电场作用下的漂移运动和浓度差作用下的扩散运动。,36,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理,1.2.2 晶体二极管,1.2.3 晶体二极管应用电路举例,37,1. PN结的形成,浓度差,空间电荷区,扩散,扩散,漂移,38,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的一些空穴向N区扩散,N区的一些电子向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,39,U：势垒电压U= 0.60.8V 或 0.20.3V,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1.PN结的形成,空间电荷区的宽度和掺杂浓度成反比。,40,小结载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。漂移运动=扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。 PN结没有电流通过。,41,2. PN结的特性,（1） 单向导电性（2） 击穿特性（3） 电容特性,特性表现、特性原因、用途,42,(1)单向导电性,PN结加正向电压,内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加，形成较大的扩散电流。,2. PN结的特性,加偏压时的耗尽层,流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称：,PN结正向导通状态,43,U,(1)单向导电性,PN结加反向电压,内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而少子更容易产生漂移运动 。,2. PN结的特性,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称：,PN结反向截止状态,44,小结PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。PN结正向导通、反向截止的特性称PN结的单向导电特性。,45,击穿PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而结两端电压基本不变的现象。,击穿不一定导致损坏。利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,击穿电压,2. PN结的特性,（2）击穿特性,击穿分类：雪崩击穿；齐纳击穿。,46,反向电压增大,击穿特性-雪崩击穿,47,齐纳击穿(场致击穿),掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,反向电压足够高,合成电场很强,破坏共价键,产生新的电子空穴对,载流子剧增，电流增大,48,将限制器件工作频率。,(3)电容特性,2. PN结的特性,势垒电容CB,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,49,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比 。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。,(3)电容特性, ：空穴寿命,n ：电子寿命,UT ：热电压,I:正向电流,2. PN结的特性,小结PN结正向运用时 CB、CD同时存在，CD起主要作用PN结反向运用时，只有CB 。,50,晶体二极管结构与符号 晶体二极管伏安特性 晶体二极管参数 晶体二极管电路分析方法 晶体二极管电路举例,51,点接触型,面结合型,平面型,符号,1. 结构与符号,52,53,伏安特性图,2. 伏安特性,曲线特征：小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线。,主要参数： 存在门限电压Uth 锗管 Uth 0.2V 硅管 Uth 0.6V,正向特性、反向特性、击穿特性,正向特性,54,伏安特性图,主要参数：反向饱和电流 IS,2. 伏安特性,反向特性,55,伏安特性图,重要参数：UZ,2. 伏安特性,击穿特性,56,伏安特性的温度特性：,(c)击穿特性,(b)反向特性,(a)正向特性,T则Uth,T则IS ,T则UZ(雪崩击穿)T则UZ(齐纳击穿),2. 伏安特性,课本P10，公式（1-4）（1-5）,57,正向特性近似,; 时,反向特性近似,; 时,3. 伏安特性数学表达式（背过）,58,4. 主要参数,（1）性能参数,直流电阻 RD ：,定义 ：RD= U / I |Q点处RD是 u 或 i 的函数,59,交流电阻 rd ：,（1）性能参数,势垒电容CB ：影响器件最高工作频率,4. 主要参数,定义：（背过）,60,最大允许整流电流IOM ：工作电流IOM易导致二极管过热失效最高反向工作电压URM :允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压最大允许功耗PDM :实际功耗大于PDM 时易导致二极管过热损坏,（2）极限参数,4. 主要参数,61,图解法、迭代法、折线化近似法,5.晶体二极管电路分析方法,i = f (u ),图解法,62,迭代法,据电路列方程组,5.晶体二极管电路分析方法,63, 将实际二极管的V-A特性曲线作折线化近似。,折线化近似法工程分析方法,理想特性曲线,只考虑门限的特性曲线,V-A特性,符号,5.晶体二极管电路分析方法,64,考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线,V-A特性,符号,rd：工作点处的动态电阻,折线化近似法,仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线,5.晶体二极管电路分析方法,65,例1-1：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形。,输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断。,1.整流电路,解：,方法：判断二极管处于导通态还是截止态,；VD截止 ui 0V,66,全波怎么做？,67,结合图中给定的参数分析： VD1、VD2开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对地电位分别为+1V、0V，,是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,例1-2： 图a所示二极管门电路（VD 理想）求：uO,解：,2.