Transcript 第一章半导体器件
第1 章 半导体器件 教学内容 §1.1 半导体的特性 §1.2 半导体二极管 §1.3 双极型三极管 §1.4 场效应三极管 教学要求 本章重点是各器件的特性与模型，特别 要注意器件模型的适用范围和条件。对于半 导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关 于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。 §1.1 半导体的特性 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。电阻率(10-6～10-4 Ω·cm) 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率(1010Ω·cm以上) 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物 质，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。电阻率介于 ( 10-3～109 Ω·cm) 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 1.1.1 本征半导体 本征半导体：纯净的、不含杂质的半导体。 +4 +4 +4 +4 共价键 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个， 构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。 1.本征半导体导电特性 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子 完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流子），半导体不能导电。 当温度升高时（如在室温下），由于热激发， 使一些价电子获得足够的能量，脱离共价键的束缚 成为自由电子。但自由电子数量很少，所以本征半 导体导电能力非常微弱。 自由电子 空穴 束缚电子 2.本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即自由电子和空穴。 +4 +4 +4 +4 空穴吸引附近的电子来 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 穴是载流子。 动画演示 本征半导体中电流由两部分组成： 1) 自由电子移动产生的电流。 2) 空穴移动产生的电流。 半导体与金属导体导电机理的区别： 导体：载流子－－自由电子 半导体：载流子－－自由电子和空穴 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。 N 型半导体(Negative)：自由电子浓度大大增加的 杂质半导体，也称为 电子型半导体。 P型半导体(Positive)：空穴浓度大大增加的杂质 半导体，也称为空穴型半导体. 1、N 型半导体 磷原子 +4 +4 +5 +4 在硅或锗晶体中 掺入少量的五价 元素磷（或锑） 失去一个电子， 形成正离子 多数载流子（多子）－－自由电子(主要由掺杂形成) 少数载流子（少子）－－空穴 (本征激发形成) 2、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入 少量的三价元素，如 硼（或铟） 硼原子 +4 +4 +3 +4 夺取一个电子 形成负离子 多数载流子－－空穴 (主要由掺杂形成) 少数载流子－－自由电子(本征激发形成) 3、杂质半导体的示意表示法 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决 于掺入的杂质浓度；而少数载流子的浓度主要取决 于温度。无论是Ｎ型或Ｐ型半导体，从总体上看， 仍然保持着电中性。 + + + + + + －－－ － － － + + + + + + －－－ － － － + + + + + + －－－ － － － + + + + + + －－－ － － － N 型半导体 P 型半导体 半导体的特点 半导体的导电机理不同于其它物质，所以 它具有不同于其它物质的特点。 导电能力受杂质影响很大。 导电能力受温度、光照影响显著。 本节中的有关概念 • 本征半导体、杂质半导体 • 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 §1.2 半导体二极管 1.2.1 PN结及其单向导电性 利用一定的掺杂工艺使一块半导体的一侧呈P 型，另一侧呈N型，则其交界处就形成了PN结。 