《模拟电子技术》第1章1半导体器件基础0319二34节0321.pptx

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1、电子技术模拟电子技术数字电子技术2021/9/121模拟电子技术任课老师：任课老师：李赋进李赋进联系电话：联系电话：13573512161E_mail:QQ：2456039112021/9/122第第1 1章章 半导体器件基础半导体器件基础一、物质分类（按导电性）一、物质分类（按导电性）二、本征半导体目录目录2021/9/123一、物质分类（按导电性）2、绝缘体：导电性极差的物质。、绝缘体：导电性极差的物质。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，外力很难撼动。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，外力很难撼动。只有在外电场强大到相当程度时才可能导电（击穿：物质结只有在外电场强大到相当程度时

2、才可能导电（击穿：物质结构被破坏！）。构被破坏！）。如：如：惰性气体、橡胶、干燥的木材等。惰性气体、橡胶、干燥的木材等。1、导体：导电性良好的物质。导体：导电性良好的物质。其原子的最外层电子（自由电子）受原子核的束缚力很弱，其原子的最外层电子（自由电子）受原子核的束缚力很弱，处于剧烈的无规则热运动状态，在外电场作用下极易产生定向处于剧烈的无规则热运动状态，在外电场作用下极易产生定向移动，形成电流。移动，形成电流。如：如：铁、铝、铜等金属元素。铁、铝、铜等金属元素。1.1 半导体半导体2021/9/124 3、半导体：、半导体：导电性介于导导电性介于导体与绝缘体之间的物质。体与绝缘体之间的物质。

3、一、物质分类（按导电性）其原子的最外层电子受原子核的束其原子的最外层电子受原子核的束缚力大小介于导体与绝缘体之间。缚力大小介于导体与绝缘体之间。其最外层电子受所属原子（核）的其最外层电子受所属原子（核）的束缚力较小，受相邻原子核的作用束缚力较小，受相邻原子核的作用力不可忽视力不可忽视被相邻原子所共有被相邻原子所共有称价电子称价电子形成共价键晶体结构。形成共价键晶体结构。如：如：硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge）（均为（均为四价元素：含四个价电子四价元素：含四个价电子）2021/9/125本征半导体：本征半导体：纯净晶体结构的半导体。纯净晶体结构的半导体。无杂质无杂质结构结构稳定稳定1.1.1

4、本征半导体本征半导体2021/9/126本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点GeSi将半导体制成将半导体制成“单晶硅单晶硅”、“多晶硅多晶硅”，作为半导体电子器件的制作材，作为半导体电子器件的制作材料。料。半导体电子元件多用硅和锗为原料，它们的半导体电子元件多用硅和锗为原料，它们的最外层电子（价电子）都是四个。最外层电子（价电子）都是四个。2021/9/127原子结构原子结构硅硅 锗锗简化模型简化模型惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共价键空穴可在共价键内移动内移动四价元素：四价元素：硅（硅（Si）、锗（

5、）、锗（Ge）+4+4+4+4空穴空穴-电子对电子对总是成对出现总是成对出现称：本证激发称：本证激发半导体中的可自由移动的电荷称为半导体中的可自由移动的电荷称为载流子（载荷电流的粒子）载流子（载荷电流的粒子）2021/9/128本征激发：空穴本征激发：空穴本征激发：空穴本征激发：空穴电子对电子对电子对电子对复复 合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成成对消失的过程。对消失的过程。漂漂 移：移：自由电子和空穴（电子空穴对）在电场作自由电子和空穴（电子空穴对）在电场作用下可以产生定向运动。用下可以产生定向运动。在室温或光照下，价电子获得足够能量，在室温或光照

6、下，价电子获得足够能量，摆脱共价键的束缚，成为自由电子，并在摆脱共价键的束缚，成为自由电子，并在共价键中留下一个空位共价键中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。本证激发：本证激发：2021/9/129本征半导体有关概念、特点本征半导体有关概念、特点本征半导体本征半导体:纯净的半导体纯净的半导体载流子载流子:自由运动的带电粒子自由运动的带电粒子共价键共价键:相邻原子共有价电子所形成的束缚相邻原子共有价电子所形成的束缚“键键”2021/9/1210本征半导体有关概念、特点本征半导体有关概念、特点导电能力介于导体与绝缘体之间导电能力介于导体与绝缘体之间受热或被光照时受热或被光照时,导电能力会有显

