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1、电工工电子技子技术及及应用用微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY电工电子技术及应用第5章常用电子元器件目录C O N T E N T S5.1 普通半导体二极管5.5 常用元器件选型及应用5.3 半导体三极管5.2 特殊半导体二极管5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY本章重点本章重点二极管符号、作用及选用原则二极管符号、作用及选用原则三极管符号、作用及选用原则三极管符号、作用及选用原则微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1 普通半导体二极管普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIV
2、ERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1948年，贝尔实验室的沃尔特.布拉登和约翰.巴丁发明了世界上第一个点触式晶体管。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1956年，贝尔实验室的这三个人因此而获得诺贝尔物理学奖。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHAN
3、GZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1.1 结构类型及符号结构类型及符号5.1 普通半导体二极管 有有一一种种物物质质，其其导导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间，如如硅硅、锗锗、砷砷化化镓镓等等，当当这这些些物物质质原原有有特特征征未改变时被称为未改变时被称为本征半导体。本征半导体。它它们们的的导导电电能能力力都都很很弱弱，并并与与环境温
4、度、光强环境温度、光强有很大关系。有很大关系。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 当掺入少量其它元素后，如当掺入少量其它元素后，如硼、磷硼、磷等，就形成了所谓的杂质半导体，其等，就形成了所谓的杂质半导体，其导电能力会有很大提高。导电能力会有很大提高。根据掺入元素的不同，杂质半导体根据掺入元素的不同，杂质半导体可分可分P P型型和和N N型型两种。两种。P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合后，在型半导体结合后，在它们之间会形成一块导电能力极弱的区它们之间会形成一块导电能力极弱的区域，俗称域，俗称PNPN结结。这个。这个PNPN结有一个非常重结有一个非常重要的性质
5、，即要的性质，即单向导电性单向导电性。5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 1.PN 1.PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IFPN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较大，结变窄，正向电流较大，结变窄，正向电流较大，结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，正向电阻较小，正向电阻较小，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态
6、。内电场内电场PN+5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY2.PN 2.PN 结结加反向加反向加反向加反向电压电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 内电场内电场内电场内电场P PN N+5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITYPN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结结加反向加反向加反向加反向电压电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场IR P P接负、接负、接
7、负、接负、N N接正接正接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，反向电阻较大，反向电阻较大，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场内电场内电场P PN N+5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学
8、院CHANGZHOU UNIVERSITY 当当PNPN结结 正向正向 偏置，即偏置，即P P型半型半导体接电源的正极，导体接电源的正极，N N型半导体接型半导体接电源的负极，电源的负极，PNPN结变薄，流过的结变薄，流过的电流较大，呈电流较大，呈 导通状态导通状态 ；当；当PNPN结结 反向反向 偏置，即偏置，即P P型半导体接电型半导体接电源的负极，源的负极，N N型半导体接电源的正型半导体接电源的正极，极，PNPN结变厚，流过的电流很小，结变厚，流过的电流很小，呈呈 截止状态截止状态 。5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1 普通半导体