1、PN结中载流子的运动 扩散运动：由于两区载流子浓度的差异，引起载 流子由浓度高的地方向浓度低的地方的迁移。电 子和空穴相遇时，将发生复合而消失，于是形成 空间电荷区。 Ｐ区失去空穴 带负电的离子 形成空间电荷区 Ｎ区失去电子 带正电的离子 建立起内电场，方向Ｎ区 Ｐ区 漂移运动：少数载流子在内电场的作用下的运动。 内电场方向Ｎ区 Ｐ区 Ｐ区电子 Ｎ区 Ｎ区空穴 Ｐ区 内电场越强使漂移 运动越强，从而使 P型半导体 空间电荷区变窄 空间电荷区， 也称耗尽层。 漂移运动 内电场E N型半导体 扩散运动 扩散的结果使空 间电荷区变宽 电位V UD － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + P型区 空间电荷区 N型区 空间电荷区两边存在电位差ＵD－称电位壁垒。 硅：0.6～0.8Ｖ 锗：0.2～0.3Ｖ （空间电荷区、耗尽层） PN结 扩散运动 扩散电流 （多子） 动态平衡 内电场 大小相等 方向相反 漂移电流 （少子） PN结的形成 多子的扩散运动使空间电荷区变宽， 少子的漂移运动使空间电荷区变窄， 最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽 度达到稳定，即形成PN结。 空间电荷区又称耗尽层或阻挡层。 思考题 1、若将一块Ｐ型半导体和一块Ｎ型半导体 简单放在一起，在它们的交界面上是否可以形成 PN结？ 2、PN结内部存在内电场,若将P区端和N区端用 导线连接，是否有电流流通？ 2、 PN结的单向导电性 （1）PN 结正向偏置：Ｐ－正，Ｎ－负 变薄 + P 外电场 R － + － + － + － + N _ 内电场 E 内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。 （2）PN 结反向偏置：P－负，N－正 变厚 － － － ＋ ＋ ＋ － － － + + + _ P － － － + + + N + － － － + + + 内电场 外电场 R E 内电场被被加强，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结的特点： （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；导通 （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；截止 （反向饱和电流IS ） 得出结论：PN结具有单向导电性。 1.2.2 二极管的伏安特性 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 触丝线 引线 点接触型 外壳线 PN结 基片 二极管的电路符号： 面接触型 P N 阳极 阴极 伏安特性 I 死区电压 反向饱和电流IS 硅管0.5V, 锗管0.1V。 反向特性 正向特性 导通压降: 硅管0.6~0.8V, 锗管0.1~0.3V。 U 反向击穿 电压UBR 二极管方程： I I S (e U / UT 1) 1.2.3 二极管的主要参数 1. 最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最 大正向平均电流。 2. 反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热 而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般 是UBR的一半。 3. 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。 反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向 电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高 反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向 电流要比硅管大几十到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主 要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护 等等。 4. 二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分 组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 5. 最高工作频率fM fM主要取决于PN结结电容的大小。