模电第1章常用半导体器件.ppt

(14-1),模拟电子技术,1.1 半导体的基础知识与PN结,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,(14-2),主 要 内 容：,二极管,三极管,场效应管,重点:,掌握二极管的伏安特性；熟悉二极管电路的分析方法。,掌握场效应管原理及特性。,掌握三极管原理及输入输出伏安特性；熟悉三极管的三种工作状态及特点和条件。,(14-3),1.1 半导体的基本知识与PN结,导体、半导体和绝缘体,导体 自然界中很容易导电的物质。金属一般都是导体。,绝缘体 几乎不导电。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体 导电特性处于导体和绝缘体之间的物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电特性:,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,-热敏性和光敏性,-掺杂性,(14-4),1.导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2.绝缘体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3.半导体：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(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,1.1 半导体的基本知识,导体、半导体和绝缘体:,硅(si)和锗(Ge)原子结构最外层有4个价电子,称为“四价半导体”。,(14-5),1.1.1 本征半导体,现代电子学中，用得最多的半导体是硅(si)和 锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个,称为“四价半导体”。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,价电子,(14-6),1.1.1 本征半导体,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。,单晶体中的共价键结构,共价键,当温度 T=0 K 时，共价键束缚的电子很难成为自由电子,半导体不导电，如同绝缘体。,(14-7),自由电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即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空位，称为空穴（带正电）。,空穴,这一现象称为本征激发或热激发。,本征半导体的导电机理,(14-8),热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对.,游离的部分自由电子落入未饱和共价键，电子空穴成对消失，称为复合,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。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,(14-9),在外电场的作用下，空穴吸引临近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴也是载流子。,半导体中有两种载流子：自由电子和空穴,空穴的移动:,问题:空穴是载流子吗?,(14-10),当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流:,本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(1)自由电子作定向运动 电子电流,本征半导体的导电机理,(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意：,温度愈高载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,(14-11),1.1.2 杂质半导体,其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。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（电子半导体）掺入五价杂质元素（如磷）使自由电子浓度大大增加的杂质半导体。,P型半导体（空穴半导体）掺入三价杂质元素（如硼）使空穴浓度大大增加的杂质半导体。,(14-12),在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质的半导体，称为杂质半导体。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体(电子半导体),P 型半导体(空穴半导体),一、N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,(14-13),N型半导体,多余电子,在常温下即可变为自由电子,施主原子,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,失去一个电子变为不能移动的正离子,在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（简称少子）,由热激发形成。,(14-14),(14-15),二、P 型半导体:,掺入少量的3价杂质元素，如硼.,空穴,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,受主原子,接受一个电子变为不能移动的负离子,在P型半导体中空穴是多数载流子（简称多子），它主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子（简称少子）,由热激发形成。,(14-16),3.杂质半导体的示意表示法,P型半导体,N型半导体,小结：,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(14-17),一.PN 结的形成,扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，这个空间电荷区就称为PN 结。,1.1.3 PN结,(14-18),PN结,一.PN 结的形成,扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，这个空间电荷区就称为PN 结。,(14-19),多子的扩散运动,浓度差,形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,PN 结的形成：,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。便形成稳定的空间电荷区，即PN结.,(14-20),二.PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压(正偏):,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态.,外加电压使P区的电位高于N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结加正向电压,(14-21),2.PN结外加反向电压(反偏):,外加电压使P区的电位低于N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,PN结加反向电压,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,(14-22),1、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结导通。,结论:,2、PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结截止。