7、著变化导电能力会有显著变化在纯净半导体（本征半导体）中加入微量在纯净半导体（本征半导体）中加入微量元素导电能力会有显著变化元素导电能力会有显著变化为什么？为什么？2021/9/1211问题问题n本征半导体中空穴数量多？电子数量多？本征半导体中空穴数量多？电子数量多？n本征半导体带正电？带负电？本征半导体带正电？带负电？2021/9/12121.1.2 杂质半导体杂质半导体1.N 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4核外多一个：自由电子核外多一个：自由电子N N型半导体中：型半导体中：电子电子为为多多数载流数载流子子空穴空穴为为少少数载流数载流子子载流子总数载流子总数 多数载流子数多

8、数载流子数 电子数电子数在本征半导体中在本征半导体中参入高价元素参入高价元素5价元素：磷原子价元素：磷原子（施主原子）（施主原子）正离正离子（原子核内多一子（原子核内多一个正电荷）个正电荷）2021/9/1213P 型型+3+4+4+4+4+4核外多一个：核外多一个：空穴空穴P P型半导体中：型半导体中：空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子1.P 型半导体型半导体3价元素：硼原子（受主原价元素：硼原子（受主原子）子）负离子（原子核内少负离子（原子核内少一个正电荷）一个正电荷）在本征半导体中在本征半导体中参入低价元素参入低价元素载流子数载流子数 多数载流子多数载流子空穴数空穴数2021/9/12

9、141.1.3 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN 结结(PN Junction)的形成的形成载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:内电场：内电场：阻止多子扩散，阻止多子扩散，利于少子漂移。利于少子漂移。内建电场（势垒）内建电场（势垒）P区区N区区负离子负离子正离子正离子P区的多子空穴向区的多子空穴向N区扩散，留下负区扩散，留下负离子；离子；N区的多子区的多子电子扩散到电子扩散到P区，区，留下正离子。空穴留下正离子。空穴和电子在交界面复和电子在交界面复合合无载流子，无

10、载流子，+-2021/9/1215扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。PN结形成结形成2021/9/1216P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子外电场使多子扩散继续进行扩散继续进行,在在PN结交界面中和部分离子结交界面中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IFIF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.PN 结的结的单向单向导电性导电性(1)外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)forward bias+-极小漂移极小

11、漂移电流电流2021/9/1217(2)外加外加反向反向电压电压(反向偏反向偏置置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场反向电压反向电压不利于多子扩散，不利于多子扩散，有利于少子漂移，有利于少子漂移，少子漂移空间电荷区变宽。少子漂移空间电荷区变宽。IRPN 结的结的单向导电性单向导电性：正偏导通：电阻极小，电流较大正偏导通：电阻极小，电流较大;反偏截止：电阻极大，电流近似为零反偏截止：电阻极大，电流近似为零。数量极少的少数载流子漂移，数量极少的少数载流子漂移，形成极小的反向电流形成极小的反向电流 IR 反向饱和电流反向饱和电流IS：由于少子由于少子数量有限，反向电

12、压大到一定数量有限，反向电压大到一定程度时，不会再随着反向电压程度时，不会再随着反向电压的升高而变大，此时的电流称：的升高而变大，此时的电流称：反向饱和电流反向饱和电流IR=I少子少子 02021/9/12181.2.1 晶体二极管的结构、符号、类型晶体二极管的结构、符号、类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)1.2 晶体二极管晶体二极管Dironde2021/9/12191.2.1 晶体二极管的结构、符号、类型晶体二极管的结构、符号、类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：A(anode)C(cathode)分

13、类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.2 晶体二极管晶体二极管2021/9/1220点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底通过电流大通过电流大通过电流小通过电流小2021/9/12212021/9/12221.2.2 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性1.PN

14、 结的伏安特性结的伏安特性反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV通过二极管的电流通过二极管的电流iD与其两端的电压与其两端的电压uD和和反向饱和电流反向饱和电流IS及温度有关及温度有关Boltzmann（奥地利）（奥地利）constant（k 或或 kB）关于温度及能量的一关于温度及能量的一个物理常数个物理常数OuD/ViD/mA其中：其中：工程设计常用！工程设计常用！工程设计常用！工程设计常用！PN 结的伏安特性结的伏安特性呈指数曲线呈指数曲线2021/9/12231.2.2 晶体二极管的伏

