《常用半导体器》PPT课件.ppt

1 常用半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2半导体二极管 1 3晶体三极管 1 4场效应管 1 5单结晶体管和晶闸管 1 6集成电路中的元件 主要内容 1 掌握以下基本概念 半导体材料的特点 空穴 扩散运动 漂移运动 PN结正偏 PN结反偏 了解PN结的形成过程 2 掌握二极管的单向导电性及其电路的分析方法 正确理解半导体二极管的伏安特性曲线及主要参数 了解稳压管工作原理及使用中的注意事项 了解选管的一般原则 3 掌握晶体管的分类 输出特性曲线 三个工作区域的特点 放大的条件及参数 了解三极管的结构 放大原理及选管原则 4 掌握场效应管的分类 特点 特性曲线及参数 了解其结构 工作原理 1 1 0什么是半导体 1 1 1本征半导体 1 1 2杂质半导体 1 1 3PN结及其单向导电性 1 1半导体基础知识 1 什么是半导体 一 半导体 导体 如 金属 绝缘体 如 橡胶 云母 塑料等 导电能力介于导体和绝缘体之 半导体 2 半导体导电特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 热敏特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光敏特性 常用的半导体材料有 元素半导体 硅 Si 锗 Ge 化合物半导体 砷化镓 GaAs 掺杂材料 硼 B 磷 P 1 1 1本征半导体 本征半导体 常用的本征半导体 Si 14 Ge 32 4 1 1 1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 完全纯净的 不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体 它的原子结构为共价键结构 价电子 共价键 图1 1 1本征半导体结构示意图 二 本征半导体的晶体结构 当温度T 0K时 半导体不导电 如同绝缘体 图1 1 2本征半导体中的自由电子和空穴 自由电子 空穴 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力 但很微弱 浓度相等 空穴相当于带正电的粒子 带电量与电子相等 符号相反 空穴的运动相当于电子的反方向运动 三 本征半导体中的两种载流子 动画1 1 动画1 2 本征激发 复合 1 半导体中两种载流子 2 本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现 称为电子 空穴对 3 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示 显然ni pi 4 由于物质的运动 自由电子和空穴不断的产生又不断的复合 在一定的温度下 产生与复合运动会达到平衡 载流子的浓度就一定了 5 载流子的浓度与温度密切相关 它随着温度的升高 基本按指数规律增加 小结 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入三价元素如B Al In等 形成P型半导体 也称空穴型半导体 掺入五价元素如P Sb等 形成N型半导体 也称电子型半导体 1 1 2杂质半导体 N型半导体 5 5 在本征半导体中掺入五价元素如P 自由电子是多子 杂质 热激发 空穴是少子 热激发 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 代表符号 P型半导体 3 3 在本征半导体中掺入三价元素如B 自由电子是少子 热激发 空穴是多子 杂质 热激发 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 代表符号 1 1 3PN结的形成及特性 1PN结的形成 2PN结的单向导电性 P区 N区 浓度差 扩散运动 多子 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 漂移运动 少子 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移即促进了漂移运动 扩散运动 漂移运动时达到动态平衡 一 PN结的形成 内电场阻止多子扩散 因浓度差 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 1 PN结加正向电压时的导电情况 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 空间电荷区变窄 PN结呈现低阻性 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 二 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压时的导电情况 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 可忽略扩散电流 结变宽PN结呈现高阻性 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 二 PN结的单向导电性 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 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 IS 反向饱和电流UT 温度的电压当量在常温 300K 下 UT 26mV 三 PN结的电流方程 PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为 四 PN结的伏安特性 i f u 之间的关系曲线 正向特性 反向特性 图1 1 10PN结的伏安特性 反向击穿齐纳击穿雪崩击穿 五 PN结的电容效应 当PN上的电压发生变化时 PN结中储存的电荷量将随之发生变化 使PN结具有电容效应 电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容 1 势垒电容Cb 是由PN结的空间电荷区变化形成的 a PN结加正向电压 b PN结加反向电压 2 扩散电容Cd 是由多数载流子在散过程中积累而引起的 正向电压变化时 变化载流子积累电荷量发生变化 相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应 反向电压时 可忽略 Cd和Cb一般都比较小 对于低频信号来说容抗较大 作用可以忽略 