《半导体器件》PPT课件.ppt

第1章 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 晶体管1.4 场效应管,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 什么是半导体,自然界物质按导电能力分类：导体：导电能力最强，电解液，碳，金属，金属元素价电子数少于4个绝缘体：导电能力最弱，橡胶，石英，价电子数8个半导体：导电能力介于二者之间，价电子数4个,常用的半导体材料有：,元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）,1.1.2 本征半导体半导体材料硅（Si）锗（Ge）的原子结构与共价键,外层电子（价电子）数4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质,本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子,共价键内的电子称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子称为自由电子,本征半导体,半导体导电的两个方面,自由电子的运动束缚电子的运动,与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面,空穴,直接描述束缚电子的运动不太方便用我们假想的（自然界不存在的）、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子起名叫做“空穴”,半导体中的载流子,自由电子空穴,本征半导体中的自由电子和空穴成对出现,本征半导体的特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）搀杂特性,三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相比，导电能力还差得远。,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素，如B形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素，如P形成N型半导体，也称电子型半导体,1.1.3 杂质半导体,一、N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P,自由电子是多子（杂质、热激发）,空穴是少子（热激发）,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,二、P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B,自由电子是少子（热激发）,空穴是多子（杂质、热激发）,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,本征半导体、杂质半导体,有关概念,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,杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN结,1.1.4 PN结及其单向导电性,P区,N区,浓度差扩散运动（多子）,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流称为扩散电流,内电场漂移运动（少子）,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,一 PN结的形成,1.交界面出现自由电子、空穴的浓度差别,P区,N区,空穴多,自由电子少,空穴少,自由电子多,P区空穴（多子）向N区扩散N区自由电子（多子）向P区扩散,同时进行,2.扩散的过程中自由电子和空穴复合，留下不能移动的杂质离子，形成内电场,3.内电场的出现使少数载流子向对方漂移,N区空穴（少子）向P区漂移P区自由电子（少子）向N区漂移,同时进行,4.刚开始,扩散运动大于漂移运动,最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流,漂移运动,少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,1.PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。动态平衡被打破。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄，,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,二 PN结的单向导电性,PN结呈现低阻性,电压的真实方向,2.PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。但是漂移电流本身就很小，因为是少子形成的结变宽,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,PN结呈现高阻性,电压的真实方向,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,线性电阻具有双向导电性,其中 Is 饱和电流;UT=kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；T=300k（室温）时 UT=26mv,由半导体物理可推出：,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式,三 PN结电流方程,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。,击穿是可逆。,（不可逆击穿）,热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁,四 PN结的反向击穿,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,1.2.3 半导体二极管的主要参数,1.2.4 稳压二极管,1.2.5 其他类型的二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4)二极管的代表符号,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Vr=0.5-0.6v;锗：Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定3.当反压增大VBR时再增加，反向电流激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。,二极管的伏安特性可用下式表示,1.2.2 二极管的伏安特性,当温度升高时特性曲线左移,注意参考方向问题,二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻,定义,二极管两端的直流电压VD与电流ID之比,D,线性电阻的直流电阻和交流电阻相同,二者不等,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率的倒数,交流电导：g=di/dv=ID/VT交流电阻：r=1/g=VT/ID室温下：VT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,二极管的电阻,1.2.3 二极管的主要参数,(1)最大整流电流IFM：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流,(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM,(3)反向电流IR,(4)最高工作频率,二极管V-I 特性的建模直流模型（理想模型、恒压降模型、折线模型、指数模型）交流模型：小信号模型,一、直流模型,1、直流理想模型2、直流恒压降模型 3、直流折线模型4、直流指数模型,模型越来越准确，但是计算越来越复杂,直流模型用在直流电源作用的电路中,2.4.1 二极管V-I 特性的建模,直流理想模型,正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路,用二极管直流模型来分析电路,例1 限幅电路电路如图：输入正弦波，分析输出信号波形。