15、安特性晶体二极管的伏安特性1.PN 结的伏安特性结的伏安特性反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV通过二极管的电流通过二极管的电流iD与其两端的电压与其两端的电压uD和和反向饱和电流反向饱和电流IS及温度有关及温度有关Boltzmann（奥地利）（奥地利）constant（k 或或 kB）关于温度及能量的一关于温度及能量的一个物理常数个物理常数OuD/ViD/mA其中：其中：工程设计常用！工程设计常用！工程设计常用！工程设计常用！PN 结的伏安特性结的伏安特性呈指数曲线呈指数曲线OuD/ViD

16、/mAPN 结的伏安特性结的伏安特性呈指数曲线呈指数曲线2021/9/1224反向饱和电流反向饱和电流正向特性正向特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性UthiD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.6 0.8)V 硅管硅管 0.7 V(0.2 0.4)V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿电压反向击穿电压U(BR)U 0 iD=IS U(BR)反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，频临损毁！频临损毁！反向击穿：反向击穿：导通电压导通电压电击穿电击穿热击

17、穿热击穿死区电压死区电压2021/9/1225反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(硅管齐纳硅管齐纳击击穿电压穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数)温度升高时击穿电压有所下降温度升高时击穿电压有所上升击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。2021/9/1227硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0

18、.20.4 25 50510150.010.020硅管和锗管：硅管和锗管：导通电压导通电压uON有何不同？有何不同？反向饱和电流反向饱和电流iS有何不同？有何不同？2021/9/1229授课结束20130319周二34节2021/9/1230温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C 90 CT 升升高高时：时：通过二极管的电流通过二极管的电流iD上升上升导通电压导通电压 UD(on)下降下降下降速率：下降速率：(2 2.5)mV/C (负温度系数负温度系数)硅二极管温度每增加硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；反向电流

19、将约增加一倍；2021/9/12312.电路模型电路模型（1）二极管的理想模型（开关模型）二极管的理想模型（开关模型）特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通理想状态：正偏导通理想状态：uD=0；二极管加反向二极管加反向电压：截止电压：截止二极管加正向二极管加正向电压：导通电压：导通反偏截止理想状态：反偏截止理想状态：iD=0 U(BR)=2021/9/1232（2）二极管的简化模型（恒压模型）二极管的简化模型（恒压模型）uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.3 V(Ge)二极管加反向二极管加反向电压：截止电压：截止二极管加正向二极管加正向电压：导通电压：

20、导通恒压模型恒压模型2021/9/12331.2.3 晶体二极管的主要参数晶体二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向最大正向平均平均电流电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO2021/9/1234*影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1.低频低频时，因结电容很小，容抗很大，对时，因结电容很小，容抗很大，对 PN 结影结

21、影响很小。响很小。高频高频时，因容抗减小，使时，因容抗减小，使信号被分流信号被分流，导致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积愈小，结电容愈小，工作频率愈高。结面积愈小，结电容愈小，工作频率愈高。2021/9/1235半导体二极管的型号半导体二极管的型号n 中国国家标准：半导体器件型号命名举例：中国国家标准：半导体器件型号命名举例：n 2 A P 9n 用数字代表同类型器件的不同型号用数字代表同类型器件的不同型号n 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管n 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，A代表代表N型型Gen B代表代表P型型Ge，C代表代表

22、N型型Si，D代表代表P型型Sin 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管代表三极管半导体器件命名的国际标准与各国标准半导体器件命名的国际标准与各国标准2021/9/12361.2.4 晶体二极管的温度特性晶体二极管的温度特性硅硅二二极极管管：温温度度每每增增加加88，反向电流约增加一倍；反向电流约增加一倍；锗锗二二极极管管：温温度度每每增增加加1212，反向电流大约增加一倍，反向电流大约增加一倍温温度度升升高高时时：二二极极管管的的正正向向压降将减小（压降将减小（负的温度系数负的温度系数）每每 增增 加加 11，正正 向向 压压 降降VF(Vd)VF(Vd)大约减小大约减小2 mV2 mV2