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3、PN结的电流方程:(外加电压u与流过电流i的关系),IS:反向饱和电流,UT26mV(常温下),(14-23),三.PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应:,1.势垒电容Cb：,势垒电容、扩散电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,是由空间电荷区的离子薄层形成的。,(14-24),2.扩散电容Cd：,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,扩散电容示意图,PN结的结电容Cj:,由于结电容很小，对低频信号呈现很大的容抗，可忽略不计。,在信号频率较高时，需考虑结电容的影响。,(14-25),1.2半导体二极管,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,1.2.1 基本结构：,(14-26),二极管符号,用于集成电路制作工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中,(14-27),二极管伏安特性及电流方程:,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,二极管伏安特性曲线,(14-28),二极管伏安特性:,开启电压Uon,外加正向电压大于开启电压二极管才能导通。,导通压降UD,反向电流在一定电压范围内保持常数。,反向击穿电压U(BR),外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,硅管0.5V锗管0.1V,硅0.60.8V锗0.20.3V,(14-29),从二极管的伏安特性可以反映出：,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,1.单向导电性,电流方程：,正向特性为指数曲线,(14-30),二极管的主要参数,1、最大整流电流 IF:,2、最高反向工作电压UR,3、反向电流 IR,允许流过二极管的最大正向平均电流.,4、最高工作频率fM,(14-31),二极管的等效电路及应用,一、等效电路(将非线性器件转化成线性器件),1.理想二极管等效电路,(a)特性曲线的近似,(b)等效电路,UPN 0V;D导通；UPN=0V。,UPN0V;D截至；UPN开路。,2.考虑正向压降的等效电路,(a)特性曲线的近似,(b)等效电路,UPN Uon;D导通；UPN=UD。,UPNUon;D截至；UPN开路。,(14-32),3.考虑正向导通电压电流变化时的等效电路,(a)特性曲线的近似,(b)等效电路,近似分析时，前两种等效最常用。,(14-33),Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,二.小信号等效电路,(14-34),ui=0时直流电源作用,二极管在直流基础上叠加一小动态信号时，二极管可等效为一个电阻rd，称为动态电阻.,Q越高，rd越小。,小信号作用,静态电流,二.微变等效电路(有小信号信号作用时),(14-35),u2 正半周，VaVb，二极管D导通.,u2 负半周，Va Vb，二极管D 截止。,设,uo=u2,uo=0,，uD=0,，uD=u2,三.二极管应用,例1、二极管半波整流,(利用二极管的单向导电性),(14-36),二极管电路的分析方法:,定性分析判断二极管的工作状态,关键:,导通截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零(将二极管视为短路)，反向截止时二极管相当于断开(开路),将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,分析方法:,若 VP VN或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 VP VN或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,(14-37),ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：限幅电路,二极管阴极电位为 8 V,(14-38),二极管电路分析举例,例3.设图中VD为普通硅二极管，正向压降为0.7V，试判断VD是否导通，并计算UO的值。,解:,(a)电路二极管承受反向电压截止,(b)电路二极管导通,(14-39),作业1:电路中VD均可视为理想二极管,试判断它们是是否导通，并计算UO的值。,作业2.设图中VD为普通硅二极管，正向压降为0.7V，试判断VD是否导通，并计算UO的值。,(14-40),两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例（2）:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,(14-41),小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型 半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型 应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法,(14-42),1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,1.2.5特殊二极管-稳压二极管,(14-43),（4）稳定电流IZ(Izmin)、最大稳定电流Izmax,（5）最大允许功耗,3.稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（2）电压温度系数U（%/）,（3）动态电阻,稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,(14-44),工作原理:,RL(IL)IR,设UI一定，负载RL变化,UO(UZ),IDZ,UI=UR+U0,IR=IL+IDZ,UO=UZ,4.稳压电路及稳压原理:,稳压二极管反接,保证管子工作在反向击穿区.,必须加限流电阻,稳压管应与负载电阻 RL 并联；,(14-45),UI UZ,设负载RL一定，UI 变化,IDZ,IR,UI=UR+U0,IR=IL+IDZ,UO=UZ,电阻R作用 限流 调压,在稳压管稳压电路中，必须要有限流电阻R。,工作原理:,(14-46),（1）UI的选择 UI（23）UZ（2）稳压管的选择 UZUO IZMIZ ILmax ILmin（3）限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。,电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。,电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。,5.稳压管稳压电路的设计,(14-47),稳压二极管电路举例,例1,稳压管的技术参数:,负载电阻。,求限流电阻R的取值范围？,解：,(14-48),稳压二极管电路举例,例2:已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。,（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；,（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？,(14-49),稳压二极管电路举例,解：（1）当UI10V时，若UOUZ6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故,当UI15V时，稳压管中的电流小于最小稳定电流IZmin，所以UO5V 当UI35V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，UOUZ6V,29mAIZM25mA，,（2）,稳压管将因功耗过大而损坏。,(14-50),1.3 晶体三极管(BJT),基本结构及符号,发射区,基区,集电区,(14-51),半导体三极管的结构示意图如下所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。