结电容愈 大，二极管允许的最高工作频率愈低。 二极管的应用 （1）二极管电路的模型分析法 ①理想模型：正向导通时，二极管正向压降为零；反向 截止时，二极管电流为零。 ②恒压源模型：正向导通时，二极管正向压降为常数 （硅管0.7V，锗管0.2V）；反向截止时二极管电流为零。 （2）整流与检波电路 利用二极管的单向导电特性，将交变的双向信号，转 变成单向脉动信号。 （3）限幅电路 利用二极管的导通和截止限制信号的幅度。 二极管的应用举例1：二极管半波整流(理想二极管) + + ui - ui uo RL t - uo t 二极管的应用举例2：已知ui=12sinωt(V),VD为硅管 管压降UD=0.7V，试画出输出电压波形。 ui/V 12 t uo/V 5.7 UD=ui－5 UD>0.7V,即ui>5.7V,VD导通，uo=5.7V; ui≤5.7V,VD截止，uo=ui. t 1.2.4 稳压管 二极管工作在反向击穿区，利用反向击穿特性，电 流变化很大，引起很小的电压变化。 I + 曲线越陡， 电压越稳 定。 UZ U － 稳压 误差 UZ IZ IZmax 二极管的击穿：二极管处于反向偏置时，在一定的电 压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时， 反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。 上述过程属电击穿，是可逆的，当加在稳压管两端 的反向电压降低后，管子仍可恢复原来的状态。但它有 一个前提条件，即反向电流和反向电压的乘积不超过PN 结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使 PN结温度上升，直到过热而烧毁，这属于热击穿。 稳压二极管的参数: 1.稳定电压 UZ 2.稳定电流IZ 一般来说，工作电流较大时稳压性能较好。 3.动态电阻rZ 4. 额定功耗PZ rZ U Z I Z rz越小，稳压性能越好。 PZM U Z I Z max 5.电压温度系数U（%/℃） 稳定电压在4V~7V之间的稳压管， U的值比较 小，表示其稳定电压值受温度的影响较小，性能比 较稳定。 稳压二极管的应用举例 IO R 正常稳压时 VO =VZ 当输入电压或负载电阻 + VI 变化时，利用稳压管所起的 电流调节作用，通过限流电 - IZ IR DZ + VO - 阻上电压或电流的变化进行 补偿，来达到稳压的目的。 # 稳压条件是什么？ IZmin ≤ IZ ≤ IZmax # 不加R可以吗？ RL 题1-7 解： ①RL两端电压UO=UZ=6V UO 6 IO 6m A RL 1k U U Z 10 6 IR 20m A R 200 ∴流过稳压管的电流 IZ=IR-IO=20-6=14mA 光电二极管 反向电流随光照 强度的增加而上 升，可将光信号 转换为电信号 发光二极管 国产二极管型号命名及含义 2CW56——N型硅材料稳压二极管 2AP9——N型锗材料小信号普通二极管 §1.3 双极型三极管（BJT） 又称为半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。 1.3.1 三极管的结构 c NPN型 N P N b 基极 集电极 集电极 e 发射极 c PNP型 b P N 基极 P e 发射极 集电区： 面积较大 集电结 c 集电极 N P N b 基极 e 发射区：掺 杂浓度较高 发射极 基区：较薄， 掺杂浓度低 发射结 结 构 发射极ｅ 三 个 电 极 三 个 区 基极ｂ 集电极ｃ 发射区 两 个 Ｐ Ｎ 结 基区 集电区 c 符 号 b 发射结 集电结 c b e NPN型三极管 e PNP型三极管 发射结正 1.3.2 三极管中载流子的运动和电流分配关系 外加电源使发射结 基区空穴 正偏，集电结反偏。 向发射区 的扩散较 b 小。 进入P区的电子 R b 少部分与基区的 空穴复合，形成 VBB 电流IBE ，多数 扩散到集电结。 c N P N IBE e IE 复合和扩散 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极 电流IE。 VCC 发射 IC=ICn+ICBOICn c 集电结反偏，有 少子形成的反向 饱和电流ICBO。 Rb b ICBO IBn e VBB ICn N P N IE 从基区扩散 到集电结附 近的电子在 反向电压下 被拉向集电 极形成ICn。 收集 c IB=IBn-ICBOIBn b Rb IB IC=ICn+ICBO ICn ICn N P IBn N ICBO e VBB IE IE=ICn+IBn IC+IB IC 共基直流电流放大系数： IE 共射直流电流放大系数： VCC IC IB 动画演示 三极管具有电流放大作用的条件： 内 部 条 件 外 部 条 件 发射区多数载流子浓度很高； 基区很薄，掺杂浓度很小； 集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区。 