第1章半导体器件.ppt

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1、第1章常用半导体器件,返回目录,1.1 半导体基础知识,1.2半导体二极管,1.3 双极型三极管,1.4 场效应管,返回首页,1.1 半导体基础知识,1.1.1 半导体的导电特性,1.1.2 半导体的种类及其内部结构,返回,1.1.3 PN结,3、掺杂特性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）,1.1.1 半导体的导电特性,1、热敏性：半导体受热时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成热电传感器,2、光敏性：半导体光照时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光敏元件。,返回,1.1.2 半导

2、体的种类及其内部结构：,1.种类,半导体,P型半导体(空穴型）,杂质半导体,N型半导体（电子型）,本征半导体,价电子：最外层的电子受原子核的束缚最小，最为活跃，故称之为价电子。最外层有几个价电子就叫几价元素，半导体材料硅和锗都是四价元素。,常用半导体材料硅和锗的原子结构,本征半导体对半导体提纯，使之成为单晶体结构。这种纯净的晶体叫本征半导体。晶体管就是由此而来的。,2.半导体的内部结构及导电方式：,共价键结构每个价电子为两个相邻原子核所共有。,l内部结构：,本征激发价电子获得一定的能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子的现象叫本征激发。,空穴:留下的空位,自由电子数=空穴数,自由电子和空穴统称为载

3、流子,本征半导体的特点,l导电方式,电子电流,空穴电流,共价健中的价电子在外电场的力的作用下挣脱共价键的束缚，沿与外电场方向相反方向填补空穴，就好像空穴沿与外电场方向相同的方向作定向运动，形成电流，这个电流称为空穴电流。,外电场,所以，本征半导体中有两种电流：电子电流和空穴电流，他们的方向一致，总电流为电子电流与空穴电流之和。,在半导体上加电场时,本征半导体中电流的大小取决于自由电子和空穴的数量，数量越多，电流越大。即本征半导体的导电能力与载流子的数量有关，而当光照和加热时，载流子的数量都会增加，这就说明了光敏性和热敏性。,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型

4、半导体。,3 杂质半导体：,N型半导体（电子型半导体）,热激发产生的自由电子,掺杂磷产生的自由电子,掺杂磷产生的自由电子数 热激发产生的自由电子数,N型半导体中自由电子数 空穴数,自由电子为 N型半导体的多数载流子（简称多），空穴为N型半导体的少数载流子（简称少子）,因五价杂质原子中四个价电子与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，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。,N型半导体简化图,空间电荷,多子,lP型半导体：,往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负

5、离子。因而也称为受主杂质。,热激发产生的空穴,掺杂磷产生的空穴,自由电子为P型半导体的少数载流子，空穴为P型半导体的多数载流子,掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴数,P型半导体中空穴数自由电子数,P型半导体简化图,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:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm3掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3,4杂质对半导体导电性的影响,返回,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

6、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:,内电场,1.1.3 PN结,1 PN结的形成,因浓度差,多子产生扩散运动(PN),形成空间电荷区(NP),形成内电场(NP),阻止多子扩散,促使少子漂移（NP）,动态平衡,PN结的特性单向导电性,当外加电压时，PN结就会显示单向导电性,单向导电性：,PN结加反向电压时，截止。,规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压,N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压,PN结加正向电压时，导通。,(1)PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内

7、电场。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，PN结呈现低阻性。其理想模型：开关闭合,内电场,外电场,(2)PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是少子形成的电流，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。,PN结加反向电压时,内电场,外电场,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与

8、所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况,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结加反向电压时的导电情况,图01.07 PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB 二是扩散电容CD,(1)势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充

9、放电。,图 01.09 势垒电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度。,(2)扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。,扩散电容示意图,当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,返回,1.2 半导体二极管,1.2.1,半导体二极管的结构类型,1.2.2,

10、半导体二极管的伏安特性曲线,1.2.3,半导体二极管的主要参数,1.2.4,半导体二极管的温度特性,1.2.5,半导体二极管的型号,1.2.6,二极管的等效模型和例题,1.2.8,特殊二极管-稳压二极管,1.2.7,其他类型二极管,1.2.1 半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。,(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。,(a)点接触型结构图,(c)平面型结构图,(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

