半导体器件基础.pptx

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1、第第二章二章 半导体器件基础半导体器件基础2.1 半导体基础知识2.2 PN结2.3 半导体二极管（二极管）2.4 双极型晶体管（三极管）2.5 场效应晶体管（场效应管）第1页/共131页2.1 2.1 半导体基础知识半导体基础知识一、半导体的特性二、本征半导体及半导体的能带三、杂质半导体第2页/共131页一、半导体特性一、半导体特性 什么是半导体？导 体:导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-2210-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体:半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性

2、半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏器件光电器件第3页/共131页二、本征半导体及半导体的能带本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。第4页/共131页锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+

3、4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流二、本征半导体及半导体的能带（续）挣脱原子核束缚的电子称为自由电子第5页/共131页1.本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同始终在价带内运动二、本征半导体及半导体的能带（续）3.注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。载流子概念：运载电荷的粒子。第6页/共131页 本征半导

4、体的载流子的浓度电子浓度 ni:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度 pi:表示单位体积内的空穴数。A0 与材料有关的常数EG0 禁带宽度T 绝对温度k 玻尔曼常数结论1.本征半导体中 电子浓度ni=空穴浓度pi 2.载流子的浓度与T、EG0有关 二、本征半导体及半导体的能带（续）第7页/共131页 载流子的产生与复合g载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时 g=R R=r nipi 其中r复合系数，与材料有关。二、本征半导体及半导体的能带（续）第8页/共131页三、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体

5、的导电率大为提高。掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。第9页/共131页 N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带导带+施主能级自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。三、杂质半导体（续）第10页/共131页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子问题：与本征半导体相比，N型半导

6、体中空穴多了？还是少了？N型半导体第11页/共131页举例：锗原子密度为4.41022/cm3，锗本征半导ni=2.51013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-44.41022=4.41018/cm3个砷原子。则施主杂质浓度为：ND=4.41018/cm3 （比ni大十万倍）杂质半导体小结：尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增。半导体的掺杂、温度等可人为控制。第12页/共131页 P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+

7、3在本征半导体中掺入的三价元素如 B。价带导带-受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。三、杂质半导体（续）第13页/共131页杂质半导体的载流子浓度N型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度n=p+ND ND（施主杂质的浓度p）P型半导体：NA表示受主杂质的浓度，n 表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度p=n+NA NA（受主杂质的浓度n）三、杂质半导体（续）说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。第14页

8、/共131页结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。三、杂质半导体（续）其中：ni 表示本征材料中电子的浓度 pi 表示本征材料中空穴的浓度。n p=ni pi=ni2=C第15页/共131页2.2 PN2.2 PN结结一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结的反向击穿五、PN结电容六、PN结的光电效应与电致发光第16页/共131页一、PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂

9、移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡耗尽层PN结P区N区空穴自由电子负电荷正电荷第17页/共131页内电场阻止多子扩散 浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN 结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。一、PN结的形成（续）P区N区第18页/共131页U 内电场的建立，使PN结中产生了电位差，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、PN结的

10、接触电位差硅：U=0.60.7 V锗：U=0.20.3 V第19页/共131页三、PN结的伏安特性1.PN结加正向电压时的导电情况 原理：外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外结论：PN结正偏时，呈现低阻性。第20页/共131页2.PN结加反向电压时的导电情况原理：外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽

11、略扩散电流。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。内外三、PN结的伏安特性（续）结论：PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。第21页/共131页结论是：PN结具有单向导电性。小结：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结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。三、PN结的伏安特性（续）问题：有必要加电阻R吗？第22页/共131页PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式式中 Is 饱和电流;UT=kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；q为电子的电量；T=300k（室温）时 UT=26mv由半导体物理可推出：三、PN结的伏安特性（续）3.PN结电流

12、方程第23页/共131页当加反向电压时：当加正向电压时：(UUT)三、PN结的伏安特性（续）结电流方程IU第24页/共131页四、PN结的反向击穿反向击穿：PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生。不可逆击穿 热击穿。PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高

13、，导致PN结过热而烧毁。第25页/共131页五、PN结电容势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。第26页/共131页 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分布曲线。五、PN结电容（续）注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD 外加电压不同情况下，P、N区少

14、子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。第27页/共131页 PN结的电致发光 如果在PN结加正偏电压E，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。ED六、PN结的光电效应及电致发光PN第28页/共131页 PN结的光电效应 PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-

15、空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。六、PN结的光电效应及电致发光第29页/共131页一、晶体二极管的结构类型二、晶体二极管的伏安特性三、晶体二极管的等效电阻四、光电二极管五、发光二极管六、稳压二极管七、变容二极管八、二极管的典型应用2.3 晶体二极管第30页/共131页一、晶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