发射结加正向偏压（发射结正偏）； 集电结加反向偏压（集电结反偏）。 思考题：三极管发射极和集电极能否互换？ 1.3.3 特性曲线 IC RC mA IB A Vcc Rb V UBE VBB 实验线路 V UCE 1、输入特性 uCE =1V uCE=0V iB(A) uCE 2V 80 60 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管0.1V。 工作压降： 硅管 uBE0.6~0.8V,锗管 uBE0.2~0.3V。 40 20 0.4 0.8 uBE(V) 2、输出特性 iC(mA ) 当uCE大于一定 100A 的数值时，i C 只与iB有关。 80A 此区域满足4 △iC=△iB称 为线性区 3 （放大区）。 2 60A 40A 1 3 6 9 20A iB=0 12 uCE(V) iC(mA ) 4 3 2 1 3 6 9 此区域中uCEuBE,集 电结正偏，集电结收 100A 集电子的能力降低， iC不再随着i 80A B作线性变 化，出现发射极发射 60A 有余，而集电极收集 40A 不足现象,称为饱和 区.此时，硅管 20A UCES0.3V（锗管 iB=0 0.1V)。 12 uCE(V) iC(mA ) 100A : 此区域中 iB=0,iC=ICEO, 80A uBE< 死区电 压，称为截 60A 止区。 40A 4 3 2 1 3 6 9 20A iB=0 12 uCE(V) 输出特性三个区域的特点: (1) 放大区：发射结正偏，集电结反偏。 NPN:UBE>0,UBC<0 , PNP: UBE<0,UBC>0,满足iC = iB (2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 NPN:UBE>0,UBC>0, PNP:UBE<0,UBC<0 iB>iCS=(Vcc-UCES)/RC UCEUCES=0.3V UCES---三极管临界饱和压降, iC不再受iB的控制 (3) 截止区： 发射结反偏，集电结反偏。 NPN:UBE<0,UBC<0，PNP:UBE>0,UBC>0 iB=0 ， iC=ICEO 0 IC 例1： =50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k 当VBB = －2V，2V，5V时， IB 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？ C B + RB RC + UBE － UCE E－ VCC 当VBB =－2V时： IB=0 ， IC=0 Q位于截止区 VBB VBB U BE 2 0.7 VBB =2V时： I B 0.019mA RB 70 I C I B 50 0.019mA 0.95mA I CS VCC U CES 12 0.3 2mA RC 6 IC< ICS ， Q位于放大区。 IB IC C + RC VBB U BE 5 B+0.7 U VBB =5V时: I B U 0.CE 061mA E － BE RB 70 － R B I C I B 50 0.061mA 3.05mA VBB IC> IcS， Q位于饱和区。 VCC 判断三极管的工作状态可有以下方法: 1. 根据发射结和集电结的偏置电压来判别. 2. 根据偏置电流IB、IC、ICS来判别。 3. 根据UCE的值来判别，UCE ≈VCC,管子工作在截止 区；UCE≈0，管子工作在饱和区。 +10.3V +5V 例2：试判断 +0.7V UBE=0.7V +10.75V 各三极管分 （正偏） 别工作在哪 UBC=－4.3V 个区？ 0V （反偏） +10V 放大状态 饱和 根据晶体管的三个电极电位，判别三个电极及管子类型 硅管：UBE=0.7V;锗管： UBE =0.2V 原 理 NPN管： UBE>0, UBC<0 PNP管： UBE<0, UBC>0 管子处于 放大状态 三管脚两两相减，其中差值为0.7V(或0.2V） 的管脚为B或E，另一管脚为C,并由此可知是 硅管（或锗管）。 步 骤 假设三个管脚中电位居中的管脚为B，求UBE、 UBC，若符合UBE>0, UBC<0，则为NPN;若符 合UBE<0, UBC>0,则为PNP。 例3：一个晶体管处于放大状态，已知其三个电极 的电位分别为5V、9V和5.2V。试判别三个电极， 并确定该管的类型和所用的半导体材料。 