9、二极管 二极管实质为一个二极管实质为一个PNPN结，它是将结，它是将PNPN结的结的P P型区与型区与N N型区各引出型区各引出一个电极，并对一个电极，并对PNPN结进行封装。结进行封装。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY二极管的伏安特性二极管的伏安特性 其中，其中，u u和和i i分别为二极管的端电压和流过分别为二极管的端电压和流过的电流，的电流，I IS S为二极管的反向饱和电流，为二极管的反向饱和电流，U UT T为绝对温度为绝对温度T T下的电压当量，常温下
10、，即下的电压当量，常温下，即T=300KT=300K时时U UT T26mV26mV。5.1.2 伏安特性伏安特性5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1 普通半导体二极管死区电压死区电压导通压降导通压降硅管硅管0.5V锗管锗管0.1V硅硅0.60.8V锗锗0.20.3VPN+PN+反向击穿反向击穿电压电压U(BR)外 加 电压 大 于 死区 电 压，二 极 管 才能导通。外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1 普通半导体二极管普通二极管单向导电性单向导电性光
11、敏特性光敏特性光电二极管击穿特性击穿特性稳压二极管基于二极管电容效应制备的变容二极变容二极管管；基于半导体光活性制备的激光二激光二极管极管（LED）等等微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1.正向特性 对应于图中的对应于图中的abab段和段和bcbc段段。ab ab段段:正向电压只有零点几伏，但电正向电压只有零点几伏，但电流相对来说却很大，且随电压的改变有流相对来说却很大，且随电压的改变有较大的变化，或者说管子的正向静态动较大的变化，或者说管子的正向静态动态电阻都很小，呈态电阻都很小，呈正向导通状态。正向导通状态。此时此时的电压称的电压称导通电压导通电压，用，用U Uo
12、non表示，表示，硅管硅管0.6V0.6V左右，锗管左右，锗管0.2V0.2V左右。左右。5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY bcbc段段:电电流流几几乎乎为为零零，管管子子相相当当于于一一个个大大电电阻阻，呈呈正正向向截截止止状状态态，好好象象有有一一个个门门坎坎。硅硅管管的的门门坎坎电电压压U Uthth（又又称称开开电电压压或或死死区区电电压压）约约为为0.5V0.5V，锗锗管管约为约为0.1V0.1V。5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY2.反向特性反向特性 对应于图中的对应于图中的cdc
13、d段和段和dede段。段。cd cd段段:反向电压增加，管子很快进入饱反向电压增加，管子很快进入饱和状态，但反向饱和电流很小，管子相当和状态，但反向饱和电流很小，管子相当于一个大电阻，呈反向截止状态一般硅管于一个大电阻，呈反向截止状态一般硅管的反向饱和电流的反向饱和电流I IR R要比锗小得多。要比锗小得多。温度升高时，反向饱和电流会急剧增加温度升高时，反向饱和电流会急剧增加。dede段段:反反向向电电流流急急剧剧增增加加，呈呈反反向击穿状态。向击穿状态。5.1 普通半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.1 普通半导体二极管1.最大整流电流 IF：二极管长
14、期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压U(BR)：二极管反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流急剧增加，单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。3.反向电流 IR：二极管未击穿时的反向电流。其值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，可应用于整流、检波、限幅、保护等等。4.极间电容C：二极管阳极与阴极之间的电容。其值越小，管子的频率特性越好。高频电流中，必须考虑极间电容对电路的影响5.1.3 主要参数主要参数微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.2 特殊半导
15、体二极管特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY稳稳压压二二极极管管简简称称稳稳压压管管，是是一一种种用用硅硅材材料料和和特特殊殊工工艺艺制制造造出出来的面接触型二极管。来的面接触型二极管。5.2 特殊半导体二极管5.2.1 稳压二极管稳压二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1.稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性与与普通二极管相比，主要差异在于普通二极管相比，主要差异在于反向击穿反向击穿时，特性曲线更陡（几乎时，特性曲线更陡（几乎平行于纵轴），且平行于纵轴），且反向击穿是可逆反向击穿是可逆的的，即反向电流在一定的范围内管，即反向电