11、。,(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)面接触型结构图,返回,1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,U/V,式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,U/V,(1)正向特性,硅二极管的死区电压约为：Uth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压约为：

12、Uth=0.1 V左右。,当0UUth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压，管子截止。,当U0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通。,(2)反向特性,当U0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS，IS 0。管子截止。,当UUBR时，反向电流急剧增加，管子击穿。UBR称为反向击穿电压。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|UBR|4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获

13、得零温度系数点。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,返回,UBR,1.2.3 半导体二极管的主要参数,主要参数,极限参数：使器件损坏的参数,特征参数：使器件的某个特性消失的参数,（1）.最大整流电流IF,在测试温度下，二极管允许通过的最大平均电流,（2）.最高反向工作电压UR,二极管允许承受的最大反向电压,（3）.反向电流IR,在室温下，二极管未击穿时的反向电流,（4）.最高工作频率fM,二极管工作的上限频率,返回,1.2.4 半导体二极管的温度特性,温度对二极管

14、的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加2，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UF(UD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示二极管的伏安特性曲线上看出。,返回,uD,1.2.5 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：,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,返回,1.2.6 二极管的等效模型和例题,（1）二极管的等效模型,理想二极管的等效模型,考虑导通电压Uon的等效模型,考虑导通内阻的等效模型,二极

15、管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳位、开关、元件保护等。,例1：设二极管得导通电压为0.6V，求UO,-6V,-12V,解：D导通，UO=-6.6V,（2）二极管的例题,假设D断开，求其两端电势：正向导通，反向截止,例2：设二极管的导通电压忽略，已知ui=Asinwt(V)，画出uO的波形。,这是将交流电变为直流电的第一步,例3：设二极管的导通电压忽略，已知ui=10sinwt(V)，E=5V，画uo的波形。,该电路可防止输出电压过大,例4：电路如下图，已知u=10sin(t)(V)，E=5V，试画出uo的波形,解：,t,u,例5：UA=3V,UB=0V，求UF(二极管的导通

16、电压忽略),A、B输入，F输出，此为与门,1.2.7 特殊的二极管稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,一、稳压二极管的伏安特性曲线及稳压原理：,(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路,(c),(a),UZ,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数,(1)稳定电压UZ,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。,二、主要参数,(2)最大稳定电流 IZmax 和最小稳定电流IZ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax

17、=UZIZmax。若IDZIZmin则不能稳压。,(3)额定功耗 PZM,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=UZ IZ，由 PZM和UZ可以决定IZmax。,(4)动态电阻rZ_-,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=UZ/IZ,UZ,(5)温度系数,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当UZ 7 V时，UZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当UZ 4 V时，UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VUZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系

18、数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,三、应用,例1：电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是否合适？,解：假设稳压管在工作范围内即其上电压降为12V,故，R是合适的。,例2：电路如图，IZmax=50mA，R=0.15K,UI=24V,IZ=5mA,UZ=12V，问当 RL=0.2K 时，电路能否稳定，为什么？当 RL=0.8K 时，电路能否稳定，为什么？,解：,例3、电路如图，UI=12V

19、，UZ=6V，R=0.15K，IZ=5mA，IZMAX=30mA,问保证电路正常工作时RL 的取值范围,解：,例：已知u=10sin(t)V,UZ=+6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,1.2.8 其它类型二极管,发光二极管,光电二极管,发光二极管,当发光二极管外加正向电压，且正向电流足够大时，发光二极管发光。正向电流越大亮度越大。,发光二极管的外形结构和符号,光电二极管,光电二极管的外形和符号,光电二极管是远红外线接受管，它是利用PN结的光敏特性制成的将光能转换为电能的器件,返回,光电二极管的伏安特性,光电二极管加反向偏置时，光线对反向电流的

20、影响较大，照度越大光电流越大。,光电二极管加正向偏置时，光线对正向电流的影响较小。,光电二极管的这种特性广泛用于遥控、报警、光电传感器中。,返回,1.3 双极型晶体管,2023/9/25,1.3.1 晶体管的结构及其特点1.3.2 晶体管的电流放大作用1.3.3 晶体管的共射特性曲线1.3.4 晶体管的主要参数1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响1.3.6 光电三极管,END,半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流器件。,1）晶体管的结构,1.3.1 晶体管的结构及其特点,2023/9/25,双极型半导体三极管有两种类型:NPN型和P