,NPN型,PNP型,NPN型符号,PNP型符号,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,基极，用B或b表示（Base）,发射结,集电结,(14-52),结构特点：,管芯结构剖面图,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。,(14-53),基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：结面积最大,(14-54),1.3.2 电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。,从电位的角度看：,NPN,(14-55),进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO,2.内部载流子的传输过程,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,(14-56),IC=ICN+ICBO,IB=IBN-ICBO,共发射极电流放大倍数:,C,三极管的电流分配关系:,IE=IBN+ICN,当IB=0时,IC=ICEO.,=IB+IC,(14-57),一组三极管电流关系典型数据,1.三极管电流关系:,2.当IB 有微小变化时，IC 变化较大。说明三极管具有电流放大作用。,3.电流放大的条件:发射结正偏,集电结反偏.,(14-58),三极管的特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线,三极管共射特性曲线测试电路,UBE,UCE,输入特性：,输出特性：,(14-59),1.输入特性,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,同PN结的伏安特性,UCE增大曲线右移,UCE增大到一定值曲线右移就不明显了.,(14-60),1.输入特性,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,同PN结的伏安特性,UCE增大曲线右移,UCE增大到一定值曲线右移就不明显了.,(14-61),2.输出特性,3DG100晶体管的输出特性曲线,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,(14-62),输出特性曲线分为三个工作区，对应晶体管的三种工作状态。,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1)放大区,在放大区 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,(14-63),输出特性曲线分为三个工作区，对应晶体管的三种工作状态。,(1)放大区,3DG100晶体管的输出特性曲线,在放大区 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,(14-64),iC/mA,uCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB=0,(2),截止区,截止时,集电结也处于反向偏置(UBC 0),此时,IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。,IB=0 时,IC=ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),截止区,IC 0,UCE UCC。,(14-65),iC/mA,uCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB=0,(3)饱和区,在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。IC UCC/RC。,当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。,饱和区,(14-66),三极管工作状态的确定：,截止区：,放大区：,(14-67),例：已知 判断三极管工作状态。,结论：,时晶体管截止区,时晶体管在放大区。,时晶体管在饱和区。,设：三极管导通同时正向电压为0.7V,(14-68),1.电流放大倍数,则交流电流放大倍数为：,三极管的主要参数,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，,共射放大电路,一.主要参数,(14-69),（2）共基极电流放大系数 和,共基电流放大系数:,和 的换算关系为:,共基放大电路,(14-70),2.极间反向电流,(1).集电极基极反向饱和电流ICBO,ICBO是指发射极开路，集电极和基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。,作为晶体管的性能指标，ICBO 越小越好。硅管的ICBO 比锗管的小的多。,(14-71),(2)穿透电流ICEO,ICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。,ICEO,ICEO=(+1)ICBO,(14-72),3.极限参数,(1).集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,(2).集-射极反向击穿电压UBR(CEO),当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压UBR(CEO)。,(3).集电极最大允许功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC PCM=IC UCE,(14-73),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,(14-74),ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,(14-75),二.温度对晶体管特性及参数的影响,1.温度对ICBO 的影响,2.温度对输入特性 的影响,温度ICBO,温度升高1oC，UBE 减小约22.5mV，具有负的温度系数。若UBE 不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。,(14-76),3.温度对输出特性 的影响,温度上升时，输出特性曲线上移。,温度升高，IC增大，增大。温度每升高1oC，要增加 0.5%1.0%,(14-77),半导体三极管图片,(14-78),小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：双极性晶体管的结构和类型：NPN、PNP 晶体管的电流放大作用和电流分配关系 晶体管具有放大作用的内部条件 晶体管具有放大作用的外部条件 IE=IB+IC=(1+)IB，IC=IB，晶体管的特性及参数晶体管的三个工作状态 温度对晶体管参数的影响,(14-79),例：已知晶体管处于放大状态，判断管子的类型。,三极管类型判别举例,(14-80),例：已知 判断三极管工作状态。,结论：,时晶体管截止区,时晶体管在放大区。,时晶体管在饱和区。,设：三极管导通同时正向电压为0.7V,三极管工作状态举例,作业:1.3,1.6,1.0,(14-81),国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,半导体三极管的型号,(14-82),14.5 光电器件,符号,14.5.1 发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。,发光二极管的工作电压为1.5 3V，工作电流为几 十几mA。,(14-83),14.5.2 光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时,产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。,(a)伏安特性,(b)符号,E2 E1,光电流很小,一般只有几十微安,应用时必须放大。,(14-84),1.4 场效应管(FET),利用电场效应来控制电流的半导体器件，称为场效应管，由于只有一种载流子参与导电也称单极型三极管。