16、流在一定的范围内管子就不会损坏。子就不会损坏。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数（1 1）稳稳压压电电压压U UZ Z：U UZ Z是是在在规规定定电电流流下下稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿电电压压。由由于于半半导导体体器器件件参参数数的的分分散散性性，同同一一型型号号的的稳稳压压管管的的存存在在一一定定差差别别。例例如如，型型号号为为2CW112CW11的的稳稳压压管管的的稳稳压压电电压压为为3.24.5V3.24.5V。
17、但但就就某某一一只只管管子子而而言言，U UZ Z应为确定值。应为确定值。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY（2 2）稳稳定定电电流流I IZ Z：I IZ Z是是稳稳压压管管工工作作在在稳稳定定状状态态时时的的参参考考电电流流，电电流流低低于于此此值值时时稳稳压压效效果果变变坏坏，甚甚至至根根本本不不稳稳压压，故故也也常常将将I IZ Z记记作作I IZminZmin。只只要要不不超超过过稳稳压压管管的的额额定定功功率率，电电流流愈大，稳压效果愈好。愈大，稳压效果愈好。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVE
18、RSITY（3 3）额额定定功功耗耗P PZMZM：P PZMZM等等于于稳稳压压管管的的稳稳定定电电压压U UZ Z与与最最大大稳稳定定电电流流I IZMZM（或或记记作作I IZmaxZmax）的的乘乘积积。稳稳压压管管的的功功耗耗超超过过此此值值使使，会会因因PNPN结结温温升升过过高高而而损损坏坏。对对于于一一只只具具体体的的稳稳压压管管，可以通过其可以通过其P PZMZM的值，求出的的值，求出的I IZMZM值。值。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY （4 4）动动态态电电阻阻r rZ Z：r rZ Z是是稳稳压压管管工工作作在在稳稳
19、压压区区时时，端端电电压压变变化化量量与与其其电电流流的的变变化化量量之之比比，即即r rZ Z=U=UZ Z/I/I。r rZ Z愈愈小小，电电流流变变化化时时U UZ Z的的变变化化愈愈小小，即即稳稳压压管管的的稳稳压压特特性性愈愈好好。对对于于不不同同型型号号的的管管子子，r rZ Z将将不不同同，从从几几欧欧到到几几十十欧欧；对对于于同同一一只只管管子子，工工作作电流愈大，电流愈大，r rZ Z愈小。愈小。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY （5 5）温温度度系系数数：表表示示温温度度每每变变 化化 11稳稳 压压 值值 的的 变变 化
20、化 量量，即即=U=UZ Z/T/T。稳稳压压电电压压小小于于4V4V的的管管子子具具有有负负温温度度系系数数，即即温温度度升升高高时时稳稳定定电电压压值值下下降降；稳稳压压电电压压大大于于7V7V的的管管子子具具有有正正温温度度系系数数，即即温温度度升升高高时时稳稳定定电电压压值值上上升升；而而稳稳定定电电压压在在47V47V之之间间的的管管子子，温温度度系系数数非非常常小，近似为零。小，近似为零。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY由由于于稳稳压压管管的的反反向向电电流流小小于于I IZminZmin时时不不稳稳压压，大大于于I IZmaxZ
21、max时时会会因因超超过过额额定定功功耗耗而而损损坏坏，所所以以在在稳稳压压管管电电路路中中必必须须串串联联一一个个电电阻阻来来限限制制电电流流，从从而而保保证证稳稳压压管管正正常常工工作作，故故称称这这个个电电阻阻为为限限流流电电阻阻。只只有有在在限限流流电电阻阻取取值值合合适适时时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。稳压管才能安全地工作在稳压状态。5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 光光电电二二极极管管的的结结构构与与PNPN结结二二极极管管类类似似，但但在在它它的的PNPN结结处处，通通过过管管壳壳上上的的一一个个玻玻璃璃窗窗口口能能接接收
22、收外外部部的的光光照照。这这种种器器件件的的PNPN结结在在反反向向偏偏置置状状态态下下运运行行，它它的的反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。其主要特点是其主要特点是:它的反向电流与照度成正它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为比，灵敏度的典型值为0.1A/lx0.1A/lx数量级。数量级。5.2 特殊半导体二极管5.2.2 光电光电二极管二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。换为电信号的常用器件。5.2 特殊半导体二极管微电子
