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1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础选用教材：模拟电子技术基础（第三版）童诗白 华成英 主编 高等教育出版社参考资料：模拟电子技术基础（第三版）全程辅导 苏志平 主编 中国建材工业出版社第第 1 1 章章 半导体器件半导体器件1.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.2半导体二极管半导体二极管1.3二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法1.4特殊二极管特殊二极管小结小结1.5双极型半导体三极管双极型半导体三极管1.6场效应管场效应管1.1半导体的基础知半导体的基础知识识1.1.1本征半导体本征半导体1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结结1.1.1 本征半导体本征半导体半导体半导体 导电
2、能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体半导体 纯洁的半导体。如硅、锗单晶体。纯洁的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 的带电粒子。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。硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型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空穴可在共价键内移动价键内移动本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复 合：合：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对
3、消失的过程。成对消失的过程。漂漂漂漂 移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键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中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成
4、对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载
5、流子数 空穴数空穴数二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP三、三、P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子B-多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子P+多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P型：型：N型：型：1.1.3 PN 结结一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载
6、流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。内建电场内建电场3.扩散和漂移到达动态平衡扩散和漂移到达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。二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.外加正向电压外加正向电压(正向偏置正向偏置)forward biasP 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和局部离子使空间电荷区变窄。中和局部离子使空间电荷区变窄。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 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加反向电压外加反
7、向电压(反向偏置反向偏置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 0三、三、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
8、Ou/VI/mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型构成：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点接触型点接触型正极正
9、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1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程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二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth
10、=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(0.1 0.3)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿反向击穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)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。(击穿电压击穿电压 6 V，正温度系数，正温度系
11、数)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。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/V0.20.4 25 50510150.010.020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 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM 最高反
12、向工作电压，为最高反向工作电压，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 FURMO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.低频时，因结电容很小，对低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。1.3二极管电路的二极管电路