16、按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路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。第31页/共131页伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，IU1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时I 随U，呈指数规率I -IsI基本不变二、晶体二极管的伏安特性第32页/共131页 晶体二极管的伏安特性正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Ur=0.50.6V;锗：Ur=0.10.2V。加反向电压时，反向电流很小 即I

17、s硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定。当反压增大VBR时再增加，反向激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。实测伏安特性二、晶体二极管的伏安特性（续）材料 门限电压 导通电压 Is/A硅 0.50.6V 0.7V 0时u2 0时，二极管瞬间导通，C快速充电，电容两端电压uc=V1，充电结束后输出uo=0.当输入ui0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅等。半导体光电器件分光敏器件和发

18、光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。小 结第57页/共131页重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动重点难点第58页/共131页例题：判断图示电路中的二极管能否导通。解题思路：解题思路：判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设二极管断开，分别计算二极管两极的电压，然后比较阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电

19、压为导通电压，然后在用上述方法判断其他二极管的导通状态。第59页/共131页结果：结果：则 VAEB输出电流输入电流RbRcNPNbcIEIBICICBOIEpIBnICnIEnECEBeNPNebcIEIBICICBOIEpIBnICnIEnECEBECEBRbRc第72页/共131页IB=0时，穿透电流若 IBICBO，RbRcNPNbcIEIBICICBOIEpIBnICnIEnECEBe第73页/共131页EBECRbRcibicie+-UiUo共基交流电流放大系数共射交流电流放大系数共射电路的交流电压放大倍数一、晶体三极管的结构及工作原理（续）第74页/共131页二、三极管的伏安特性

20、曲线三极管的伏安特性指管子各电极的电压与电流的关系曲线。Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。IC是输出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。输入特性曲线:Ib=f(Ube)Uce=C输出特性曲线:IC=f(Uce)Ib=C l共发射极接法三极管的特性曲线EBECRbRcIbIcIe+-UiUo第75页/共131页特性曲线特性曲线 三极管输入特性曲线1.Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。2.当Uce 1V时,Ucb=Uce-Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移

21、动一些,IC/IB 增大。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。输入特性曲线分三个区 非线性区 死区 线性区 正常工作区，发射极正偏 NPN Si:Ube=0.60.7VPNP Ge:Ube=0.20.3VIb=f(Ube)Uce=C第76页/共131页特性曲线特性曲线 三极管输出特性曲线IC=f(Uce)IB=常数饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。特点：发射结正偏，集电结正偏(2)临界饱和时Uces=0.3V左右截止区：Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=ICEO NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态特点：发

22、射结反偏，集电结反偏。输出特性曲线可以分为三个区域:第77页/共131页放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1)发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(3)2-2判断三极管工作状态的依据：饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结反偏，集电结反偏反偏：Ube0.5V（Si)Ube0.2V（Ge)放大区:发射结正偏，集电结反偏。第78页/共131页三极管的四种工作状态：饱和工作状态:发射结正偏，集电结正偏截止工作状态：发射结反偏，集电结反偏放大工作状态:发射结正偏，集电结反偏反向工作状态：发射结反偏，集电结正偏EB

23、ECRbRcIbIcIe+-UiUo第79页/共131页三、三极管的参数1.直流参数共基直流电流放大系数共射直流电流放大系数级间反向饱和电流ICBO和ICEO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。Ge管：A量级 Si管：nA量级NPNebcIEIBICICBOIEpIBnICnIEn第80页/共131页集电极发射极间的穿透电流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。NPNebcIEIBICICBOIEpIBnICnIEn级间反向饱和电流ICBO和I

24、CEO2.交流参数共基交流电流放大系数共射交流电流放大系数特征频率fT 随着频率下降为1时对应的频率。第81页/共131页集电极最大允许电流ICM 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2/3时所对应的最大集电极电流。3.极限参数 当IcICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=IcUcb 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，PCMIC Uce第82页/共131页反向击穿电压UCEO,B、UEBO,B、UCBO,BUCEO,B 表示基极B开路

25、时，CE之间允许施加的最大反向电压。UCEO,BUEBO,B 表示集电极C开路时，EB之间允许施加的最大反向电压。UEBO,BUCBO,B 表示发射极E开路时，CB之间允许施加的最大反向电压。UCBO,B击穿电压之间的关系：UCBO,BUCEO,B UEBO,B第83页/共131页UCES,BUCER,B击穿电压之间的关系:UCBO,B UCES,B UCER,B UCEO,BUEBO,B反向击穿电压UCES,B、UCER,BUCES,B 表示基极B短路(short)时，CE之间允许施加的最大反向电压。UCER,B 表示基极B加电阻时(Resistance)时，CE之间允许施加的最大反向电压。