,场效应管分类:,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点:,(1)输入电阻高；热稳定性好；噪声低,(2)工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,(14-85),符号,结型场效应管,一、结构及符号,N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,(14-86),P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。,(14-87),二、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,(14-88),1.设UDS=0,在栅源之间加负电源VGG，改变VGG(UGS)大小。观察栅-源电压UGS对导电沟道宽度的控制作用.,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。,(14-89),2.在漏源极间加正向VDD，使 UDS 0。观察漏-源电压uDS对漏极电流的影响,(a)uGDUGS（off）,uGSUGS（off）且不变，VDD(uDS)增大，iD增大.,(b)uGD=UGS（off）,预夹断,(c)uGDUGS（off）,VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,(14-90),结论：,（1）当uGD=uGS-uDSUGS(off)时，即靠近漏极侧未出现夹断时，iD随uGS线性增大，对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。（2）当uDS增大使uGD=UGS(off)时，d-s间出现预夹断。（3）当uDS增大使uGDUGS(off)时，d-s间出现夹断，iD仅仅决定于uGS，而与uDS无关。,当UGS(off)uGS 0时，,(14-91),（1）改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，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 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(14-92),g-s电压控制d-s的等效电阻,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,夹断区（截止区）,夹断电压,低频跨导：,1.输出特性:,场效应管有三个工作区：可变电阻区、恒流区、夹断区,三、特性曲线,(14-93),夹断电压,漏极饱和电流,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uDSUGS（off）。,转移特性描述uGS对iD的控制作用,2.转移特性(N 沟道结型场效应管为例),uGS=0，iD 最大；uGS 愈负，iD 愈小；uGS=UGS(off)，iD 0。,(14-94),转移特性曲线,输出特性曲线,iD mA,0,UDS,10,UGS=0V,-1V,-3V,-4V,-2V,-5V,N沟道结型场效应的特性曲线,-6V,(14-95),绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,(14-96),S,源极 S,D,漏极 D,G,栅极 G,1.结构,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构示意图,符号,(14-97),一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1.结构及符号:,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,结构示意图,符号,(14-98),2.工作原理,绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。,工作原理分析:,(1)UGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(14-99),(2)UDS=0，0 UGS UGS(th),P型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,(3)UDS=0，UGS UGS(th),由于吸引了足够多的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层,UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。,UGS（th）为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,(N型导电沟道),(14-100),(4)UDS 对导电沟道的影响(UGS UGS(th),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,a.UDS UGS(th),b.UDS=UGS UGS(th)，UGD=UGS(th),c.UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th),(14-101),UDS 对导电沟道的影响,(a)UGD UGS(th),(b)UGD=UGS(th),(c)UGD UGS(th),(14-102),3.特性曲线,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UGS(th)，ID=0；,UGS UGS(th)，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID 逐渐增大。,三个区：可变电阻区、恒流区、夹断区。,UGS(th)2UGS(th),IDO,UGS/V,ID/mA,O,可变电阻区,恒流区,夹断区,(14-103),二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,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 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。,UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；,UGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UGS(off)称为夹断电压,符号,(14-104),N 沟道耗尽型 MOS 管特性:,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可.,(14-105),场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2.夹断电压 UGS(off),3.开启电压 UGS(th),4.直流输入电阻 RGS,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。,(14-106),二、交流参数,1.低频跨导 gm,2.极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),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。一般为几个皮法。,(14-107),三、极限参数,1.漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,3.栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。,场效应管工作时，栅源间 PN 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情况类似，属于破坏性击穿。,(14-108),场效应管的分类：,工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,