23、与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 发光二极管发光二极管通常用元素周期表通常用元素周期表中中、族元素的化合物，如砷族元素的化合物，如砷化镓，磷化镓等制成的。当这种化镓，磷化镓等制成的。当这种管子通以电流时将发出光来。光管子通以电流时将发出光来。光谱范围是比较窄的，其波长由所谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料而定。发光二极使用的基本材料而定。发光二极管常用来作为显示器件，除单个管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作成七段式或矩阵使用外，也常作成七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几个毫式器件，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。安至十几毫安之间。5.2 特殊半导体
24、二极管5.2.3 发光二极管发光二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.2 特殊半导体二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.2 特殊半导体二极管发光二极管发光二极管稳压二极管稳压二极管普通二极管普通二极管光电二极管光电二极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管半导体三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 半半导导体体三三极极管管（BJTBJT），以以后后简简称称三三极极管管，是是通通过过一一定定的的工工艺艺，将将两两个个PNPN结结结结合合在在一一起起的的器器件
25、件。由由于于PNPN结结之之间间的的相相互互影影响响，使使半半导导体体三三极极管管表表现现出出不不同同于于单单个个PNPN结结的的特特性性而而具具有有电电流流控控制制作作用用，从从而而使使PNPN结的应用发生了质的飞跃。结的应用发生了质的飞跃。5.3 半导体三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY三极管的种类很多三极管的种类很多它都有三个电极，分别叫做它都有三个电极，分别叫做发射极发射极e e、基、基极极b b和集电极和集电极c c。按按频率频率分，有分，有高频管、低频管；高频管、低频管；按按功率功率分，有分，有大、中、小功率管大、中、小功率管；按按材料材料分，有分，
26、有硅管、锗管硅管、锗管。5.3.1 结构类型符号结构类型符号5.3 半导体三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管基本结构基本结构基本结构基本结构NNP基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极NPNNPN型型型型BECB BE EC CPNPPNP型型型型P PP PN N基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极符号：符号：符号：符号：BECIBIEICBECIBIEICNPNNPN型三极管型三极管型三极管型三极管PNPPNP型三极管型三极管型三极管型三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UN
27、IVERSITY5.3 半导体三极管外形：外形：外形：外形：微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY基区：最薄，基区：最薄，基区：最薄，基区：最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：掺发射区：掺发射区：掺发射区：掺杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B B B BE E E EC C C CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极结构特点：结构特点：结构特点：结构特点：集电区：集电区：集电区：集电区：面积最大面积最大面积最大面积最大在在
28、发发射射极极和和基基极极之之间间形形成成的的PNPN结结叫叫发发射射结结，在在集集电电极极和和基基极极之之间间形形成成的的PNPN结叫结叫集电结集电结。5.3 半导体三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管1.1.三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件B BEC CN NN NP PEBRBE ECCRC发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 PNP PNP发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏 U UB B U UE E集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电
29、结反偏 U UC C U UE E集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏 U UC C U UB B 微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管2.2.各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用I IB B(mA)(mA)I IC C(mA)(mA)I IE E(mA)(mA)0 00.020.020.040.040.060.060.080.080.100.100.0010.0010.700.701.501.502.302.303.103.103.953.950.001 UBE，IC=