但对于高频信号就要考虑此容抗的影响 结电容 Cj Cd Cb 1 2半导体二极管 1 2 1半导体二极管的结构 1 2 2二极管的伏安特性 1 2 3二极管的参数 1 2 4二极管的电路分析 1 2 5稳压二极管 1 2 6其他二极管 1 2 1半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分为点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 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 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 4 二极管的代表符号 1 2 2二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 开启电压 0 5V导通电压 0 7 一 伏安特性 开启电压 0 1V导通电压 0 2V 1 2 3二极管的参数 1 最大整流电流IF 2 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM 3 反向电流IR 4 最高工作频率 5 极间电容 二极管伏安特性的建模 应用举例 理想模型恒压降模型折线模型指数模型 模型越来越准确 但是计算越来越复杂 直流模型用在直流电源作用的电路中 交流模型用在交流电源作用的电路中 小信号模型 直流模型 交流模型 1 2 3二极管的等效电路 一 由伏安特性折线化得到的等效电路 1 2 3二极管的等效电路 二 二极管的微变等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K 图1 2 7二极管的微变等效电路 已知R 10K 若VDD 10V求电路的ID和UD 例1 二极管电路的静态工作情况分析 三 应用举例 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 首先 将原始电路中的二极管用它的直流模型代替 得到如下电路 然后 判断理想二极管的状态 导通或截止 方法 将理想二极管断开 求阳极和阴极的电位差 若 0 则理想二极管正向导通 用理想的导线代替二极管 若 0 则理想二极管反向截止 因为只有直流电压源作用 所以使用直流模型 解 三 应用举例 例2 有两个二极管的开关电路 设二极管是理想的 判断两个二极管的状态 并求输出电压Uo 三 应用举例 Uo 解题思路 1 将二极管从电路中拿走 在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差 2 两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况 1 均小于0 2 均大于0 3 一个为正 另一个为负3 根据不同的情况做出判断 1 均小于0 两个二极管均截止 2 均大于0 这其中会有一大一小 大的那个二极管一定导通 小的那个状态不定 需要做进一步的判断 大的那个二极管导通后用理想的导线代替 这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路 按照例1的方法继续判断 从而得出最后的结论 3 一个为正 另一个为负 正的那个二极管一定导通 负的那个状态不定 需要做进一步的判断 正的那个二极管导通后用理想的导线代替 这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路 按照例1的方法继续判断 从而得出最后的结论 Uo 将D1 D2断开 UA 12VUB 0UC 5V可得 UB UA 12VUC UA 7V所以D1先导通 使得UA 0V 此时UC UA 5V 故D2截止 Uo 0V 三 应用举例 整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 1 半波整流 iD uL 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有单向导电性 例3 整流电路 三 应用举例 2 桥式整流 三 应用举例 三 应用举例 例4 开关电路 已知AB的波形 其中高电平5V 低电平0 3V 分析L的波形 判断二极管的工作状态 判断方法 正向偏置VA VB 导通 反向偏置VA VB 截止 解题方法 断开二极管2AP1 求VA和VB VA 15 10 10 140 1V VB 10 2 18 2 15 5 25 5 1 5V VA VB 所以 二极管2AP1截止 讨论一 ui 10sinwt v E 5vR 1k欧姆忽略二极管的正向压降和反向电流画出uo的波形 1 uiE时 二极管正向导通 uo E 讨论二 讨论三 1 V 2V 5V 10V时二极管中的直流电流各为多少 2 若输入电压的有效值为5mV 则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少 V 5V时 V 10V时 V 2V 讨论三 V 2V ID 2 6mA V 5V ID 8 6mA V 10V ID 20mA 在伏安特性上 Q点越高 二极管的动态电阻越小 1 伏安特性 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 1 2 5稳压二极管 稳压原理 在反向击穿时 电流在很大范围内变化时 只引起很小的电压变化 正向部分与普通二极管相同 当反向电压加到一定值时 反向电流急剧增加 产生反向击穿 二 主要参数 1 稳定电流IZ 2 稳定电压UZ 3 动态电阻RZ 4 最大功耗PZM 稳压管工作时应反接 并串入一只电阻 电阻的作用一是起限流作用 以保护稳压管 二是当输入电压或负载电流变化时 通过电阻上压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 三 应用方法 稳压电路 例1 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V 限流电阻R 200 求iZ 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZ 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 负载变化 但iZ仍在12mA和2mA之间 所以稳压管仍能起稳压作用 光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管 