26、第84页/共131页 晶体管的安全工作区UCEO,BUCE/VPCMIC UCE第85页/共131页四、温度对三极管参数的影响温度基极门限电压UBEO集电极反向饱和电流ICBO 电流放大倍数第86页/共131页小 结晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电流可以控制集电极电流。要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极间反向电流ICBO、ICEO，极限参数ICM、PCM和BUCEO。由于、ICBO、ICEO等受温度影响较大，为了稳定，选管子时ICBO

27、、ICEO要小，也不要过大。第87页/共131页例题：某放大电路中双极型晶体管3个电极的电流如题2-6图所示。已测出试分析A,B,C中哪个是基级、发射极？该管的为多大？解：有图分析根据晶体管放大电路的特点可知A为集电极，B为基极，C为发射极。分析：对于BJT（or三极管），有第90页/共131页填空：1.放大电路中，已知三极管三个电极的对地电位为VA=-9V，VB=-6.2V，VC=-6V，则三极管是_三极管，A为_极_，B为_极，C为_极。答：PNP，A是集电极，B是基极，C是发射极。2.硅二极管正向导通压降约为_，锗二极管正向导通压降约为_。3.测量某硅管BJT各电极对地的电压值如下，说明

28、管子工作的区域：（1）VC=6V，VB=0.7V，VE=0V答案：（1）放大区（2）饱和区 (3)截止区答：0.60.7V，0.20.3V，。（2）VC=3.6V，VB=4V，VE=3.3V（3）VC=6V，VB=4V，VE=3.7V第91页/共131页选择填空：1.当温度升高时，半导体三极管的（），穿透电流ICEO（），Vbe（）。A变大 B变小 C不变答：A，A，B2.3AX22型三极管的极限参数为：V（BR）CEO=18V，ICM=100mA，PCM=125mW，试判断下列各静态工作点参数属于正常范围的是（）。答：BA.ICQ=34mA，VCEQ=4V，B.ICQ=10mA，VCEQ=1

29、0VC.ICQ=110mA，VCEQ=1V，D.ICQ=5mA，VCEQ=20V第92页/共131页 2.5 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路一、场效应管概述二、MOS场效应管（MOSFET）三、结型场效应管（JFET)四、场效应管的主要参数及特点第93页/共131页一、场效应管概述根据结构场效应管的分类结型场效应管JFETMOS型场效应管场效应管（Field Effect Transistor，FET）：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。也称为单极型晶体管。结型场效应管：Junction Field Effect Transisto

30、r,JFETMOS型场效应管：Metal Oxide Semiconductor FET,MOSFET根据载流子场效应管的分类N沟道FET：电子作为载流子P沟道FET：空穴作为载流子第94页/共131页一、场效应管概述(续）场效应管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014。4.其他：FET体积小、重量轻、寿命长、热稳定、更便于集成、易受静电影响。第95页/共131

31、页MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类二、MOS场效应管第96页/共131页 N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D集电极C源极S发射极E栅极G基极B衬底B电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管1.增强型MOS场效应管栅极G基极B源极S发射极E漏极D集电极C第97页/共131页(1)当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.(2)当0UGSUGS,th时,导电沟道逐渐加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加。N沟道增强

32、型MOS场效应管工作原理UDSID+-+-+-UGS反型层说明：开始无导电沟道，当在UGSUGS,th时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管。栅极G基极B源极S发射极E漏极D集电极C第98页/共131页 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管定义：UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C 转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UGS,th在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UGS,th)2K为导电因子。UGS,th称为开启电压或阈值电压。第99页/共131页IDK(UGS-UGS,th)2（1+UDS)其中：K导

33、电因子（mA/V2)沟道调制长度系数n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子IDK(UGS-UGS,th)2不考虑UDS对沟道长度的调节作用时沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：第100页/共131页定义：UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 输出特性曲线输出特性曲线有三个区：（1）可变电阻区（或 恒阻区）（2）恒流区（或放大区）（3）击穿区UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=4VUGS=UGS,thUDS(V)ID(mA)可变电阻区输出特性曲线第101页/共131页1.可变电

34、阻区条件：UDS0，UDS较小(UGDUGS.th),分析过程：增强型MOS管 当UDS为0或较小时,UGDUGS.th即UDS0,使UGDUGS.th UDS增加，UGD减小，UGD=UGS.th时,即UDS=UGS UGS,th，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。此时的漏极电流ID 基本饱和。当UDS继续增加，UGDUGS.th时，即UDS UGS UGS,th，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。UGD=UGSUDS第105页/共131页问题：UDS电压反接是否能正常工作？第106页/共131页增强