R=1K，VREF=3V求（1）当,=0V、4V、6V时，求输出电压值,（2）当 时输出电压的波形,例2 有两个二极管的开关电路 自学,本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通，或者在所有时间内均截止,设二极管是理想的，判断两个二极管的状态，并求输出电压Vo,解题思路,1、将二极管从电路中拿走，在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差2、两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况：1）均小于02）均大于03）一个为正，另一个为负3、根据不同的情况做出判断：1）均小于0：立即得出结论，两个二极管均截止2）均大于0：这其中会有一大一小，可以得出结论，大的那个二极管一定导通，小的那个状态不定，需要做进一步的判断。大的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。3）一个为正，另一个为负：正的那个二极管一定导通，负的那个状态不定，需要做进一步的判断。正的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。,练习题,1.稳压特性,稳压原理：在反向击穿时，电流在很大范围内变化时，只引起很小的电压变化。,正向部分与普通二极管相同,当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿。,1.2.4 稳压二极管,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ：愈小稳压性能愈好,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=VZ/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)稳定电压温度系数VZ,2.特性参数,光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。,其结构和普通的二极管基本相同,它利用光电导效应工作，PN结工作在反偏状态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子空穴对，在外电场的作用下形成光电流。,应在反压状态工作,发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。,1.2.5 其他类型的二极管,1、光 电 二 极 管,2、发 光 二 极 管,LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平对应二极管发光,控制端为低电平对应二极管发光,e,小 结,1、半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。3、PN结是各种半导体器件的基本结构形式，如二极管由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。,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：,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,1.3 半导体三极管（BJT）,BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个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，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。,BJT的应用:(1)在模拟电路中作为放大元件(2)在数字电路中作为开关元件,1个PN结:二极管,单向导电性,开关作用,非线性电阻2个PN结:三极管,电流控制作用,开关作用3个PN结:晶闸管,可控整流,1.3.1 BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e 表示（Emitter）；,集电极，用C或c 表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,结构特点(对NPN PNP型均适用),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。,1、要使三极管具有电流放大作用所必须提供的条件：,外部条件：外加直流电压源保证发射结正偏，集电结反偏。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。,1.3.2 BJT的电流分配与放大原理,两个PN结,每个有正偏和反偏两种状态,组合起来,共有4种状态:,发射结正偏,集电结反偏:放大区，在模拟放大电路中使用,发射结正偏,集电结正偏:饱和区,发射结反偏,集电结反偏:截止区,发射结反偏,集电结正偏:倒置状态,基本上没有什么用处,在数字电路中使用,2、三极管具有电流放大作用时在三极管内部载流子的传输过程（以NPN管为例介绍）,（1）发射区向基区注入自由电子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,发射结正偏,发射区多子向基区扩散，形成发射极电子电流InE,基区多子向发射区扩散,小，可忽略,漂移运动很弱，可忽略,发射极电流IE=InE,（2）自由电子在基区扩散与复合（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,在基区内自由电子继续向集电结方向扩散,一部分与基区空穴复合，形成基极复合电流 IB,绝大部分扩散到集电结边缘,三极管制成后二者分配比例就已经确定,（3）集电区收集从发射区扩散过来的载流子（对NPN管子为自由电子，对PNP管子为空穴）,集电结反偏,发射区扩散过来的自由电子向集电区漂移,集电区自身的少子向基区漂移,基区自身的少子向集电区漂移,扩散运动难以进行,形成集电极电子电流Inc,形成反向饱和电流ICBO,集电极电流IC=Inc+ICBO,基极电流IB=IB-ICBO,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(Bipolar Junction Transistor)。,3、电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+IC,(1)共基极直流电流放大系数,(2)共射极直流电流放大系数,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,BJT的电流分配与放大(称为控制更合适)原理,小结：,1.3.3 BJT的特性曲线,BJT非线性器件，所以电压、电流之间的关系只能用曲线才能描述清楚,从使用三极管的角度看，了解特性曲线比了解内部载流子的运动更重要，所以我们现在作为使用者，而不是制造者，我们要对特性曲线进行更深入的分析，而内部载流子的运动规律可以帮助我们解释为什么特性曲线是这样。,特性曲线的分类,输入特性曲线输出特性曲线,共射接法特性曲线共基接法特性曲线共集接法特性曲线,NPN管特性曲线PNP管特性曲线,我们只研究NPN共射 特性曲线（输入、输出）,规定电压和电流的参考方向如图所示：,注意电压变量、电流变量的写法：小写的字母，大写的下标,iB=f(vBE)vCE=const,iC=f(vCE)iB=const,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，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。（饱和区）,1、NPN共射输入特性曲线,截止区,非线性区,线性区（放大区）,NPN共射输入特性曲线的特点描述,（1）当vCE=0V时，相当于正向偏置的两个二极管并联，所以与PN结的正向特性相似（2）vCE1V的特性曲线比vCE=0V的右移。