其结构和普通的二极管基本相同 它利用光电导效应工作 PN结工作在反偏状态 当光照射在PN结上时 束缚电子获得光能变成自由电子 产生电子 空穴对 在外电场的作用下形成光电流 应在反压状态工作 发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件 它只有在加正向电压时才发光 1 2 6其他类型二极管 1 光电二极管 2 发光二极管 LED显示器 a b c d f g a b c d e f g a b c d e f g 5V 共阳极电路 共阴极电路 控制端为高电平对应二极管发光 控制端为低电平对应二极管发光 e 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 晶体三极管是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件 由于两个PN结之间的相互影响 使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用 从而使PN结的应用发生了质的飞跃 1 3晶体三极管 1 3 1晶体管的结构和类型 1 3 2晶体管的电流放大作用 1 3 3晶体管的共射特性曲线 1 3 4晶体管的主要参数 1 3晶体三极管 1 3 5温度对晶体管参数的影响 1 3 6光电三极管 又称半导体三极管 晶体三极管 或简称晶体管 三极管有两种类型 NPN型和PNP型 主要以NPN型为例进行讨论 1 3晶体三极管 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 集电极c Collector 基极b Base 发射极e Emitter 1 3 1晶体管的结构和类型 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 集电极c 发射极e 基极b 1 3 1晶体管的结构和类型 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 以NPN型三极管为例讨论 三极管若实现放大 必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 1 3 2晶体管的电流放大作用 三极管内部结构要求 1 发射区高掺杂 2 基区做得很薄 通常只有几微米到几十微米 而且掺杂较少 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 3 集电结面积大 1 3 2晶体管的电流放大作用 一 晶体管内部载流子的运动 发射结加正向电压 扩散运动形成发射极电流 2 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流 复合掉的空穴由VBB补充 多数电子在基区继续扩散 到达集电结的一侧 晶体管内部载流子的运动 3 集电结加反向电压 漂移运动形成集电极电流Ic其能量来自外接电源VCC 另外 集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流 用ICBO表示 一 晶体管内部载流子的运动 二 晶体管的电流分配关系 IEp ICBO IE IC IB IEn IBn ICn IC ICn ICBO IE ICn IBn IEp IEn IEp IE IC IB 图1 3 4晶体管内部载流子的运动与外部电流 三 晶体管的共射电流放大系数 整理可得 ICBO称反向饱和电流 ICEO称穿透电流 1 共射直流电流放大系数 2 共射交流电流放大系数 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 BJT的三种组态 3 共基直流电流放大系数 或 4 共基交流电流放大系数 直流参数与交流参数 的含义是不同的 但是 对于大多数三极管来说 与 与 的数值却差别不大 计算中 可不将它们严格区分 5 与 的关系 iB f uBE UCE const 2 当uCE 1V时 uCB uCE uBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 在同样的uBE下IB减小 特性曲线右移 1 当uCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 一 输入特性曲线 1 3 3晶体管的共射特性曲线 iC f uCE IB const 二 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 饱和区 放大区 截止区 BJT的三个工作区域 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 截止区特点 iB 0 iC ICEO uCE UCES 典型值为0 3V 放大区特点 BJT输出特性比较平坦 接近于恒流特性 在这个区域符合iB iC的规律 是放大器的工作部分 当工作点进入饱和区或截止区时 将产生非线性失真 三极管的参数分为三大类 直流参数 交流参数 极限参数 一 直流参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC IB vCE const 2 共基直流电流放大系数 3 集电极基极间反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO 1 ICBO 1 3 4晶体管的主要参数 二 交流参数 1 共发射极交流电流放大系数 iC iB UCE const 2 共基极交流电流放大系数 iC iE UCB const 3 特征频率fT 值下降到1的信号频率 1 最大集电极耗散功率PCM PCM ICUCE 三 极限参数 2 最大集电极电流ICM 3 反向击穿电压 UCBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 UEBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 UCEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系UCBO UCEO UEBO 1 温度变化对ICBO的影响 2 温度变化对输入特性曲线的影响 温度T 输出特性曲线上移 温度T 输入特性曲线左移 3 温度变化对 的影响 温度每升高1 C 要增加0 5 1 0 温度T 输出特性曲线族间距增大 1 3 5温度对晶体管参数的影响 三极管工作状态的判断 例1 