23、021/9/12371.2.6 晶体二极管的应用晶体二极管的应用 整流整流交流转换为直流交流转换为直流 检波检波检出有意义信号检出有意义信号 开关开关逻辑电路（计算机）逻辑电路（计算机）稳压稳压稳定电压稳定电压 限幅限幅令幅度不超过规定值令幅度不超过规定值 钳位钳位令幅度固定于规定值令幅度固定于规定值2021/9/1238例：例：ui=2 sin t(V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。ui 0.7 V：不限幅：不限幅D1、D2 均截止均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 V：正半周期被限幅：正半周期被限幅D2 导通导通 D截止截止ui Ic/，Ic为最大值（即为最大值

24、（即使使Uce很小很小）。）。截止区截止区2021/9/12652.输出特性曲线iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321ICEO在发射极正偏作用下涌入基极的多子，少在发射极正偏作用下涌入基极的多子，少数在基极复合，形成数在基极复合，形成Ib，多数等待进入集，多数等待进入集电极。较小的电极。较小的Uce即可将基极的大量多子即可将基极的大量多子吸引到集电极，形成吸引到集电极，形成Ic。特性曲线不随温度变特性曲线不随温度变化而变化时化而变化时什么是理想晶体管？什么是理想晶体管？是常数吗？是常数吗？在放大区内是的在放大区内是的为什么为什么uCE较

25、小时较小时iC随随uCE变化很大？进入变化很大？进入放大区曲线几乎是横轴的平行线？放大区曲线几乎是横轴的平行线？2021/9/1266（1）截止区）截止区条件：条件：两个结反偏两个结反偏特点：特点：IB 0 IC=ICEO 0（2）饱和区饱和区条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：IB IC/临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE 深度饱和时：深度饱和时：UCE(SAT)=0.3 V(硅管硅管)0.1 V(锗管锗管)（3）放大区放大区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔三个工作区2021/9/1267截止状态截止状态=开关断开开关断开

26、 输入电流输入电流 iB=0，输出电流输出电流 iC=0，uCE=VCC饱和状态饱和状态=开关闭合开关闭合 输入电流输入电流 iBIc/输出电流输出电流 iC=Ic(max)输出电压输出电压uCE=02021/9/1270四、温度对晶体管特性的影响少子：电子空少子：电子空穴对穴对 增加增加温度升高，会使温度升高，会使电路不稳定！电路不稳定！2021/9/1271五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全安全工作工作区区 交流参数：交流参数：、fT（使1时的工作信号频率）极

27、限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO共射电路直流共射电路直流电流放大倍数电流放大倍数共基电路直流共基电路直流电流放大倍数电流放大倍数共射电路交流共射电路交流电流放大倍数电流放大倍数共基电路交流共基电路交流电流放大倍数电流放大倍数2021/9/1272例：测得量三极管三个例：测得量三极管三个电极对地电位如下图所电极对地电位如下图所示，试判断三极管的工示，试判断三极管的工作状态。作状态。放大截止饱和Re2021/9/12761.3.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数1、晶体管的主要性能参数、晶体管的主要性能参数（1）共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数iC/mAuCE /

28、V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数直流电流放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数一般为几十一般为几十 几百几百Q2021/9/1277（2）极间反向饱和电流）极间反向饱和电流CB 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICEO。2021/9/12782、三极管的主要极限参数、三极管的主要极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。2.PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC=iC uCE。iCICMU(BR)CEO

29、uCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。3.U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。极间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO2021/9/1279*1.3.4 温度对三极管特性曲线的影响温度对三极管特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5)mV。温度每升高温度每升高

30、10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。OT2 T12021/9/12802.温度升高，输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。iCuCE T1iB=0T2 iB=0iB=0温度每升高温度每升高 1 C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。输出特性曲线间距增大。O温度升高温度升高温度升更高温度升更高2021/9/12811.4场效应管场效应管 引言：场效应管的特点引言：场效应管的特点 1.4.1 场效应管的场效应管的类型类型、特点、特点1.4.3 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线1.4.2 场效应管的工作原理场效应管的工作原理1.4.4 场效应管的符号表示及主要参数场效