解：分别设U1=5V,U2=9V,U3=5.2V U1－U3=5－5.2=－0.2V, 因此是锗管，2脚为集电极C。 由于3脚的电位在三个电位中居中，故设为基极B，则 1为发射极E，有： UBE= U3－U1=5.2－5.=0.2V >0 UBC= U3－U2= 5.2－9=－3.8V<0, 因此，为NPN型锗管，5V、9V、5.2V所对应的电 极分别是发射极、集电极和基极。 1.3.4 三极管的主要参数 1、电流放大系数： IC IB 共射直流电流放大系数： 共基直流电流放大系数： 共射交流电流放大系数： 共基交流电流放大系数： IC IE 1 iC iB 1 iC iE 1 一般为几十～几百 例4：已知UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。求： 和 解： ___ I IC 1.5 37.5 0.04 B iC 2.3 1.5 40 iB 0.06 0.04 在以后的计算中，一般作近似处理： = 2、反向饱和电流 (1)集电极－基极反向饱和电流ICBO ICBO A ICBO是集 电结反偏 由少子的 漂移形成 的反向电 流，受温 度的变化 影响。 (2)集电极－发射极反向饱和电流ICEO(穿透电流） 集电结反 偏有ICBO C B ICEO= IBE+ICBO ICEO受温度影响 ICBO IBE IBE ICBO进入N 区，形成 IBE。 E N P N 很大，当温度上 升时，ICEO增加 很快，所以IC也 相应增加。 反向电流 的值越小， 根据放大关系， 表明三极 由于IBE的存 管的质量 在，必有电流 越高。 IBE。 3、极限参数 (1)集电极最大允许电流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)极间反向击穿电压 U(BR)CEO——基极开路时，集电极和发射极之间的 反向击穿电压。 U(BR)CBO——发射极开路时，集电极和基极之间的 反向击穿电压。 (3)集电极最大允许功耗PCM • 集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为： IC 安全工作区 ICM ICUCE=PCM PC =ICUCE • 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。 PCPCM U(BR)CEO UCE §1.4 场效应晶体管（FET) 场效应管的特点： 压控器件：利用输入回路的电场效应来控制输 出回路电流。 单极型器件：仅由一种载流子（多子）参与导电， 不易受温度和辐射的影响。 输入电阻很高，噪声很小。输入电阻可达， 107 ~ 1012 ，输入端基本不取电流。 场效应管的分类： 场效应管 结型（JFET) 绝缘栅型（IGFET)（MOS) 耗尽型 N 沟 道 P 沟 道 均为耗尽型 N 沟 道 P 沟 道 增强型 N 沟 道 P 沟 道 1.4.1 结型场效应管: 1、结构 基底 ：N型半导体 D漏极 N 两边是P区 G栅极 N P NP 导电沟道 S源极 N沟道结型场效应管 D漏极 D N G栅极 N P NP G S S源极 P沟道结型场效应管 D漏极 D P G栅极 N N NN G S S源极 2、工作原理（以N沟道为例） ID D uGS=0导电沟 道较宽。 N G N P NP S uDS=0V时 但当uGS较小时，耗尽 区宽度有限，存在导 电沟道。DS间相当于 ID 线性电阻。 uGS<0,耗尽区宽度增大， D 沟道相应变窄。 N G P P VGG S uGS=UGS(off)（夹断 电压）,两侧耗尽 层合拢，导电沟道 被夹断。 改变uGS的大小，可以有 效地控制沟道电阻的大 小，但uDS=0，所以iD 。 ID D 始终等于零 N N沟道结型 场效应管 UGS(off)为负 VGG 值。 P P S uGS保持不变（ UGS(off) <uGS<0),uDS>0 uDS较小时，iD随uDS 的增大几乎成正比 地增大。 iD D N VDD G P P VGG S 越靠近漏极处，PN 结反压越大,耗尽层 最宽，源极处耗尽 层最窄。 再增大uDS，当 uGD=UGS(off) 漏极处的 耗尽层开始合拢在一起， 称为预夹断。 iD D VDD G P P VGG S 再增大uDS，夹断长度 会略有增加，但夹断处 场强很大，仍能将电子 iD D 拉过夹断区，形成漏极 VDD 电流。在从源极到夹断 G 处的沟道上，沟道内电 P P 场基本上不随uDS改变 而变化。iD基本不随 VGG uDS增加而上升，漏极 电流趋于饱和IDSS。 S uDS>0,uGS≤0时 当uGS=0时，耗 尽层比较窄，导 电沟道比较宽， iD比较大。 