35、型MOS管 MOS管衬底的处理保证两个PN结反偏。NMOS管UBS加一负压PMOS管UBS加一正压处理原则：处理方法：第107页/共131页 N沟道耗尽型MOS场效应管结构2.耗尽型MOS场效应管+耗尽型MOS管存在原始导电沟道第108页/共131页耗尽型MOS管 当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS0时，将使ID进一步增加。当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UGS称为夹断电压,用Uth,off表示。UGS(V)ID(mA)UGS,off N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 转移特性

36、曲线第109页/共131页耗尽型MOS管UGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线沟道较短时，或考虑漏源之间的电压时，有IDK(UGS-UGS,off)2（1+UDS)UGS,off转移特性曲线当UGSUGS,off，且未击穿时，第110页/共131页输出特性曲线比较：N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0。N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0。UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)可变电阻区耗尽型MOS管第111页/共131页各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第112页/共131

37、页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结（续）第113页/共131页 结型场效应管（JFET)结构 结型场效应管（JFET)分类可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。P+P+NGSDN沟道结型场效应管导电沟道三、结型场效应管第114页/共131页结型场效应管 结型场效应管（JFET)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。P+P+NGSDUDSIDSN沟道结型场效应管第115页/共131

38、页(1)当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。(2)当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断。DP+P+NGSUDSIDUGS预夹断UGS=UGS,off夹断状态ID=0栅源电压对沟道的控制作用:（3）当UGS继续向负方向增加，耗尽层在源极附近相遇称为全夹断，此时ID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。UGS第116页/共131页结型场效应管 结型场效应管（JFET)的特性曲线 与MOS管的特性曲线基本相同，只不过

39、MOS的栅源电压可正可负，而结型场效应三极管的栅源电压只能是为负。UGS,off转移特性曲线输出特性曲线可变电阻区第117页/共131页结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第118页/共131页四、效应管的主要参数及特点直流参数2.饱和漏极电流IDSS 耗尽型MOSFET、JFET，当UGS=0时所对应的漏极电流。1.阈值电压（or称为开启电压、夹断电压)漏源电压UDS恒定时，使ID=0时的电压。增强型MOSFET阈值电压用UGS,th表示，也成为开启电压；耗尽型MOSFET和JFET阈值电压用UGS,off表示，也称为夹断电压。3.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流

40、IGS之比。结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。第119页/共131页 1.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用gm的求法:图解法：gm实际就是转移特性曲线 i D=f(uGS)的斜率解析法：如增强型MOS管存在 iD=K(uGS-UGS,th)2交流参数gm与 iD成正比关系。第120页/共131页ID UGSQ练习：计算低频跨导gm。显然：gm大小与工作点有关,ID越大,gm越大。第121页/共131页 2.衬底跨导gmb反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用跨导比交流参数第122页/共131页3.动态漏极电阻rds反

41、映了uDS对iD的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率。一般是几十几百千欧姆。交流参数第123页/共131页4.极间电容Cgs栅极与源极间电容，约13PFCgd 栅极与漏极间电容，约13PFCsd 源极与漏极间电容，约0.11PFCgb 栅极与衬底间电容Csb 源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容主要的极间电容有：交流参数第124页/共131页2.漏源击穿电压UDS,B(或用符号BUDS 表示）使ID开始剧增时的UDS。1.栅源击穿电压UGS,B(或用符号BUGS表示）JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压。MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压。极限参数3.最大漏极电流IDM 管子

42、正常工作时漏极电流的上限值。4.最大漏极耗散功率PDM PD=iDuDS 应用：根据IDM、PDM、UDS,B可以确定管子的安全工作区。第125页/共131页 附录附录1.与双极型三极管相同第三位字母 J 代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅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。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。场效应三极管的型号现行有两种命名方法：2.第二种命名方法是CS#：第126页/共131页小 结1.场效应管种

43、类很多，主要有结型和绝缘栅场效应管。结型有N沟道和P沟道两种，栅源必须加反偏压才能工作，如N沟道在UGS0下工作。绝缘栅场效应管有N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。2.场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一 般可达109。第127页/共131页填空：1.场效应管是_控制器件，而双极型三极管是_控制器件。绝缘栅型场效应管输入电阻很大，是因为_的原因。答：电压，电流，栅极绝缘。第128页/共131页选择填空：1.下图所示的特性属于那种管型？（）。A.MOS增强型N沟道;MOS耗尽型P沟道；JFET N沟道B.JFET N沟道;MOS增强型P沟道;MOS耗尽型N沟道；C.MOS耗尽型P沟道;MOS增强型N沟道;JFET N沟道.D.MOS耗尽型P沟道;JFET P沟道;MOS增强型N沟道C第129页/共131页第二章结束第130页/共131页感谢您的观看！第131页/共131页