测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下 试判别管子工作在什么区域 1 VC 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 4V 解 原则 对NPN管而言 放大时VC VB VE对PNP管而言 放大时VC VB VE 1 放大区 2 截止区 3 饱和区 判断三极管工作状态的解题思路 1 把三极管从电路中拿走 在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压 若发射结反偏或零偏或小于死区电压值 则三极管截止 若发射结正偏 则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态 需要进一步判断 进入步骤 2 2 把三极管放入电路中 电路的拓扑结构回到从前 假设三极管处于临界饱和状态 三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态 在放大区和饱和区的交界区域 此时三极管既有饱和状态时的特征UCES 0 3V 又有放大状态时的特征IC IB 求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS 进而求出基极临界饱和电流IBS 集电极临界饱和电流ICS是三极管的集电极可能流过的最大电流 3 在原始电路拓扑结构基础上 求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB 4 比较iB和IBS的大小 若iB IBS 或者 iB ICS 则三极管处于饱和状态 若iB IBS 或者 iB ICS 则三极管处于放大状态 例某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示 IA 2mA IB 0 04mA IC 2 04mA 试判断管脚 管型 解 电流判断法 电流的正方向和KCL IE IB IC A B C IA IB IC C为发射极B为基极A为集电极 管型为NPN管 例 测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1 U2 U3分别为 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 3V U2 2 8V U3 12V 3 U1 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN锗 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP锗 原则 先求UBE 若等于0 6 0 7V 为硅管 若等于0 2 0 3V 为锗管 发射结正偏 集电结反偏 NPN管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE PNP管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE 解 一 等效电路 符号 二 光电三极管的输出特性曲线 1 3 6光电三极管 场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件 它不仅具有双极型三极管的体积小 重量轻 耗电少 寿命长等优点 而且还具有输入电阻高 热稳定性好 抗辐射能力强 噪声低 制造工艺简单 便于集成等特点 因而 在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用 根据结构和工作原理不同 场效应管可分为两大类 结型场效应管 JFET 和绝缘栅型场效应管 IGFET 1 4场效应管 场效应管 一种载流子参与导电 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管 又称单极型三极管 特点 单极型器件 一种载流子导电 输入电阻高 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 1 4场效应管 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 耗尽型 场效应管分类 1 4场效应管 1 4 1结型场效应管1 4 2绝缘栅场效应管1 4 3场效应管的主要参数1 4 4场效应管与晶体管的比较 1 4场效应管 符号 结构 N型沟道 栅极 源极 漏极 在漏极和源极之间加上一个正向电压 N型半导体中多数载流子电子可以导电 导电沟道是N型的 称N沟道结型场效应管 1 4 1结型场效应管 P沟道场效应管 P沟道结型场效应管结构图 P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区 N 导电沟道为P型 多数载流子为空穴 一 结型场效应管工作原理 N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的 VCCS 在栅极和源极之间加反向电压 耗尽层会变宽 导电沟道宽度减小 使沟道本身的电阻值增大 漏极电流ID减小 反之 漏极ID电流将增加 耗尽层的宽度改变主要在沟道区 UGS对沟道的控制作用 当UGS 0时 当沟道夹断时 ID减小至0 此时对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS off 对于N沟道的JFET UPGS off 0 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄 UGS继续减小 沟道继续变窄 ID继续变小 当UGS 0时 沟道最宽 沟道电阻最小 在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID 此时最大 沟道电阻变大 ID变小 根据其结构 它只能工作在反偏条件下 N沟道管加负栅源电压 P沟道管加正栅源电压 否则将会出现栅流 一 结型场效应管工作原理 UDS对沟道的控制作用 当UGS 0时 UDS ID G D间PN结的反向电压增加 使靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 从上至下呈楔形分布 当UDS增加到使UGD UGS off 时 在紧靠漏极处出现预夹断 此时UDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 一 结型场效应管工作原理 UGS和UDS同时作用时 