ch4半导体二极管、三极管和场效应管.ppt

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1、本章重点和考点：,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。,3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,1、什么是半导体,4.1 PN结,一、半导体的基础知识,绝缘体导电能力导体,2、半导体的特点,下一页,前一页,第 1-2 页,退出本章,3.本征半导体,纯净半导体被称为本征半导体。,典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,4.1 PN结,一、半导体的基础知识,下一页,前一页,第 1-3 页,退出本章,1）本征半导体的共价键结构,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共

2、价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子,4.1 PN结,一、半导体的基础知识,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体,下一页,前一页,第 1-4 页,退出本章,自由电子,空穴,T,2）、本征激发,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,这种现象就称为本征激发,下一页,前一页,第 1-5 页,退出本章,说明：,1）由本征激发产生的自由电子空穴对很少,2）本征激发受温度的影响很大，温度每上升1度，自由电子空穴的数目增大一倍。,4.1 PN结,一、半导体的基础知识,

3、下一页,前一页,第 1-6 页,退出本章,自由电子,空穴,4、两种载流子,载流子：运载电流的粒子,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,两种载流子,空穴 带正电荷 空穴流,下一页,前一页,第 1-7 页,退出本章,5、复合,自由电子失去能量又与共价键中的空穴结合,当本征激发核复合达到动态平衡时，自由电子与空穴就维持在某一浓度。,小结：,1、半导体材料中，自由电子和空穴都是载流子,3、本征半导体中同时存在两种导电现象，电子导电和空穴导电，流过外电路的电流为电子电流空穴电流：I=IN+IP,2、在本征半导体中本征激发产生的电子空穴对很少，因而电路中产生的电流很小，但对温度敏感。,4.1 PN结,一、

4、半导体的基础知识,下一页,前一页,第 1-9 页,退出本章,掺入五价原子占据Si原子位置,在室温下就可以激发成自由电子,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体。,1、N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,4.1 PN结,二、杂质半导体,1）构成,下一页,前一页,第 1-10 页,退出本章,多数载流子自由电子，主要由掺杂产生。,少数载流子空穴，由本征激发产生。,自由电子,电子空穴对,2）多子与少子,4.1 PN结,二、杂质半导体,下一页,前一页,第 1-11 页,退出本章,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子

5、空穴,少数载流子自由电子,空穴,电子空穴对,2、P型半导体,4.1 PN结,二、杂质半导体,下一页,前一页,第 1-12 页,退出本章,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关，取决于掺杂浓度,4.1 PN结,二、杂质半导体,下一页,前一页,第 1-13 页,退出本章,1.PN结的形成,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-14 页,退出本章,2.PN结中的载流子运动,1）扩散运动,多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,形成空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,空间电荷区,多子扩散电流,耗尽层,4.1 PN

6、结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-15 页,退出本章,2）漂移运动,少子漂移电流,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-16 页,退出本章,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-17 页,退出本章,3.PN结的单向导电性,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-18 页,退出本章,(2)加反向电压

7、电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-19 页,退出本章,PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；,结论：PN结具有单向导电性。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-20 页,退出本章

8、,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT=kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数1.381023，q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度，对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV,当 u0 uUT时,当 u|U T|时,4.PN结的电流方程,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-21 页,退出本章,5.PN结的伏安特性曲线,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-22 页,退出本章,6.

9、PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1)势垒电容CB,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-23 页,退出本章,(2)扩散电容CD,当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的非平衡少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,平衡少子：PN结处于平衡时的少子。,非平衡少子：外加正向电压时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-24 页,退出本章,PN结结电容（极间电容）CJ,CJ=CB+C

10、D,由于一般很小，对于低频信号呈现较大的容抗，其作用可忽略不计，所以，只有在信号频率较高时，才考虑电容的作用。,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,下一页,前一页,第 1-25 页,退出本章,半导体,本征半导体:本征激发,PN结,形成过程,单向导电性,小结：,4.1 PN结,三、PN结及其单向导电性,二极管=PN结+管壳+引线,1、结构,2、符号,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和类型,下一页,前一页,第 1-27 页,退出本章,3、二极管的分类：,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。,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和类型,3