原因：vCE1V时集电结反偏，集电结吸引自由电子的能力增强，从发射区注入的自由电子更多地流向集电区，对应于相同的vBE（即发射区发射的自由电子数一定），流向基极的电流减小，曲线右移（3）vCE1V与vCE=1V的曲线非常接近，可以近似认为重合（4）有一段死区（5）非线性特性（6）温度上升，曲线左移（7）陡峭上升部分可以近似认为是直线，即iB与vBE成正比，线性区（8）放大状态时，NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.3V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE)iB=const,2、NPN共射输出特性曲线,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,NPN共射输出特性曲线的特点描述,截止区:的区域:三个电极上的电流为0,发射结和集电结均反偏,相当于开关打开,在数字电路中作为开关元件的一个状态。,饱和区：直线上升和弯曲的部分，发射结电压0.7V(硅管)或0.2V(锗管)；发射结和集电结均正偏,相当于开关闭合,在数字电路中作为开关元件的一个状态。,放大区：曲线近似水平的区域，曲线随vCE增加略有上翘，基区宽度调制效应，发射结 正偏,集电结反偏。集电极电流主要决定于基极电流。,有关三个区的几个简单结论,截止区:三极管的三个电极所在的支路中的电流为0,任意两个极之间的电压是多少，决定于外电路，满足电路方程。饱和区：NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V，没有，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。放大区：NPN的vBE=0.7V,PNP的vBE=-0.2V，有，三极管的三个电极所在的支路中的电流决定于外电路，满足电路方程。,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Vbe0.5V（Si),|Vbe|0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,但是用这种判据不方便,判断三极管工作状态的解题思路：,1、把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压：若发射结反偏或零偏或小于死区电压值：则三极管截止.若发射结正偏：则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤2,2、把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前；假设三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和时的特征VCES=0.3V又有放大的特征IC=IB）,求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS，进而求出基极临界饱和电流IBS 是三极管的集电极可能流过的最大电流（在三极管状态改变的前提下，VCC和RC保持不变）,3、在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB,4、比较iB和IBS的大小:若iB IBS，则三极管处于饱和状态;或者 IB ICS若iB IBS，则三极管处于放大状态；或者 IB ICS,例题:判断下面电路中三极管的状态,例题1 Rb=2k,RC=2K,VCC=12V,例题2 Rb=20k,RC=2K,VCC=12V，=50,例题3 Rb=200k,RC=2K,VCC=12V，=50,例1图,例2、3图,如何改变三极管的状态,只要改变iB和IBS的比较关系即可保持IBS不变，通过改变Rb可改变iB 或保持iB 不变，通过改变RC可改变IBS,1.3.4 BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,(3)共基极直流电流放大系数 IC/IE,(4)共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const,温度变化对ICBO的影响,温度变化对输入特性曲线的影响,温度变化对 的影响,1.3.5 温度对三极管的影响,1.温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输入特性曲线左移,90C,90C,25C,温度T 输入特性曲线右移,ICEO=（1+）ICBO,90C虚线,25C，实线,90C虚线,25C，实线,25C，实线IB=40uA,90C虚线IB=41uA,温度T 输入特性曲线族间距减小,场效应管与晶体管的区别,1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管JFET,1.4 场效应管,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的用途,场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；二是当作电压控制器件用来组成放大电路；三是在数字电路中用做开关元件。双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。,1.4.1 结型场效应管,1、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。,2、结型场效应管（JFET)的工作原理,在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。,（1）VDS=0伏、VGS=0伏时JFET的工作状态,这种情况下两个PN结处于零偏置状态，它们中间的区域是导电沟道。而且导电沟道从漏极到源极平行等宽。用画有黑色的斜线的区域表示达到动态平衡时的PN结。如图所示。这时导电沟道的电阻记为R1。,（2）当VDS=0伏时分别讨论VGS 分别为-1伏和 Vp 时JFET的工作状态,（2.1）VDS=0伏、VGS逐渐增加VGS=-1伏,如图 所示。画有黑色的左斜线的区域所表示的PN结是没有外加电压源时自然形成的。外加电压源VGS使PN结处于反偏状态，PN结的宽度增加，增加的这一部分用画有红色的右斜线的区域来表示。同时将电压源VGS也画成红色，电压源的符号和其产生的PN结均画成红色，对应关系一目了然（因为黑白图无法表示出颜色，所以在图2中用文字加以说明）。此时导电沟道从漏极到源极平行等宽，但比没有电压源VGS作用时的导电沟道要窄一些。这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1。,（2.2)VDS=0伏、VGS逐渐增加至VGS=Vp,当VGS逐渐增加至VGS=Vp 时（不妨取Vp=-3伏），由VGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。如图3所示。Vp是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。不同管子的夹断电压的值是不同的。,（2.3）VDS=0伏、VGS继续增加结型场效应管进入击穿状态,VGS 增加使PN结上的反偏电压超过V（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。,（3）当VGS=0伏时分别讨论VDS 由小变大的过程中JFET的几种工作状态,（3.1）VGS=0伏、VDS的值比较小时,如图4所示，在课件中，电压源VDS用蓝色的线条表示，由它产生的PN结也对应的用蓝色的线条表示（在图4中用文字来说明）。因为VGS=0伏，所以VGS对PN结的宽度没有影响，如前所述，此时导电沟道最宽，相应的等效电阻为R1。电压源VDS使电流沿导电沟道从漏极流向源极，从而引起漏极到源极的导电沟道上有电位降，VDS给PN结施加的是一个反偏电压，靠近漏极的区域反偏电压大，靠近源极的区域反偏电压小，导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当VDS 比较小时，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是线性电阻。这时VDS和iD的关系可以用图7 输出特性曲线中过原点的OA直线段表示。可以这么说，当导电沟道在预夹断之前JFET管的状态对应输出特性曲线的线性电阻区。,（3.2)VGS=0伏、VDS的值增加至Vp时,如图所示，当VDS的值增加至Vp时，PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为所有可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。