21、NP型。其结构示意图如下图所示。,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,2）结构特点,基区很薄，掺杂浓度很低集电结面积大，集电区 掺杂浓度低发

22、射区 掺杂浓度高,返回,1.3.2 晶体管的电流放大作用,半导体三极管工作在放大工作状态时一定要加上适当的直流偏置电压：,发射结加正向电压,集电结加反向电压,发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICE。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IBE。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,基区和集电区的少子在集电结的作用下，产生漂移运动，形成电流ICBO,

23、EB,EC,N,N,P,E,C,B,ICE,ICBO,IBE,以 NPN型三极管的放大状态为例来说明三极管内部的电流关系,EB,EC,N,N,P,E,C,B,ICE,ICBO,IBE,IB,IE,IC,(1),(2),(3),(4),(2)+(3):,由(1)得:,上式代入（2）式：,由(3)得:,代入上式：,动画,由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,问题1：除了从三极管的电流分配关系可以 证明 IE=IC+IB。还可以通过什么

24、方 法加以说明？,返回,2023/9/25,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,iB是输入电流，uBE是输入电压。iC是输出电流，uCE是输出电压。,输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和uBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除uCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE=const(常数)。,(1)输入特性曲线,共发射极接法的输入特性曲线见下图。其中uCE=0V的那一条相当

25、于发射结的正向特性曲线。当uCE1V时，uCB=uCE-uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但uCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区：,死区,非线性区,线性区,UCE=0,(2)输出特性曲线,共发射极接法的输出特性曲线如图所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当uCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 uCE 1 V uBE=0.7 V uCB=u

26、CE-uBE=0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由uCE决定。,动画1-7三极管输出特性,UCE/V,当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 uCE 1 V uBE 0.7 V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后uCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与uCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随uCE增大而右移的 图02.06 共发射极接法输出特性曲线原因是一致的)。,UCE/V,UCE/V,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的 数值较小，一般uCE0.7 V(硅管)。又叫饱和导通，即发射极和极电集近似开关闭合，此时

27、 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。发射极和极电集近似开关断开。,放大区iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管)。,例1：测量三极管三个电极对地电位如图 03.09所示，试判断三极管的工作状。,图 03.09 三极管工作状态判断,例2：用数字电压表测得VB=4.5 V、VE=3.8 V、VC=8 V，试判断三极管的工作状态。,图03.10 例3.2电路图,返回,1.3.4 晶体管的主要参数,一、直流参数 1 共发射极直流电流放大系数,在放大区基本

28、不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(UCE=const)来求取IC/IB，如图02.07所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。,图02.08 值与IC的关系,图 02.07 在输出特性曲线上决定,UCE=7V,2 共基极直流电流放大系数,3 极间反向电流ICBO,集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO的关系 ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输

29、出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。,图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置,UCE/V,二、交流参数,(1)共发射极交流电流放大系数,=IC/IBuCE=const,在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图02.08上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图所示。,在输出特性曲线上求,当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,(3)特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(2)共基极交流电流

30、放大系数,=IC/IE UCB=const,集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。,集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,5 极间反向电流,三、极限参数 最大集电极电流ICM,如图所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不

31、同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。,最大集电极耗散功率PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICUCBICUCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用UCE取代UCB。,集电极发射极最大反向电压V(BR)CEO,V(BR)CEO基极开路时的集电极穿透电压。,由PCM、ICM和U(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，见图,UCE/V,2023/9/25,半导体三极管的型号,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,

32、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,2023/9/25,表02.01 三极管的参数,注：*为 f,半导体三极管图片,半导体三极管图片,返回,例 电路如图所示，已知UCC=6V，UBE=0.6V,RC=3k,RB=10k,当UI=3V，1V，-1V时，晶体管处于何种工作区？设三极管饱和时的管压降UCES=0V,=25。,先求出三极管饱和时的集电极电流：利用三极管饱和时集电极和发射极之间的电压UCES=0V，有：,求出临界饱和时的基极电流为,三极