31、应管的符号表示及主要参数2021/9/1284三极管三极管授课结束授课结束2021/9/1285场效应管场效应管 FETFET (F Field ield E Effect ffect T Transistor)ransistor)晶体管：晶体管：BJTBJTB Bipolar ipolar J Junction unction T Transistor ransistor 双极双极(结结)型晶体管型晶体管 场效应管场效应管2021/9/1286结型结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FE

32、T)也称金属氧化物半导体三极管（也称金属氧化物半导体三极管（Metal Oxide Semiconductor FET,简写为简写为MOSFET或或MOS）场效应管有两种类型场效应管有两种类型2021/9/1287特点特点场效应管与双极型晶体管不同之处：场效应管与双极型晶体管不同之处：单极性器件：只有一种载流子：多子导电单极性器件：只有一种载流子：多子导电输入阻抗高：输入阻抗高：107 1015，IGFET达达1015 温度稳定性好。温度稳定性好。工艺简单、体积小、功耗小、成本低工艺简单、体积小、功耗小、成本低2021/9/1288N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅

33、极)S源极源极D漏极漏极一、结构一、结构1.5.1 1.5.1 结型场效应管结型场效应管:导电沟道导电沟道2021/9/1290NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极电路符号电路符号DGSDGSN沟道结型场效应管沟道结型场效应管2021/9/1292PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS电路符号电路符号2021/9/1293二、工作原理（以二、工作原理（以P沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNID栅栅-源源(G-S)(G-S)反偏放大：反偏放大：输入输入PNPN结反偏，反偏结反偏，反偏压压U UGSGS越大耗尽区越宽

34、，越大耗尽区越宽，导电沟道越窄。导电沟道越窄。2021/9/1294PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。2021/9/1295PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即间被夹断，这时，即使使UDS 0V，漏极电漏极电流流ID=0A。ID2021/9/1296PGSDUDSU

35、GSUGS0、UGDVP时时耗尽区的形状耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID2021/9/1297PGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID2021/9/1298GSDUDSUGSUGSVp UGD=VP时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。ID2021/9/1299GSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感）感应出足够多电

36、子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压2021/9/12111UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGS2021/9/12112PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。2021/9/12113PNNGSDUDSUGS夹断后，即夹断后，即使使UD

37、S 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDUDS增加，增加，UGD=VT 时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。2021/9/12114三、增强型三、增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT2021/9/12115输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS02021/9/12116四、耗尽型四、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT2021/

38、9/12117输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS02021/9/121182021/9/121192021/9/12120N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET1.4.1 场效应管的类型场效应管的类型2021/9/121211）UGS 对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当UGS0(一定一定),则漏源则漏源电流电流iDS电流将受电流将受UGS的控制的控制,|UGS|增大增大,iDS减少减少.1.4.2 场效应管的工作原理场效应管的工作原理2021/9/121222）UDS 对沟道的控制作用对沟道的控制作用uGS 0，uDS 0 此时此时 uGD=VP；沟道楔型沟道楔型耗

39、尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。预夹断预夹断2021/9/12123uGS=0uGS 改变时改变时预夹断预夹断预夹断轨迹预夹断轨迹预夹点预夹点N沟道沟道JFET的输出特性的输出特性输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const2021/9/12124结论结论:1.FFET栅极、沟道之间的栅极、沟道之间的PN结反向偏置的，结反向偏置的，iG几乎为几乎为零，输入电阻较高零，输入电阻较高2.JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受UGS控制控制3.预夹断前，预夹断前，iD与与UDS呈近似线性关系；预夹断后；呈

40、近似线性关系；预夹断后；iD趋于饱和趋于饱和 四个区：四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）可变电阻区（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区2021/9/12125VP P当当 VP uGS 0 时时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO转移特性曲线转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const1.4.3 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线2021/9/12126增强型增强型N 沟

41、道沟道SGDBiD增强型增强型P 沟道沟道SGDBiD2 2 OuGS/ViD/mAVTSGDBiD耗尽耗尽型型N 沟道沟道iDSGDB耗尽耗尽型型P 沟道沟道VPIDSSuGS/ViD/mA 5 O51.1.场效应管的符号表示场效应管的符号表示1.4.4 场效应管的符号表示及主要参数场效应管的符号表示及主要参数2021/9/12127O uDS/ViD/mA5 V2 V0 V2 VuGS=2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结沟道结型型SGDiDSGDiDP 沟道结沟道结型型uGS/ViD/mA5 5 OIDSSVPO uDS/ViD/mA5 V2 V0 VuGS=0 V 2 V 5 V20