13、的 分析方法分析方法1.3.1 理想二极管及二极管理想二极管及二极管 特性的折线近似特性的折线近似1.3.2 图解法和微变等效电路法图解法和微变等效电路法1.3.1 理想二极管及二极管特性的折线近似理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.2 V(Ge)三、二极管的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/rDrD1UD(o
14、n)UD(on)例例 1.3.1 硅硅二二极极管管，R=2 k，分分别别用用二二极极管管理理想想模模型型和和恒恒压压降降模模型型求求出出 VDD=2 V 和和 VDD=10 V 时时 IO 和和 UO 的值。的值。解解 VDD=2 V 理想理想IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD=2 V恒压降恒压降 UO=VDD UD(on)=2 0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10 V 理想理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降恒压降 UO=10 0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD 大，大，采用理想模型采用理想模型VD
15、D 小，小，采用恒压降模型采用恒压降模型例例1.3.2 试求电路中电流试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压 UO 的值的值。解：解：假设二极管断开假设二极管断开UP=15 VUP UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 PNUO=VDD1 UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)例例 1.3.3 二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 V1、V2 均均为为理理想想二二极极管管，当当输
16、输入入电电压压 UA、UB 为为低低电电压压 0 V 和和高电压高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。0 V正偏正偏导通导通5 V正偏正偏导通导通0 V输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBV1V20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V例例 1.3.4 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sin t(V)作用下输出作用下输出 uO
17、 的波形。的波形。(按理想模型按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15假假设设有有条条件件，可可切切换换到到 EWB 环环境境观察桥式整流波形。观察桥式整流波形。例例 1.3.5 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 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 VV2 导通导通 V截止截止ui 0.7 VV1 导通导通 V2 截止截止 uO=0.7 V思考题思考题:V1、V2 支支路路各各串串联联恒恒压压源源，输出波形如何？输出波形如何？
18、(可可切至切至 EWB)OtuO/V0.7Otui/V2 0.7至晶体管至晶体管1.3.2 图解法和微变等效电路法图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析一、二极管电路的直流图解分析 uD=VDD iDRiD=f(uD)1.2 V100 iD/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线直流负载线斜率斜率 1/R静态工作点静态工作点斜率斜率1/RDiDQIQUQ也可取也可取 UQ=0.7 VIQ=(VDD UQ)/R=5(mA)二极管直流电阻二极管直流电阻 RDiD/mAuD/VO二、交流图解法二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时
19、,二极管中含交、直流成分二极管中含交、直流成分C 隔直流隔直流 通交流通交流当当 ui=0 时时iD=IQUQ=0.7 V(硅硅)，0.2 V(锗锗)设设 ui=sin tVDDVDD/RQIQ tOuiUQ斜率斜率1/rdiD/mAuD/VOVDDVDD/RQIQ tOuiUQiD/mA tOid斜率斜率1/rdrd=UT/IQ=26 mV/IQ当当 ui 幅度较小时，幅度较小时，二极管伏安特性在二极管伏安特性在Q点附近近似为直线点附近近似为直线uiudRidrd三、微变等效电路分析法三、微变等效电路分析法对于交流信号对于交流信号电路可等效为电路可等效为例例 1.3.6 ui=5sin t(
20、mV)，VDD=4 V，R=1 k，求求 iD 和和 uD。解解 1.静态分析静态分析令令 ui=0，取，取 UQ 0.7 VIQ=(VDD UQ)/R=3.3 mA2.动态分析动态分析rd=26/IQ=26/3.3 8()Idm=Udm/rd=5/8 0.625(mA)id=0.625 sin t3.总电压、电流总电压、电流=(0.7+0.005 sin t)V=(3.3+0.625 sin t)mA1.4特殊二极管特殊二极管1.4.1 稳压二极管稳压二极管1.4.2 光电二极管光电二极管1.4.1 稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：反向击穿工作条件：反向击穿iZ
21、/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性二、主要参数二、主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZM4.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0(为雪崩击穿
22、为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。很小。例例 1.4.1 分析简单稳压电路的工作原理，分析简单稳压电路的工作原理，R 为限流电阻。为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI IR RUIUORRLILIRIZ1.4.2 发光二极管与光敏二极管发光二极管与光敏二极管一、发光二极管一、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1.符号和特性符号和特性工作条件：正向偏置工作条件：正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA，导通电压导通电压(1 2)V符号符号u/Vi /mAO2特性特性2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM，