门电路,分析方法：,可见VD2导通。,uO = 0,68,例1-3: 限幅电路中VD 理想，求uO(t)并画出波形。,3.限幅电路,解：,；VD截止 ui 5V；VD导通 ui 5V,负向限幅？双向限幅？,69,理解并掌握二极管的特性曲线,理解二极管的参数,掌握二极管的应用电路的分析方法,70,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压二极管,1.3.2 光电二极管,1.3.3 发光二极管,1.3.4 变容二极管,71,稳压二极管,1.V-A特性及符号,注意符号当中的“+”和“-”的标识。,利用PN结击穿区具有稳定电压的特性工作。,72,2.稳压管主要参数,稳定电压UZ：即PN结击穿电压稳定电流IZ ： Izmin IZ IZmax动态电阻rZ ：定义rZ =u/i rZ越小，则稳压性能越好额定功耗PZ ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏,73,Ur为门限电压,3.稳压管等效电路,这时稳压管就是一只二极管,稳压管应用：稳压电路、限幅电路,74,变容二极管,(a)符号 (b)特性,变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作 变容二极管必须工作于反偏状态。,75,1.4 晶体三极管,1.4.1 晶体三极管的结构与符号,1.4.2 晶体管的运用状态,1.4.3 晶体管的放大原理,1.4.4 晶体三极管特性曲线,1.4.5 晶体管的主要参数,76,三极管存在：两结三区三极,发射区(E区)：发送载流子基 区(B区)：传送载流子集电区(C区)：收集载流子,基区,发射区和集电区由于掺杂浓度不同，结构不同因此不能对调使用,发射区重掺杂基区薄集电极面积大,77,三极管四种状态,78,1.载流子的传输过程,79,80,发射区向基区注入电子,注入电子边扩散边复合,集电区收集电子,集电结两边少子定向漂移,81,发射区向基区注入电子( IEn ) ： 发射极电流IE IEn 注入电子在基区边扩散边复合( IBn ) ： 是基极电流IB 的一部分,集电区收集扩散来的电子 ( Icn ) ： Icn构成集电极电流 IC 的主要成份 集电结两边少子定向漂移( ICBO ) ： ICBO对放大无贡献应设法减小,1. 载流子传输过程（以NPN管为例）,晶体三极管又称为双极型晶体管,82,三极管放大应满足两方面条件： 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 内部条件：薄基区 发射区重掺杂基区轻掺杂,1. 载流子传输过程（以NPN管为例）,83,2. 电流分配关系,外部电流：,内部电流：,84,2. 电流分配关系,定义,85,2. 电流分配关系,86,共射（CE）放大电路,三极管接法：共基、共射、共集,87,特点： uCE =0V时，特性曲线类似二极管V-A特性uCE 0V时，特性曲线右移直至uCE 3V时曲线基本重合,1. 共射接法输入特性曲线,88,2. 共射接法输出特性曲线,uCE,89,uCE,曲线分为四区：截止区 放大区 饱和区 击穿区,截止区： 对应截止状态:E结C结反偏 特点：iE =0 iC =ICBO = iB,2. 共射接法输出特性曲线,90,放大区,放大状态: E结正偏C结反偏,2. 共射接法输出特性曲线,特点1 放大特性,91,特点2：基调(厄立)效应-UA 表现:曲线略微上斜,2. 共射接法输出特性曲线,92,2. 共射接法输出特性曲线,特点3：穿透电流： 时的,93,饱和区,特点：饱和现象：固定uCE ,iC基本不随iB变化uCE控制iC ：固定iB,iC随uCE剧烈变化,2. 共射接法输出特性曲线,饱和状态: E结正偏C结正偏,94,2. 共射接法输出特性曲线,饱和区,注意： 临界饱和：临界饱和电压：UCES,95,集电极-基极间反向饱和电流ICBO 集电极-发射极穿透电流ICEO 关系：ICEO=(1+ ) ICBO,1. 放大参数,2. 极间反向电流,极限电流-集电极最大允许电流ICM极限电压-U(BR)CBO，U(BR)CEO,3. 极限参数,96,极限功率-集电极最大允许功耗PCM,安 全 工 作 区,3. 极限参数,97,ICBO 的温度特性 T 100C则ICBO 约1倍 UBEO的温度特性 T 10C则UBEO （ 对于PNP管：UEBO ）(23)mV 的温度特性 T 100C则 (0.51)%,4. 晶体管参数的温度特性,98,本节小结,记忆三极管结构符号理解外部电流关系掌握重要参数理解特性曲线,99,1.5 场效应晶体管,1.5.1 结型场效应晶体管（JFET）,1.5.2 绝缘栅场效应管（IGFET）,1.5.5 场效应管的参数及特点,100,场效应管：利用电压产生的电场效应来控制电流的半导体器件。,特点：体积小，重量轻等，输入阻抗高，噪声低等。,1.5 场效应晶体管,101,102,1. JFET结构与符号,P-JFET,N-JFET,N型导电沟道,栅极,源极,漏极,103,导电沟道两个P+区与N区形成两个PN结，夹在其中的N区是电子由源极流向漏极的通道，称为导电沟道。,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,正常工作条件：PN结反偏,104,受控机理漏极电流iD 受控于uGS。,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,105,工作原理-uGS 控制iD (uDS =C0),夹断uGS = UGS(off),预夹断uGD = UGS(off),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,106,工作原理- uDS 影响 iD (uGS =C0),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,107,2. JFET工作原理（以NJFET为例）,108,特别注意： 区别夹断与预夹断： 夹断时： uGS UGS(off) ，iD =0 预夹断时：uGD = UGS(off) (或uGS - uDS = UGS(off) ) iD 0 预夹断前：uGD UGS(off) (或uGS - uDS UGS(off) ) 预夹断后：uGD UGS(off) (或uGS - uDS UGS(off) ),2. JFET工作原理（以NJFET为例）,109,（1） 输出特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,110,输出曲线分四区：截止区 放大区 可变电阻区 击穿区,截止区： 对应夹断状态 特点：uGS UGS (off) iD=0,（1） 输出特性曲线,截止区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,111,放大区： 