11、）、平面型二极管,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。,4.2 半导体二极管,一、半导体二极管的结构和类型,下一页,前一页,第 1-29 页,退出本章,硅：0.5 V 锗：0.1 V,(1)正向特性,导通压降,(2)反向特性,死区电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,4.2 半导体二极管,二、半导体二极管的伏安特性曲线,下一页,前一页,第 1-30 页,退出本章,(1)最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(2)反向击穿电压UBR,二极管反向电流急

12、剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。,(3)反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4)最高工作频率fM,二极管工作的上限频率,4.2 半导体二极管,三、二极管的主要参数,下一页,前一页,第 1-31 页,退出本章,1、理想等效电路模型,正偏,反偏,2、恒压源等效电路,U ON:二极管的导通压降。硅管 0.7V，锗管 0.3V。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-32 页,退出本章,1、理想二极管模型,相对误差：,硅二极管电路如图所示，若已知回路电流I测量值 为 9

13、.32mA，试分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流I，并比较误差。,2、恒压降模型,解：,相对误差：,0.7V,例1：,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-33 页,退出本章,例：电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压降模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-34 页,退出本章,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，UREF=2V,分别采用理想

14、二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管模型分析。波形如图所示。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-35 页,退出本章,采用恒压降模型分析，波形如图所示。,4.2 半导体二极管,四、二极管的等效电路,下一页,前一页,第 1-36 页,退出本章,1、整流,已知ui10sint(V)，二极管正向导通电压可忽略不计。试画出ui与uO的波形。,4.2 半导体二极管,五、二极管的应用,下一页,前一页,第 1-37 页,退出本章,0.7V,-0.7V,0.7V,2、限幅,已知硅二极管组成电路，试画出在输入信号ui作用下输出

15、电压uo波形。,五、二极管的应用,4.2 半导体二极管,-0.7V,uO,ui,t,t,下一页,前一页,第 1-38 页,退出本章,3、用于数字电路,例：分析如图所示电路的功能。,解：,4.2 半导体二极管,五、二极管的应用,下一页,前一页,第 1-39 页,退出本章,正向同二极管,1、符号：,稳压二极管工作在反向击穿区,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-40 页,退出本章,稳定电压,2、伏安特性：,3、稳压二极管的主要 参数,(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=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特

16、性愈陡。,(3)最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,(4)最大稳定工作电流IZmax,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-41 页,退出本章,4、稳压原理,RL,UO,IDZ,IR,UO,UR,如图所示电路，若负载发生变化引起输出减小，可利用该电路实现稳压作用。,4.2 半导体二极管,六、稳压二极管,下一页,前一页,第 1-42 页,退出本章,4.3 双极型晶体管,1 晶体管的结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,4.3 双极型晶体管,一、晶体管的结构和类型,两PN

17、结、三区、三极,集电区,基区,发射区,集电结,发射结,下一页,前一页,第 1-44 页,退出本章,NPN型三极管,PNP型三极管,4.3 双极型晶体管,2 符号,下一页,前一页,第 1-45 页,退出本章,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,4.3 双极型晶体管,一、晶体管的结构和类型,3 晶体管结构的特点,下一页,前一页,第 1-46 页,退出本章,1、晶体管内部载流子的运动,发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2.扩散到基区的自由电子与空穴的复

18、合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-47 页,退出本章,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-48 页,退出本章,2、晶体管的电流分

19、配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC=ICn+ICBO,IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp,IB=IEp+IBnICBO,IE=IC+IB,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-49 页,退出本章,3、晶体管的共射电流放大系数,整理可得：,ICBO 称反向饱和电流,ICEO 称穿透电流,1)共射直流电流放大系数,2)共射交流电流放大系数,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-50 页,退出本章,3)共基直流电流放大系数,或,4)共基交流电流放大系数,直流参数 与交流

20、参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，与，与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,5)与的关系,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,4、三极管的电流方向,发射极的电流方向与发射极的箭头方向一致,二、晶体管的电流分配及其放大作用,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-52 页,退出本章,1、输入特性,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,iB=f(uBE)UCE=const,下一页,前一页,第 1-53 页,退出本章,2、输出特性,