23、U(BR)，IR光学参数：峰值波长光学参数：峰值波长 P，亮度，亮度 L，光通量，光通量 发光类型：发光类型：可见光：红、黄、绿可见光：红、黄、绿显示类型：显示类型：一般一般 LED，不可见光：红外光不可见光：红外光点阵点阵 LED七段七段 LED,二、光敏二极管二、光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片补充：选择二极
24、管限流电阻补充：选择二极管限流电阻步骤：步骤：1.设定工作电压设定工作电压(如如 0.7 V；2 V(LED)；UZ)2.确定工作确定工作电流电流(如如 1 mA；10 mA；5 mA)3.根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R=(UI UD)/ID(R 要选择标称值要选择标称值)1.5双极型双极型半导体半导体三极管三极管1.5.1 晶体三极管晶体三极管1.5.2 晶体三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线1.5.3 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数返回二极管返回二极管(Semiconductor Transistor)1.5.1 晶体三极管晶体三极管一、结构、符号和分类一、结构、符号
25、和分类NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB分类分类：按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 W中功率管中功率管 0.5 1 W二、电流放大原理二、电流放大原理1.三极管放大的条件三极管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路满足放大条
26、件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极实现电路实现电路:3.三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流形成发射极电流 IE。I CN多数向多数向 BC 结方向扩散形成结方向扩散形成 ICN。IE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBN。I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供(IB)集电区少子漂移集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：即：IB=IBN ICBO 2)电子到达基区后电子到达基区后(基区空穴运
27、动因浓度低而忽略基区空穴运动因浓度低而忽略)I CNIEI BNI CBOIB 3)集电区收集扩散过集电区收集扩散过 来的载流子形成集来的载流子形成集 电极电流电极电流 ICICI C=ICN +ICBO 4.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系当当管管子子制制成成后后，发发射射区区载载流流子子浓浓度度、基基区区宽宽度度、集集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I BN ICBO IC=ICN +ICBO穿透电流穿透电流IE=IC+IB1.5.2 晶体三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回
28、路回路与二极管特性相似与二极管特性相似O特性基本特性基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 UBE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 V二、输出特性二、输出特性iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211.截止区：截止区：2.IB 0 3.IC=ICEO 04.条件：两个结反条件：两个结反偏偏截止区截止区ICEOiC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4
29、6 8 43212.放大区：放大区：放大区放大区截止区截止区条件：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ICEOiC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43213.饱和区：饱和区：uCE u BEuCB=uCE u BE 0条件：两个结正偏条件：两个结正偏特点：特点：IC IB临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V(硅管硅管)UCE(SAT)=0.1 V(锗管锗管)放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区ICEO三、温度对特性曲线的影响三、温度对特性曲线的影响1.温度升高
30、，输入特性曲线向左移。温度升高，输入特性曲线向左移。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 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。OT2 T12.温度升高，输出特性曲线向上移。温度升高，输出特性曲线向上移。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。O1.5.3 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2
31、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QiC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43212.共基极电流放大系数共基极电流放大系数 1 一般在一般在 0.98 以上。以上。Q二、极间反向饱和电流二、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。三、极限参数三、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