,（3.3)VGS=0伏、VDS继续增加,如图 所示，当VDS继续增加时，PN结相接的区域继续向源极方向扩展，导电沟道被夹断的这部分区域对应的电阻可以近似认为是无穷大，但是此时在靠近源极的区域导电沟道还存在，与被夹断的区域所呈现的电阻相比，此导电沟道对应的电阻比较小，所以当电压源VDS增加时，可以近似认为漏极电流不随VDS的增加而增加。可以这样来解释，电压源VDS增加的部分几乎全部落在前一部分上，导电沟道上的电压几乎不变，所以漏极电流几乎不变，处于饱和状态，此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态对应图7输出特性曲线中的AB段。此区域称为恒流区（放大区、饱和区）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。,（3.4)VGS=0伏、VDS继续增加至V（BR）DS,PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图7中的B点所示。此时的VDS值为最大漏源电压，记为V（BR）DS。,(4)当VGS=-1伏（即VGSVp的某个值）时 VDS 由小变大时JFET的状态,(4.1)VGS=-1伏、VDS的值比较小时,电压源VGS画成红色，标有红色的右斜线的区域表示VGS=-1伏产生的PN结，红色的电压源符号与红色的PN结对应。如前所述，此时导电沟道的电阻为R2。电压源VDS使电流沿导电沟道从漏极流向源极，从而引起漏极到源极的导电沟道上有电位降，VDS给PN结施加的是一个反偏电压，靠近漏极的区域反偏电压大，靠近源极的区域反偏电压小，导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。因为VDS 的值比较小，所以导电沟道还没有被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。JFET管的状态对应图11 中过原点的OM直线段。可以这么说，导电沟道在预夹断之前可以等效成一个线性电阻。,(4.2)VGS=-1伏、VDS的值增加至某值开始出现预夹断,如图所示，当VDS的值增加至某值（此值比Vp小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有VGS+VDS=Vp。JFET的状态对应图11输出特性曲线中的M点。M点对应的VDS值比A点对应的VDS值小，因为VDS=Vp-VGSVp。,(4.3)VGS=-1伏、VDS的值继续增加,如图所示，当VDS继续增加时，两边PN结相接的区域继续向源极方向扩展，这部分区域对应的电阻可以认为是无穷大。此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不随VDS的增加而增加，可以这样来解释，电压源VDS增加的部分几乎全部落在前一部分上，导电沟道上的电压几乎不变。所以漏极电流几乎不变，处于饱和状态。此时JFET管的状态对应输出特性曲线中的MN段。此区域称为恒流区（放大区、饱和区）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。,(4.4）VGS=-1伏、VDS继续增加至出现PN结击穿,VGS 和VDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，VDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的VDS值比VGS=0时出现反向击穿的VDS小。,(5)当VGS VP时JFET处于截止状态,当VGS VP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。不同VGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的VDS记为VDS（sat），VDS（sat）Vp。绝缘栅场效应管的讲解与结型场效应管的讲解过程几乎完全相同，只是导电沟道的形成原理稍有不同。,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,3、场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线,(1)输出特性曲线,(2)转移特性曲线,#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,VP,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,1.4.2 绝缘栅场效应管,MOS场效应管分类,增强型MOS场效应管,一 N沟道增强型MOS场效应管结构二 N沟道增强型MOS的工作原理三 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S发射极E,绝缘栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,二、N沟道增强型MOS的工作原理,按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。,在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。,（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；,当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结,（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；,（2.1）当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。,（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道,（2.3）当VDS=0V，VGSVT时,沟道加厚,开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值,（3.1）电压源VDS的值较小,导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区,电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降,（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0,（3.2）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS=VT,导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS VT,导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区,恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,耗尽型MOS场效应管,一 N沟道耗尽型MOS场效应管结构二 N沟道耗尽型MOS的工作原理三 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS0时,将使iD进一步增加。当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,1.4.3 场效应管的主要参数,2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。,1.开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107，绝缘栅:1091015。,5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。,6.栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,7.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,8.输出电阻rds,9.极间电容,Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容,