21、此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,iC=f(uCE)IB=const,下一页,前一页,第 1-54 页,退出本章,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,下一页,前一页,第 1-55 页,退出本章,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,下一页,前一页,第 1-56 页,退出本章,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。

22、即：IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区：UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,下一页,前一页,第 1-57 页,退出本章,判断三极管工作状态的方法,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-58 页,退出本章,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,例,判断下列三极管的工作状态,饱和,截止,放大,截止,饱和,放大,下一页,前一页,第 1-59 页,退出本章,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,下一页,

23、前一页,第 1-60 页,退出本章,例2某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-61 页,退出本章,例3：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=1

24、2V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,原则：先求UBE，若等于，为硅管；若等于，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。NPN管UBE0，UBC0，即UC UB UE。PNP管UBE0，UBC0，即UC UB UE。,解：,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,下一页,前一页,第 1-62 页,退出本章,（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、

25、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,解：,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,1）USB=-2V时：,IB=0，IC=0,Q位于截止区,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,解：,下一页,前一页,第 1-63 页,退出本章,2）USB=5V时:,IB IBm

26、ax，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系，晶体管饱和失真）,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,ICMAX(USCUCES)/RC,(120.3)/6 1.95(mA),下一页,前一页,第 1-64 页,退出本章,IBMAX ICMAX/1.95/50=0.039 mA,IB IBmax(=1.95mA)，Q位于放大区。,3）USB=2V时：,4.3 双极型晶体管,三、晶体管的共射特性曲线,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当

27、USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,下一页,前一页,第 1-65 页,退出本章,IBMAX ICMAX/1.95/50=0.039 mA,例：电路如图所示，=50，当开关S分别接到ABC三个触点时，判断三极管的工作状态。,三、晶体管的共射特性曲线,4.3 双极型晶体管,4.3 双极型晶体管,四、晶体管的主要参数,三极管的参数分为三大类:直流参数、交流参数、极限参数,1、直流参数,1）共发射极直流电流放大系数,=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const,2）共基直流电流放大系数,3）集电极基极间反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的穿透电流ICEO,ICE

28、O=（1+）ICBO,2、交流参数,1）共发射极交流电流放大系数=iC/iBUCE=const,2）共基极交流电流放大系数=iC/iE UCB=const,3）特征频率 fT,值下降到1的信号频率,四、晶体管的主要参数,4.3 双极型晶体管,1）最大集电极耗散功率PCM,PC=iCuCE,3、极限参数,2）最大集电极电流ICM,3）反向击穿电压,UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。,U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。,UCEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 UCBOUCEOUEBO,四、晶体管的主要参数,4.3 双极型晶体管,4、温度对晶体

29、管特性及参数的影响,1）温度对ICBO的影响,温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。,硅管的ICBO比锗管的小得多。,2）温度对输入特性的影响,温度升高时正向特性左移，反之右移,3）温度对输出特性的影响,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,4.4 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

30、,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,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 1010 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。,一、绝缘栅型场效应管,1、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,1.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。,2.工作

31、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。,(2)UDS=0，0 UGS UGS(th),栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成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P型衬底的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层,反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。,UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,(4)UDS 对导电沟道的影响(U

32、GS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。,b.UDS=UGS UT，UGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.UDS UGS UT，UGD UT,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 UT,(a)UGD UT,(b)UGD=UT,(c)UGD UT,在UDS UGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,3.特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT，iD=0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID

33、 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,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=UP,感应电荷被“耗尽”，iD 0。,UP或UGS(off)称为夹断电压,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N

34、沟道耗尽型MOSFET,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0 当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0 UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。,符号,1、结构,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。,一、结型场效应管,P 沟道场效应管,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的

35、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。,一、结型场效应管,2、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*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。,一、结型场效应管,1)当UDS=0 时，uGS 对导电沟道的控制作用,UGS=0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.