对应管子预夹断后的状态 特点：受控放大， iD 只受uGS控制 uGS 则iD ,放大区,（1） 输出特性曲线-放大区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,112,可变电阻区： 对应预夹断前状态 特点：固定uGS，uDS则iD近似线性 - 电阻特性固定uDS，变化uGS则阻值变化 -变阻特性,（1） 输出特性曲线-可变电阻区,可变电阻区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,113,击穿区： 对应PN结击穿状态 特点：uDS 很大 iD急剧增加,（1） 输出特性曲线-击穿区,击穿区,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,114,（2） 转移特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,115,预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程,（2） 转移特性曲线,3. JFET特性曲线（以NJFET为例）,116,根据栅极绝缘材料分为: 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET或MOS) 金属-氮化硅-半导体场效应管(MNSFET或MNS) 金属-氧化铝-半导体场效应管(MALSFET)根据导电沟道类型分为: N沟道和P沟道根据是否存在原始导电沟道分为:增强型和耗尽型,特点,栅极同其余电极之间绝缘,117,1. 半导体的表面场效应,118,2. N沟道增强型MOSFET,（1） 结构与符号,119,2. N沟道增强型MOSFET,（2） 工作原理,会不会出现电流？,将衬底和源极短接，漏极和源极短接，加入大于零的栅源电压？,120,2. N沟道增强型MOSFET,（2） 工作原理,导电沟道uGS=0时，无导电沟道；uGS UGS(th)时，产生导电沟道(开启状态),定义开启电压UGS(th)刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值,反型层,121,受控机理：漏极电流iD 受控于uGS,通过改变加在绝缘层上的电压(栅源电压)的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流的目的，漏极电流iD 受控于uGS 。,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,正常工作电压,122,uDS0,uDSiD 近似不变,uDS=(uGS-UGS(th)预夹断状态uDS iD ,uDS 影响 iD ( uGS = C 0 ),uDS(uGS-UGS(th)预夹断后,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,123,小结： iD 受控于uGS : uGS 则 iD 直至iD =0 iD 受uDS影响 : uDS则iD 先增随后近似不变 预夹断前uDS则iD 以预夹断状态为分界线 预夹断后uDS则iD 不变,（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,124,特别注意： 区别夹断与预夹断： 夹断时： uGS UGS(th) ，iD =0 预夹断时：uGD = UGS(th) (或uGS - uDS = UGS(th) iD 0 预夹断前：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ) 预夹断后：uGD UGS(th) (或uGS - uDS UGS(th) ),（2） 工作原理,2. N沟道增强型MOSFET,125, 输出特性曲线,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,2. N沟道增强型MOSFET,126,输出特性曲线主要分三区： 截止区 放大区 可变电阻区,（1） 输出特性曲线,可变电阻区,放大区,截止区,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,127,UGS (th)=4V,（1） 输出特性曲线-截止区,对应夹断状态（反型层还未形成） 特点：uGS UGS (th) iD=0,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,128,对应管子预夹断后的状态 特点： 受控放大 uGS 则 iD ,（1） 输出特性曲线-放大区,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,129,对应预夹断前状态特点： 固定uGS，uDS则iD近似线性 -电阻特性 固定uDS，uGS变化则阻值变化 -变阻特性,（1） 输出特性曲线-可变电阻区,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,130,转移特性曲线,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,131,预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程,转移特性曲线,（3）特性曲线（以增强型NMOS管为例）,132,uBS 0且uBS 0时iD 受控于uBS 的特性衬调效应又称： 背栅效应 体效应,(4) 衬调效应,2. N沟道增强型MOSFET,133,耗尽型NMOS管,转移特性,输出特性,3. N沟道耗尽型MOSFET,134,饱和漏极电流IDSS : uGS=0时的iD 值夹断电压UGS(off) : iD 0时的uGS值开启电压UGS(th) : 增强型管刚开始导电时的uGS值直流输入电阻RGS: RGS = UGS / IG,1. 主要参数,（1）直流参数:,135,增强型,耗尽型,1. 主要参数,（2）交流参数:,136,背栅跨导 gmb 定义： 计算：,（2）交流参数:,输出电阻 rds 定 义：,物理意义：表示uDS对iD的控制能力 几何意义：表示输出特性曲线上工作点处切线斜率的倒数（数值很大）,极间电容：Cgs Cgd Cds ( Cbs Cbd Cbg ),1. 主要参数,137,在特定工作电流电压下，管子参数的温度系数可以为零,栅源击穿电压 UBR(GS) 漏源击穿电压 UBR(DS) 最大功耗 PDM :,（3）极限参数:,（4）参数的温度特性：,1. 主要参数,138,漂移,扩散 漂移,压控,流控,高,低,多子 单极型,多子少子 双极型,FET,BJT,2.场效应管与晶体管的比较,139,本章小结,半导体导电机理杂质半导体PN结二极管三极管场效应管,