32、允许功率损耗PC=iC uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO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 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。3.U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。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 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO(P34 2.1.7)已知已知:ICM=20 mA,PCM=100 mW，U(BR)CEO =20 V，当当 UCE=10 V 时，时，IC mA当当 UCE=1 V，则，则
33、 IC mA当当 IC=2 mA，则，则 UCE V 1020201.6场效应管场效应管 引言引言1.6.1 结型场效应管结型场效应管1.6.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.6.2 MOS 场效应管场效应管引引 言言场效应管场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型：类型：结型结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)特点：特点：1.单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、
34、本钱低体积小、本钱低2.输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 )1.6.1 结型场效应管结型场效应管1.结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET2.工作原理工作原理(1)UGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响UDS=0,UGS0随随UGS负向增长，负向增长，PN结变厚，导电沟道结变厚，导电沟道变窄。变窄。(1)UGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响UDS=0,UGS0随随UGS负向增长，负向增长，PN结变厚，导电沟道结变厚，导电沟道变窄，当负向增长到某值时，两个变窄，当负向增长到某值时，两个PN结合拢，导电沟道被结合拢，导电
35、沟道被完全夹断，完全夹断，完全夹断，完全夹断，此时的此时的UGS称为称为完全夹断电压，完全夹断电压，完全夹断电压，完全夹断电压，记为记为UGS （offoff）。即使此时加上即使此时加上UDS，由于沟道已经被完，由于沟道已经被完全夹断，故漏极电流全夹断，故漏极电流ID极小，接近于极小，接近于0。此时管子处于截至状态。此时管子处于截至状态。处于截至状态的条件处于截至状态的条件:UGS UGS（off）02.工作原理工作原理(2)UDS 对导电沟道的影响UGS(Off)0由于沿沟道从D到S存在电位差，如：VxVy，则：VxVy =Vx-VG Vy-VG0(G点电位为负)即VG-VxVG-Vy UG
36、XUGY0结论：x处的PN结比y处的PN结厚所以：靠近D端的PN结最厚，靠近S端的PN结最薄。而D端的PN结厚度取决于UGD，且UGD VG-VD=(VG-VS)(VD VS)=UGS-UDS0UDS增大会导致UGD减小（更负），当UDS增大到使UGDUGS（off）0时，PN结首先在D端合拢，此时称导电沟道被预夹断(2)UDS 对导电沟道的影响此时 UGS-UDS=UGD=UGS(off)；当UDS,UGS-UDS=UGD UGS(off)0夹断区域扩大，预夹断点下移。由于沟道被夹断，即使UDS进一步增大，增加的电压主要加在夹断局部，几乎不会引起电流ID的增加，表现为ID几乎不受UDS影响，
37、但是只要改变UGS就可明显改变沟道宽度，从而明显改变ID,即 ID=gm UGS,管子工作在饱和状态（放大状态）处于放大状态的条件处于放大状态的条件:UGS（off）UGS 0-UGS缺乏以让导电沟道完全夹断缺乏以让导电沟道完全夹断UDS增大到使增大到使UGS-UDS=UGD UGS(off)0-UDS使沟道预夹断使沟道预夹断 UGS操作 ID(3)UDS 也缺乏以夹断导电沟道的情况UGS(Off)0由于沿沟道从D到S存在电位差，沟道呈楔型，近D端窄，近S端宽随UDS增大，沟道变窄，在UDS增大到使导电沟道预夹断之前，此时 UGS(off)UGD=UGS-UDS 0；导电沟道始终是存在的。UD
38、S增大，将使ID随之增大，管子工作在可变电阻状态可变电阻状态处于可变电阻状态的条件处于可变电阻状态的条件:UGS（off）UGS 0-UGS缺乏以让导电沟道完全夹断缺乏以让导电沟道完全夹断UGS(off)UGS-UDS=UGD 0-UDS也还缺乏以使沟道预夹断也还缺乏以使沟道预夹断3.转移特性和输出特性转移特性和输出特性UGS(off)当当 UGS(off)uGS 0 时时(UGS还缺乏以夹断导电沟道还缺乏以夹断导电沟道),UDS增大到使增大到使UGS-UDS=UGD UGS(off)0)U UGSGS将引起一个由栅极将引起一个由栅极G G指向衬底指向衬底P P的电场的电场E E，它排斥，它排
39、斥P P型衬底中的空穴远型衬底中的空穴远离离SIO2SIO2薄膜，而吸引薄膜，而吸引P P型衬底中的自由电子到型衬底中的自由电子到SIO2SIO2薄膜下形成电子层。薄膜下形成电子层。随着随着U UGSGS增大，被吸引到增大，被吸引到SIO2SIO2薄膜下的自由电子数量也随之增加薄膜下的自由电子数量也随之增加当当U UGSGS增大到一定程度，使得被吸引到增大到一定程度，使得被吸引到SIO2SIO2薄膜下的自由电子数量多到薄膜下的自由电子数量多到可以形成一层电子导电层，并将原来绝缘的可以形成一层电子导电层，并将原来绝缘的D D和和S S极连通时，极连通时，N N型导电型导电沟道形成，此时的沟道形成
40、，此时的U UGSGS称为开启电压，记为称为开启电压，记为U UGS(th)GS(th)。反型层反型层(沟道沟道)1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)a.当当 UGS=0，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b.当当 0 UGS UGS(th)(开启电压开启电压)时，时，GB 间的垂间的垂 直电场吸引直电场吸引 P 区中电子形成电子薄膜区中电子形成电子薄膜；此时沟道尚未形成此时沟道尚未形成-管子处于截止状态，无论管子处于截止状态，无论 UDS如何增长，如何增长，ID都几乎为都几乎为0。c.当当 uGS UGS(th)0 0 时，衬底中电子被吸引到外时，衬