42、21/9/121282.2.场效应管的主要参数场效应管的主要参数（1）开启电压）开启电压 VT(增强型增强型)夹断电压夹断电压 VP(耗尽型耗尽型)指指 uDS=某值，使漏极某值，使漏极 电流电流 iD 为某一小电流时为某一小电流时 的的 uGS 值。值。VTVP（2）饱和饱和漏极电流漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO2021/9/12129UGS(th)UGS(off)（3）直流输入电阻直流输入电阻 RGS指漏源间短路时，栅、源间加指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。反向电

43、压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO2021/9/12130（4）低频跨导）低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO2021/9/12131PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。（5）漏源漏源动态电阻动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM2021/9/12132一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴

44、 价电子价电子两两 种种半导体半导体N 型型 (多电子多电子)P 型型 (多空穴多空穴)二、二、二、二、二极管二极管1.1.特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为 0)，反向电阻大反向电阻大()。第第2 2章章 小小 结结2021/9/12133iDO uDU(BR)I FURM2.2.主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿超过则击穿)反向饱和电流反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响受温度影响)IS2021/9/121343.二极管的等效模型二极管的等效

45、模型理想模型理想模型 (大信号状态采用大信号状态采用)uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on)时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.2 0.4)V0.3 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)2021/9/12135

46、4.二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5.特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光敏二极管光敏二极管反反 偏偏光电转换光电转换2021/9/12136三、两种半导体放大器件三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管双极型半导体三极管(晶体三极管晶体三极管 BJT)单极型半导体三极管单极型半导体三极管(场效应管场效应管 FET)两种载流子导电两种载流子导电多数载流子导电多数载流子导电晶体三极管晶体三极管1.形式与结构形式与结构NPNPNP三区、三极、两结三区、三极、两

47、结2.特点特点基极电流控制集电极电流并实现基极电流控制集电极电流并实现放大放大2021/9/12137放放大大条条件件内因：发射区载流子浓度高、内因：发射区载流子浓度高、基区薄、集电区面积大基区薄、集电区面积大外因：外因：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏3.电流关系电流关系IE=IC+IBIC=IB+ICEO IE=(1+)IB+ICEOIE=IC+IBIC=IB IE=(1+)IB 2021/9/121384.特性特性iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB/AuBE/V60402080死区电压死区电

48、压(Uth)：0.5 V(硅管硅管)0.1 V(锗管锗管)工作电压工作电压(UBE(on)：0.6 0.8 V 取取 0.7 V(硅管硅管)0.2 0.4 V 取取 0.3 V(锗管锗管)饱饱和和区区截止区截止区2021/9/12139iC/mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 124321放大区放大区饱饱和和区区截止区截止区放大区特点：放大区特点：1)iB 决定决定 iC2)曲线水平表示恒流曲线水平表示恒流3)曲线间隔表示受控曲线间隔表示受控2021/9/121405.参数参数特性参数特性参数电流放大倍数电流放大倍数 =/(1 )=/(1+)极间反

49、向电流极间反向电流ICBOICEO极限参数极限参数ICMPCMU(BR)CEOuCEOICEOiCICMU(BR)CEOPCM安安 全全 工工 作作 区区=(1+)ICBO2021/9/12141场效应管场效应管1.分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS=0 时，时，iD=0uGS=0 时，时，iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型(耗尽型耗尽型)2021/9/121422.特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流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

50、输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特性转移特性和和输出特性输出特性描述描述3.特性特性BJT与与 FET 的比较参见的比较参见 表表1.12 第第 51页页2021/9/12143不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS/ViD/mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管(耗尽型耗尽型)IDSS开启电压开启电压VT夹断电压夹断电压VPIDO 是是 uGS=2UT 时的时的 iD 值值2021/9/12144四、晶体管电路的基本问题和分析方法四、晶体管电路的基本问题和分析方法三种工作状态三种工作状态状态状态电