iD D VDD G P P VGG S 增大VGG， 使uGS<0,由 于耗尽层宽 度增大，导 电沟道变窄， 沟道电阻增 大，因而漏 极电流iD将 减小。 VGG iD VDD P P S 继续增大VGG,则两边 耗尽层的接触部分逐 渐增大。uGS≤UGS(off) iD 时，耗尽层全部合拢， D 导电沟道完全夹断， N iD≈0，称为夹断。 P P VGG S 结论： JFET栅极、沟道（与源极相连）之间的PN结是 反偏的，因此，iG=0，输入电阻很高。 JFET是电压控制器件，iD受uGS控制。由于每个 管子的UGS(off)为一定值，预夹断点会随uGS改变 而改变。 预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 输出特性曲线 3、特性曲线 iD/mA 预夹断曲线 uGS一定下的iD-uDS曲线 uGS=0V 可变电阻区 －1V 击穿区 恒流区 －2V －3V －4V 0 u DS /V 夹断区 恒流区：(又称饱和区或放大区） 特点：(1)受控性： 输入电压uGS控制输出电流iD (2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压 uDS的影响。 用途:可做放大器和恒流源。 可变电阻区: 特点:(1)当uGS 为定值时,iD 是 uDS 的线性函数，管子 的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 uGS 控制。 （2）管压降uDS 很小。 用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的 电子开关。 夹断区（截止区） 特点： i 0 D 用途：做无触点的、接通状态的电子开关。 击穿区 uDS升高到某一限度时，PN结因反向偏置电压 过高而被击穿，iD将突然增大，场效应管被击穿。 管子不能在击穿区工作 转移特性曲线 iD/mA uDS一定下的iD-uGS曲线 IDSS 饱和漏极电流 iD I DSS (1 0 UGS（off） 夹断电压 uGS /V uGS U GS ( off ) ) 2 iD/mA iD/mA uGS=0V －1V －2V －3V －4V -4 -3 -2 -1 uGS /V 0 u DS /V P沟道结型场效应管的特性曲线 0 iD uGS UGS(off) 转移特性曲线 IDSS 输出特性曲线 iD 0 4V 3V 2V 1V uGS=0V uDS 结型场效应管的缺点： 1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在 某些场合仍嫌不够高。 2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源 极间的电阻会显著下降。 3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现 较大的栅极电流。 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。 1.4.2 绝缘栅场效应管: （金属－氧化物－半导体场效应管）（MOSFET） 1、N沟道增强型MOS场效应管 （1）结构及符号 S G D 金属铝 两个高掺杂N区 N+ 导电沟道 P P型衬底 N+ SiO2绝缘层 漏极 D 栅极 G S 源极 N沟道增强型 （2）工作原理 uGS=0时 S G N+ iD=0 uDS uGS P D N+ D、S间 相当于两 个背靠背 的PN结 S D B 不论D、S间有无电压， 均无法导通，不能导 电。 uGS>0时 源极与 衬底接 在一起 uDS uGS S uGS足够大时 （uGS>UGS(th)）， 形成电场G—B,把 D G 衬底中的电子吸引 到上表面，除复合 N N 外，剩余的电子在 上表面形成了N型 N沟道 P 层（反型层）为D、 S间的导通提供了 通道。 UGS(th)称为阈值电压(开启电压） uDS uGS S uGS>UGS(th),uDS 较小时，漏极电 流iD将随uDS上升 而增大。 iD D G N N P uDS uGS S D G iD N N P 当uDS较大时， 栅漏之间的电 位差最小，靠 近漏端的导电 沟道最窄；栅 源之间的电位 差最大，导电 沟道最宽。 uDS uGS S 夹断后，uDS 继续增加，将 形成一夹断区， iD趋于饱和， 呈恒流特性。 D G N iD N P uDS增加到一定程度， uGD= uGS -uDS =UGS(th) 时， 靠近D端的沟道被夹断， 称为预夹断。 （3）特性曲线 iD 预夹断曲线 对比 可变电阻区 恒流区 uGS>0 截止区 0 输出特性曲线 u DS iD 转移特性曲线 uGS iD I DO ( 1) 2 U GS (th) IDO uGS 0 UGS(th) 2UGS(th) 开启电压 2、N沟道耗尽型MOS场效应管 S G D D 预埋了导 电沟道 G N+ N+ P S uGS=0时就有导电沟道，只要uDS>0,即有iD； uGS<0时，沟道变窄，iD减小； uGS≤UGS(off)时,导电沟道消失，iD=0。 iD 转移特性曲线 IDSS uGS UGS(off) 0 夹断电压 输出特性曲线 iD uGS>0 uGS=0 uGS<0 0 u DS D S G D G P+ P+ N S P 沟道增强型 S G D D P+ P+ G N 予埋了导 电沟道 S P 沟道耗尽型 各种场效应管对比 1.4.3 场效应管主要参数 1、直流参数 (1)饱和漏极电流IDSS: 耗尽型场效应管的参数。 (2)夹断电压UGS(off) ： 耗尽型场效应管的参数。 (3)开启电压UGS(th) ： 增强型场效应管的参数。 (4)直流输入电阻RGS : 由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电 阻很高。 2、交流参数 (1)低频跨导gm :表征场效应管放大作用的重要参数， 用以描述栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。 iD gm uGS u DS 常数 单位：毫西门子（mS） (2)极间电容：极间电容越小，管子的高频性能越好。 3、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 双极型三极管与场效应三极管的比较 双极型三极管 结构 与 分类 NPN型 PNP型 载流子 多子、少子 输入量 电流 场效应三极管 结型：N沟道、P沟道 增强型：N沟道、P沟道 绝缘栅 耗尽型：N沟道、P沟道 多子 电压 控制 噪声 电流控制电流源 较大 电压控制电流源 较小 温度特性 受温度影响较大 受温度影响较小 输入电阻 静电影响 几十到几千欧姆 不受静电影响 几兆欧以上 集成工艺 不易大规模集成 易受静电影响 适宜大规模、超大规模集成 本章复习 1.本征半导体中加入微量的5价元素的杂质，构 成的是________型半导体，其多数载流子是 N 电子 空穴 _________，少数载流子是_________。 2．杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决 杂质浓度 温度 于_________，少数载流子的浓度与________密 切相关。 大于 3.当PN结外加正向电压时，扩散电流___________ 窄 漂移电流，耗尽层变___________；当PN结外加 小于 反向电压时，扩散电流___________ 漂移电流， 宽 耗尽层变___________。 单向导电性 。在常温下， 4.二极管最主要的特性是___________ 0.5 硅二极管的开启电压约___________ V，导通后 0.7 在较大电流下的正向压降约___________V；锗二 0.1 极管的开启电压约___________ V，导通后在较 0.2 V。 大电流下的正向压降约___________ 5．稳压管稳压是利用它的 反向击穿 所以必须给稳压管外加 反向 特性， 电压。 6.为保证三极管处于放大状态，其发射结必 正向 须加___________偏置电压，集电结必须加 反向 ___________偏置电压。 截止区 7.半导体三极管通常可能处于__________、 放大区 饱和区 __________、__________三种工作状态。 8.下图 (a)和(b)是两个放大管的不完整的符号， 根据图中所给数据和电流方向，判断它们的导 NPN 型和___________ 电类型分别为___________ PNP 硅 型，用半导体材料___________和___________ 锗 制成，电流放大系数β分别为___________和 ___________。 50 20 9.三极管处于放大状态时，是工作在其特性曲线 的___________区；场效应管工作在放大状态时， 放大 是工作在其特性曲线的___________区。 恒流 热稳定性差 10.三极管的ICEO大，说明其____________。 11．场效应管是一种 用 压 控器件，它利 栅源电压uGS 控制漏极电流iD。 12.某三极管的极限参数PCM＝150mW， ICM=100mA，U(BR)CEO=30V，若它的工作电压UCE 15 ＝10V，则工作电流IC不得超过___________ mA； 若工作电压UCE=1V，则工作电流不得超过 100 ___________ mA；若工作电流IC＝1mA,则工作电 30 压不得超过___________ V。 第一章 结 束