36、,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示,一、结型场效应管,2)当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时,uDS 对漏极电流iD的影响。,uGS=0，uGD UGS（Off)，iD 较大。,uGS UGS（Off)，iD 变小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGD uGS uDS,一、结型场效应管,uGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断,uGS 0,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变,(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

37、偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),一、结型场效应管,3.当uGD uGS(off),时，,uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,在uGD uGS uDS uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。,gm=iD/uGS,(单位mS),一、结型场效应管,小结,(1)在uGD uGS uDS uGS(off)情况下,即当uDS uGS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当uDS使uGD uGS(o

38、ff)时，d-s之间预夹断,(3)当uDS使uGD uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS 无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,一、结型场效应管,3、结型场效应管的特性曲线,1)转移特性(N 沟道结型场效应管为例),两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的 ID),夹断电压 UGS(off)(ID=0 时的 UGS),uGS=0，iD 最大；uGS 愈负，iD 愈小；uGS=UGS(off)，iD 0。,一、结型场效应管,转移特性,2)输出特性曲线,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系，即,结型场效应

39、管转移特性曲线的近似公式：,一、结型场效应管,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,夹断区,击穿区,一、结型场效应管,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,一、结型场效应管,各类场效应管的符号和特性曲线,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 UP 或UGS(off),3.开启电压 UT 或UGS(th),4.直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 10

40、7 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。,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。,三、极限参数,3.漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,4.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

41、，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。,1.最大漏极电流IDM,例,电路如图1所示，其中管子T的输出特性曲线如图2所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,图1,图2,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V,G,S,D,解:,(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2)uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V,(3)uGSui10V时，,若工作在恒流区，iD 2.

42、2mA。因而u0 15-2.2*5 4V,但是，uGS 10V时的预夹断电压为,uDS=uGS UT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,图2,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),场效应管与晶体管的比

43、较,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和 超大规模集成,晶体管,场效应管,小 结,第 4 章,一、两种半导体和两种载流子,两种载流子的运动,电子,空穴,两 种半导体,N 型(多电子),P 型(多空穴),二、二极管,1.特性,单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,2.主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR(IS)(受温度影响),IS,3.二极管的等效模型,理想模型(大信

44、号状态采用),正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on)时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on)=(0.6 0.8)V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.1 0.3)V,0.2 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4.二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5.特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,三、两种半导体放大器件,双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT)

45、,单极型半导体三极管(场效应管 FET),两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1.形式与结构,NPN,PNP,三区、三极、两结,2.特点,基极电流控制集电极电流并实现放大,放大条件,内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大,外因：发射结正偏、集电结反偏,3.电流关系,IE=IC+IB,IC=IB+ICEO,IE=(1+)IB+ICEO,IE=IC+IB,IC=IB,IE=(1+)IB,4.特性,死区电压(Uth)：,0.5 V(硅管),0.1 V(锗管),工作电压(UBE(on)：,0.6 0.8 V 取 0.7 V(硅管),0.2 0.3 V 取 0.3 V(锗管),饱和区,截

46、止区,放大区,饱和区,截止区,放大区特点：,1)iB 决定 iC,2)曲线水平表示恒流,3)曲线间隔表示受控,5.参数,特性参数,电流放大倍数,=/(1),=/(1+),极间反向电流,ICBO,ICEO,极限参数,ICM,PCM,U(BR)CEO,ICM,U(BR)CEO,PCM,安 全 工 作 区,=(1+)ICBO,场效应管,1.分类,按导电沟道分,N 沟道,P 沟道,按结构分,绝缘栅型(MOS),结型,按特性分,增强型,耗尽型,uGS=0 时，iD=0,uGS=0 时，iD 0,增强型,耗尽型,(耗尽型),2.特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流,输入电阻高，工艺简单，易集成,由于

47、 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述,3.特性,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,(耗尽型),IDSS,开启电压UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值,四、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C=IB,发射结正偏集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS=IBS 集电结零偏,临界,截止,IB 0,IC=0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(th)则导通,以 NPN为 例：,UBE U(th)则截止,判断饱和还是放大：,1.电位判别法,NPN 管,UC UB UE,放大,UE UC UB,饱和,PNP 管,UC UB UE,放大,UE UC U B,饱和,2.电流判别法,IB IBS 则饱和,IB IBS 则放大,