33、管工作在饱和区,三极管工作在放大区,三极管工作在截止区。,一、温度对ICBO的影响,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度每升高10度，ICBO约增加一倍。当温度降低时ICBO减小。,二、温度对输入特性的影响,三、温度对输出特性的影响,1.3.6 光电三极管,光电三极管的集电极电流的大小与关照强度成比例,光电三极管的等效电路,光电三极管的符号,1.4 场效应半导体三极管,1.4.1 场效应管的特点及分类1.4.2 结型场效应三极管1.4.3 绝缘栅场效应三极管的工作原理1.4.4 伏安特性曲线1.4.5 场效应三极管的参数和型号1.4.6 双极型和场效应型三极管的比较,返回,场效应管的

34、特点,1.4.1 场效应管的特点及分类,1）压控器件：输入电压控制输出电流的半导体器件。,3）抗辐射能力强：因为是单极型器件（由一种载流子参与导电的半导体器件）,2）输入阻抗高,4）结构简单，便于集成,1）结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister),2）绝缘栅型场效应三极管IGFET(Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET）,场效应管的分类及符号,绝缘栅型场效应三极管（MOSFET）分为

35、增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,结型场效应三极管JFET又分为 N沟道、P沟道,符号,结型场效应管,P沟道,N沟道,绝缘栅型场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,D(Drain)为漏极，相当c G(Gate)为栅极，相当b S(Source)为源极，相当e,1.4.2 结型场效应管,JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。,(1)结型场效应管的结构,结型场效应三极管的结构(动画2-8）,(2)结型场效应三极管

36、的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,栅源电压对沟道的控制作用,当UGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当UGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，UGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS(off)。这一过程如图所示。,漏源电压对沟道的控制作用,当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=G

37、S(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，如图(b)所示。当UDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。,在栅极加上电压，且UGSUGS(off)，若漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，如图(a),（动画2-9）,(3)结型场效应三极管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线如下页图所示

38、。,(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线N沟道结型场效应三极管的特性曲线动画（2-6）动画（2-7）,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,(1)N沟道增强型MOSFET,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，一个是漏极D，一个是源极S。,1.4.3 绝缘栅场效应三极管的工作原理,结构,当栅极加有电压时，若0UGSUGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负

39、离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流ID。,a栅源电压VGS的控制作用,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,工作原理,进一步增加VGS，当USUGS(th)时（UGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增

40、加。在UGS=0V时ID=0，只有当UGSUGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管,(动画2-4）,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/UGS UDS=const(单位mS),UGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(UGS)UDS=const 这一曲线称为转移特性曲线,b漏源电压uDS对漏极电流ID的控制作用,当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS对漏极电流ID的影响。UDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系,UDS=UDG

41、UGS=VGDVGS UGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时，相当UDGUGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,漏源电压UDS对沟道的影响,(动画2-5),当UDS增加到使UDG=UGS(th)时，沟道如图(b)所示。这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况称为预夹断。,当UDS增加到UDGUGS(th)时，沟道如图(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS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。,当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(UDS)UGS=const这一关系曲线如下

42、图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,(2)N沟道耗尽型MOSFET,当UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0时，随着UGS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UGS(off)表示，有时也用UP表示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，它是SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在,N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线,UGS/V,(3)P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电

43、的载流子不同，供电电压极性不同而已。,这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,1.4.4 伏安特性曲线,场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图02.18之中。,各类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,UGS,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,UGS,UGS,UGS,-UDS,1.4.5 场效应三

44、极管的参数和型号,(1)场效应三极管的参数 开启电压UGS(th)(或UT)开启电压是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。,夹断电压UGS(off)(或UP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当UGS=0时所对应的漏极电流。,输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性

45、曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,最大漏极电流IDM和最大漏极功耗PDM 最大漏极电流IDM是管子正常工作时的漏极电流上限值。最大漏极功耗可由PDM=UDSIDM决定，与双极型三极管的PCM相当。,(2)场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表,场效应三极管的参数,半导体场效应管图片,半导体场效应管图片,1.4.6 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管噪声 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,返回,第1章 结束,返回首页,