30、IB,且且 IC=IB发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 此区域中此区域中：IB=0,IC=ICEO UBE 死区死区电压，电压，发射结反偏，集电发射结反偏，集电结反偏，结反偏，称为称为截止区截止区。(2)截止区截止区：UBE IC，称为，称为饱和区饱和区(3)饱和饱和区特点：区特点：UCE UBE，IB IC微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 三三极极管管工工作作在在放放大大状状态态，具
31、具有有电电流流控控制制作作用用，利利用用它它可可以以组组成成放放大大电电路路；工工作作在在截截止止和和饱饱和和状状态态，具具有有开开关关作作用用，利利用用它它可可以以组组成成开开关关电路。电路。对对于于锗锗三三极极管管，其其输输入入特特性性与与硅硅管管相相比比，死死区区电电压压较较小小，一一般般只只有有0.2V0.2V左左右右；其其输输出出特特性性，初初始始上上升升部部分分较较陡陡，但但集集电电极极-发发射射极极间间反反向向饱和电流（又称穿透电流）饱和电流（又称穿透电流）I ICEOCEO较大。较大。5.3 半导体三极管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1.1.电流放
32、大系数电流放大系数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 5.3 半导体三极管5.3.3 主要参数主要参数微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY由由于于制制造造工工艺艺的的分分散散性性，即即使使同同型型号号的的管管子子，它它的的值值也也有有差差异异，常常用用的的三三极极管管的的值值通通常常在在1010010100之之间间。值值太太小小放放大大作作用用差差，但但太太大大也也易使管子性能不稳定。易使管子性能不稳定。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管2 2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO
33、 I ICBOCBO是受是受温度的影响大。温度的影响大。温度温度I ICBOCBO ICBO A+EC3 3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流(穿透电流穿透电流)ICEO AICEOIB=0+I ICEOCEO受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICEOCEO，所以所以I IC C也相应增加。也相应增加。三极管的三极管的温度特性较差。温度特性较差。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.3 半导体三极管4.4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 集电极电流集电极电流IC上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值的下降，当值的下降，当 值下值下降到正常
34、值的三分之二时的集电极电流即为降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.5.集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集基极开路时，加在集-射极射极之间的最大允许电压，称为集的最大允许电压，称为集-射射极反向击穿电压。手册上给出的数值是极反向击穿电压。手册上给出的数值是25 C的值。温度上升的值。温度上升时，其值将降低。时，其值将降低。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY6.6.集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM5.3 半导体三极管集电极集电极电流电流IC 流过流过三极管三极管，所，所发出的发出的焦焦耳热耳热为：为：
35、PC=ICUCE必定必定导致导致结温上升结温上升，所以所以PC 有限制。有限制。PC PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCE0ICUCE=PCM微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.4 场效应管场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 场效应管（场效应管（FETFET）是一种利用电场是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件，效应来控制其电流大小的半导体器件，于于2020世纪世纪6060年代面世。它不仅年代面世。它不仅体积小、体积小、质量轻、耗电省、寿命长质量轻、耗电省、寿命长，而且还具，而且还具有有输入阻抗高、噪声