41、底中电子被吸引到外表，并且电子薄膜延伸到使表，并且电子薄膜延伸到使D、S极连通极连通 开始形成导电沟道。开始形成导电沟道。uGS 越大越大沟道越厚。沟道越厚。管子处于截止状态的条件：管子处于截止状态的条件：0 UGS UGS(th)00导电沟道已经形成，导电沟道已经形成，U UDSDS00 U UDSDS增大增大DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形，UDS，使使UGS UDS UGD减减小小，从从而而靠靠近近漏漏极极D端端的的沟沟道道厚厚度度变变薄薄。当当UDS增增大大到到使使UGS UDS UGD=UGS(th)时时,导导电电沟沟道道首首先先在在近近D极极一一侧侧消消失失，UD
42、S进进一一步步增增大大，导电沟道消失局部向导电沟道消失局部向S极端延伸扩展。极端延伸扩展。预夹断预夹断(UGS UDS UGD=UGS(th)：漏极：漏极D附近反型层附近反型层(电子薄膜电子薄膜)消失消失导电导电沟道在近沟道在近D D端重新（预）夹断端重新（预）夹断预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD 沟道已经形成尚未被预夹断，可变电阻状态沟道已经形成尚未被预夹断，可变电阻状态预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变沟道已经被重新预夹断，饱和不变沟道已经被重新预夹断，饱和(放大放大)状态状态使导电沟道在近使导电沟道在近D D端重新预夹断端重新预夹断)管子处于放大状态的条件：管
43、子处于放大状态的条件：0 UGS(th)(开启电压开启电压)UGS-已经由已经由UGS形成导电沟道形成导电沟道 0 UGS UDS UGD UGS(th)-再由再由UDS的增大使的增大使UGS UDS UGD减小到减小到 小于小于UGS(th)，以至于导电沟道在，以至于导电沟道在近漏极近漏极D端重新被（预）夹断端重新被（预）夹断管子处于可变电阻状态的条件：管子处于可变电阻状态的条件：0 UGS(th)(开启电压开启电压)UGS-已经由已经由UGS形成导电沟道形成导电沟道 0 UGS(th)UGS(th)0 0UGS UDS UGD UGS(th)时，时，（管子工作在放大状态），有：（管子工作在
44、放大状态），有：uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O4.输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区可变电阻区0 UGS(th)(开启电压开启电压)UGS 且且0 UGS(th)UGS UDS UGD uDS iD ，直到预夹断，直到预夹断饱和饱和(放大区放大区)0 UGS(th)(开启电压开启电压)UGS 且且0 UGS UDS UGD UGS(th)uDS，iD 不变，不变，uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区截止区uGS UGS(th)全夹断全夹断 iD=0 iD/mAuDS/VuGS=2 V4 V6 V8 V截止区截止区 饱和区饱和区可可变
45、变电电阻阻区区放大区放大区恒流区恒流区O二、耗尽型二、耗尽型 N 沟道沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝缘层中掺入了正离子。绝缘层中掺入了正离子。在在 uGS=0 时时已已存存在在足足够够强强的的自自栅栅极极指指向向衬衬底底的的电电场场E，能能吸吸引引足足够够多多的的电电子子形形成成沟沟道道；在在 DS 间间加加正正电电压压时时将将形成漏极电流形成漏极电流 iD。a.uGS0时，已经存在导电沟道，工作于可变电阻状态时，已经存在导电沟道，工作于可变电阻状态b.uGS0时，导电沟道将更宽，工作于可变电阻状态时，导电沟道将更宽，工作于可变电阻状态c.uGS 0 时时d.在在UDS0的情况下，的
46、情况下，UGS引起的电场将抵消引起的电场将抵消SIO2薄膜薄膜引起的电场，使导电沟道变薄，当引起的电场，使导电沟道变薄，当UGS负向增长到一定程负向增长到一定程度，将使导电沟道消失，此时的度，将使导电沟道消失，此时的UGS称为完全夹断电压，称为完全夹断电压，记为记为UGS(off)，管子此时工作于截至状态，管子此时工作于截至状态 d.UGS(off)uGS0e.由于由于DS间存在电位差，导电沟道将呈楔形，近间存在电位差，导电沟道将呈楔形，近D端窄，近端窄，近S端端厚，当厚，当UDS增大到使增大到使UGS UDS UGD=UGS(off)时时,导电沟道首先在导电沟道首先在近近D极一侧消失，沟道被
47、（预）夹断。极一侧消失，沟道被（预）夹断。UDS进一步增大，导电沟道进一步增大，导电沟道消失局部向消失局部向S极端延伸扩展。此时管子工作于饱和（放大）状态极端延伸扩展。此时管子工作于饱和（放大）状态f.在在UDS增大到使沟道（预）夹断之前，导电沟道一直存在，管增大到使沟道（预）夹断之前，导电沟道一直存在，管子工作于可变电阻状态子工作于可变电阻状态管子处于放大状态的条件：管子处于放大状态的条件：UGS(off)uGS0时时-导电沟道尚未被完全夹断导电沟道尚未被完全夹断 0 UGS UDS UGD UGS(off)-再由再由UDS的增大使的增大使UGS UDS UGD减小到减小到 小于小于UGS(
48、off)，以至于导电沟道，以至于导电沟道在近漏极在近漏极D端重新被（预）夹断端重新被（预）夹断管子处于可变电阻状态的条件：管子处于可变电阻状态的条件：UGS(off)uGS0时时-导电沟道尚未被完全夹断导电沟道尚未被完全夹断 0 UGS(off)UGS UDS UGD-UDS尚未增大到使尚未增大到使UGS UDS UGD（负值）（负值）减小到减小到 小于小于UGS(off)（负值）（负值），导电沟道仍然存在而未被预夹断，导电沟道仍然存在而未被预夹断二、耗尽型二、耗尽型 N 沟道沟道 MOSFET输出特性输出特性uGS/ViD/mA转移特性转移特性IDSSUGS(off)夹断夹断电压电压饱和漏饱
49、和漏极电流极电流当当 UGS(off)uGS0且且 0 UGS UDS UGD 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的操作能力，的操作能力，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/mAQOPDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM小小 结结第第 1 章章一、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 价电子价
50、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()。iDO 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)IS3.二极管的等效模型二极管的等效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