当UP UGS 0时 导电沟道更容易夹断 对于同样的UDS ID的值比UGS 0时的值要小 在预夹断处 UGD UGS UDS UGS off 一 结型场效应管工作原理 综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电 所以场效应管也称为单极型三极管 JFET是电压控制电流器件 iD受uGS控制 预夹断前iD与uDS呈近似线性关系 预夹断后 iD趋于饱和 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 因此iG 0 输入电阻很高 JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制 来改变导电沟道的宽窄 从而控制漏极电流的大小 二 结型场效应管的特性曲线 1 转移特性 N沟道结型场效应管为例 uGS 0 iD最大 uGS愈负 iD愈小 uGS UGS off iD 0 两个重要参数 饱和漏极电流IDSS UGS 0时的ID 夹断电压UGS off ID 0时的UGS UDS iD VDD VGG D S G uGS 转移特性 2 输出特性曲线 当栅源之间的电压UGS不变时 漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系 即 结型场效应管转移特性曲线的近似公式 恒流区 可变电阻区 漏极特性也有三个区 可变电阻区 恒流区和夹断区 输出特性 漏极特性 曲线 夹断区 UDS iD VDD VGG D S G uGS 击穿区 JFET有正常放大作用时 沟道处于什么状态 2 转移特性 UGS off 1 输出特性 结型场效应管 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 1 4 2绝缘栅型场效应管MOSFEMetal OxideSemiconductorFieldEffectTransistor 由金属 氧化物和半导体制成 称为金属 氧化物 半导体场效应管 或简称MOS场效应管 特点 输入电阻可达1010 有资料介绍可达1014 以上 类型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 UGS 0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管 UGS 0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管 一 N沟道增强型MOS场效应管 漏极D 集电极C 源极S 发射极E 绝缘栅极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 结构 1 4 2绝缘栅场效应管 当UGS较小时 虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层 但负离子不能导电 当UGS UGS th 时 在P型衬底表面形成一层电子层 形成N型导电沟道 在UDS的作用下形成iD 2 N沟道增强型MOS场效应管工作原理 当UGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的PN结 无论UDS之间加什么电压都不会在D S间形成电流iD 即iD 0 当UGS UGS th 时 沟道加厚 沟道电阻减少 在相同UDS的作用下 iD将进一步增加 开始时无导电沟道 当在UGS UGS th 时才形成沟道 这种类型的管子称为增强型MOS管 一方面 MOSFET是利用栅源电压的大小 来改变半导体表面感生电荷的多少 从而控制漏极电流的大小 当UGS UGS th 且固定为某一值时 来分析漏源电压UDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响 UDS UDG UGS UGD UGSUGD UGS UDS 当UDS为0或较小时 相当UGD UGS th 此时UDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 在UDS作用下形成ID 另一方面 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 当UDS增加到使UGD UGS th 时 当UDS增加到UGD UGS th 时 增强型MOS管 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 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 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 UGD UGS UDS 3 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 iD f uGS uDS C 转移特性曲线 iD f uDS uGS C 输出特性曲线 当uGS变化时 RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 恒流区 饱和区 uGS一定时 iD基本不随uDS变化而变化 uGS V 二 N沟道耗尽型MOS场效应管 耗尽型MOS管存在原始导电沟道 1 结构 2 N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 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UGS 0时 将使iD进一步增加 当UGS 0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 用符号UGS off 表示 N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS 0或UGS 0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS 0 3 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 转移特性曲线 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线 绝缘栅场效应管 N沟道增强型 P沟道增强型 绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 2 夹断电压UGS