36、低、热稳定性好、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等特点抗辐射能力强和制造工艺简单等特点，在大规模和超大规模集成电路中已得在大规模和超大规模集成电路中已得到了广泛的应用。到了广泛的应用。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 场效应管有场效应管有结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型两种结构，与晶体两种结构，与晶体三极管三极管e e、b b和和c c相对应，也有三个电极，它们分别相对应，也有三个电极，它们分别是是源极源极s s、栅极、栅极g g和漏极和漏极d d。结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）按源极和漏极之间的按源极和漏极之间
37、的导电沟道又分为导电沟道又分为N N型和型和P P型型两种。两种。5.4.1 结构类型与符号结构类型与符号5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.4.1 结构类型与符号结构类型与符号5.4 场效应管P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时
38、，没有导电沟道微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.4 场效应管NPP耗尽层耗尽层D 漏极漏极S 源极源极G 栅极栅极符号符号N沟道结型场效应管（JFET）微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1.1.静态参数静态参数（1）开启电压UGS（th）：UGS（th）是uDS为一常数（如10V）时，使iD大于零的最小uGS值。手册中给出的是在ID为规定的微小电流（如5A）时的uGS。UGS（th）是增强型MOS管的参数。（2）夹断电压UGS（off）：与开启电压相类似，UGS（
39、off）是uDS为一常数（如10V）时，使iD大于零的最小uGS值。手册中给出的是在ID为规定的微小电流（如5A）时的uGS。UGS（th）是JFET和耗尽型MOS管的参数。5.4.2 主要参数主要参数5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY（3）饱和漏极电流IDSS：在uGS=0情况下，当uDSUGS（off时的漏极电流。（4）直流输入电阻RGS（DC）：RGS（DC）等于栅-源电压与栅极电流之比。JFET的RGS（DC）大于107，而MOS管的RGS（DC）大于109。手册中一般只给出栅极电流的大小。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU
40、 UNIVERSITY2.2.动态参数动态参数（1 1）低频跨导）低频跨导g gm m：g gm m是在是在u uDSDS一定的情况下，一定的情况下，i iD D的的微小变化微小变化i iD D与引起这个变化的与引起这个变化的u uGSGS的微小变化的微小变化u uGSGS的比值。的比值。g gm m反反映映了了u uGSGS对对i iD D控控制制作作用用的的强强弱弱，是是用用来来表表征征FETFET放放大大能能力力的的一一个个重重要要参参数数，单单位位与与导导纳纳单单位位一一样样。一一般般在在0.110mS0.110mS范范围围内内，特特殊殊的的可可达达100mS100mS，甚甚至至更更高
41、高。值值得得注注意意的的是是，g gm m与与FETFET的的工工作作状状态态密密切相关切相关，在，在FETFET不同的工作点上有不同的不同的工作点上有不同的g gm m值。值。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY（2 2）极极间间电电容容：FETFET的的三三个个极极之之间间均均存存在在极极间间电电容容。通通常常，栅栅-源源电电容容C CGSGS和和栅栅-漏漏电电容容C CGDGD约约为为13pF13pF，漏漏-源源电电容容C CDSDS约约为为0.11Pf0.11Pf。虽虽然然都都很很小小，但但在在高高频频情情况况下下对对电电路路的的影影响响可能很大
42、。可能很大。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY3.极限参数极限参数（1 1）最大漏极电流）最大漏极电流I IDMDM：I IDMDM是是FETFET在正常在正常工作时漏极电流的上限值。工作时漏极电流的上限值。（2 2）漏漏-源源击击穿穿电电压压U U（BRBR）DSDS：增增加加u uDSDS，FETFET进进入入击击穿穿状状态态（i iD D骤骤然然增增大大）时时的的u uDSDS被称为漏被称为漏-源击穿电压源击穿电压U U（BRBR）DSDS。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY（3 3）栅栅-源源击击穿穿电
43、电压压U U（BRBR）GSGS：使使得得JFETJFET栅栅极极与与导导电电沟沟道道间间PNPN结结反反向向击击穿穿，以以及及使使得得MOSMOS管管绝绝缘缘层层击击穿穿或或者者栅栅极极与与导导电电沟沟道道间间PNPN结结反反向向击击穿穿的的电电压压被被称称为为栅栅-源源击击穿穿电电压压U U（BRBR）GSGS。（4 4）最大耗散功率）最大耗散功率P PDMDM：P PDMDM决定于决定于FETFET允许允许的温升。的温升。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY1.1.输出特性曲线输出特性曲线通常，可将场效应管的工作划分为通常，可将场效应管的工作划分为
44、四个区域四个区域:5.4 场效应管5.4.3 特性曲线特性曲线微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY （1 1）可变电阻区）可变电阻区：图中图中的虚线为临界夹断（又称预夹的虚线为临界夹断（又称预夹断）轨迹，它是各条曲线上使断）轨迹，它是各条曲线上使u uDSDS=u=uGSGS-U-UGS(off)GS(off)的点连接而成的。预夹断轨迹的点连接而成的。预夹断轨迹的左边区域中，曲线近似为不的左边区域中，曲线近似为不同斜率的直线同斜率的直线。称。称此区域为可此区域为可变电阻区变电阻区。当当u uGSGS确定后，直线确定后，直线的斜率也被确定，斜率的倒数的斜率也被确定，斜率的
45、倒数就是漏就是漏-源间的等效电阻。源间的等效电阻。5.4 场效应管因此因此，在此区域中，可以，在此区域中，可以通过改变通过改变u uGSGS（压控方式）（压控方式）来改变漏来改变漏-源电阻，故称源电阻，故称此区域为可变电阻区此区域为可变电阻区。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY （2 2）线线性性放放大大区区（又又称称恒恒流流区区或或饱饱和和区区）：预预夹夹断断轨轨迹迹的的右右边边有有一一块块区区域域，i iD D几几乎乎不不再再随随着着u uDSDS的的增增加加而而增增加加，故故称称此此区区域域为为恒恒流流区区或或饱饱和和区区。由由于于此此区区域域可可以以通通过过改
46、改变变u uGSGS（压压控控方方式式）来来改改变变i iD D，进进一一步步可可组组成成放放大大电电路路以以实实现现电电压压和和功功率率的的放放大大，故故又又称称此此区区域域为为线线性性放大区。放大区。微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY（3 3）击击穿穿区区 ：u uDSDS增增加加到到一一定定数数值值后后，i iD D会会骤骤然然增增加加，管管子子被被击击穿穿，因因此此在在线线性性放放大大区区的的右右边就是击穿区。边就是击穿区。（4 4）夹夹断断区区：当当u uGSGSU UGS(off)GS(off)时时，导导电电沟沟道道被被夹夹断断，i iD D几几乎乎为为零
47、零，即即图图中中靠靠近近横横轴轴的的部部分，称为夹断区。分，称为夹断区。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY2.2.转移特性曲线转移特性曲线5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY 转转移移特特性性曲曲线线与与输输出出特特性性曲曲线线有有严严格格的的对对应应关关系系。当当场场效效应应管管工工作作在在可可变变电电阻阻区区时时，转转移移特特性性曲曲线线差差异异性性很很大大。但但当当FETFET工工作作在在线线性性放放大大区区时时，由由于于输输出出特特性性曲曲线线可可近近似似为为横横轴轴的的一一组组平平行行线线，所所以以可可
48、用用一一条条转转移移特特性性曲曲线线代代替替线线性性放放大大区区的的所所有曲线，且这条曲线可近似表示为有曲线，且这条曲线可近似表示为 需需要要指指出出的的是是，以以上上介介绍绍的的只只是是N N沟沟道道JFETJFET的的特特性性曲曲线线，不不过过场场效效应应管管其其它它类类型型的的特特性性曲曲线线与与其其相相似似，为为便便于于比比较较，特特将将其其符符号号和和特特性性曲曲线线列列于于下表中。下表中。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY各种场效应管特性的比较各种场效应管特性的比较:5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSIT
49、Y微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY5.4 场效应管5.4.4 场效应管与三极管的比较场效应管与三极管的比较电流控制型器件，电流控制型器件，ib控制控制icib 0，输入电阻低，输入电阻低三极管三极管温度稳定性差温度稳定性差噪声系数小噪声系数小电压控制型器件，电压控制型器件，ugs控制控制idig 0，输入电阻高，输入电阻高场效应管场效应管温度稳定性好温度稳定性好噪声系数小噪声系数小工艺简单，耗电少工艺简单，耗电少微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY可可见见，在在许许多多性性能能上上，场场效效应应管管都都比比三三极极管管优优越越。但但是是，在在
50、使使用用场场效效应应管管时时，还还须须特特别别注注意意以下几点：以下几点：（1 1）在在MOSMOS管管中中，有有的的产产品品将将衬衬底底引引出出，使使用用时时一一般般将将P P沟沟道道管管的的衬衬底底接接高高电电位位，N N沟沟道道管管的的衬衬底底接接低低电电位位。但但在在某某些些特特殊殊电电路路中中，当当源源极极的的电电位位很很高高或或很很低低时时，为为了了减减轻轻源源衬衬间间电电压压对对管管子子性性能能的的影影响响，可可将将源源极极与衬底连接在一起。与衬底连接在一起。5.4 场效应管微电子与控制工程学院CHANGZHOU UNIVERSITY （2 2）一一般般场场效效应应管管的的栅栅源