二极管-三级管基础知识培训教材PPT课件.ppt

半导体器件 半导体基本知识半导体二极管半导体三极管场效应管 1 半导体基本知识 本征半导体杂质半导体PN结及其单向导电性 2 本征半导体 半导体本征半导体本征半导体的导电性能 3 半导体 导电能力介于导体和半导体之间的材料称为半导体 最常用的半导体为硅 Si 和锗 Ge 它们的共同特征是四价元素 每个原子最外层电子数为4 Si Ge 4 半导体材料的特性 纯净半导体的导电能力很差 温度升高 导电能力增强 光照增强 导电能力增强 掺入少量杂质 导电能力增强 5 本征半导体 经过高度提纯的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体 或者说 完全纯净 具有晶体结构的半导体称为本征半导体 本征半导体的特点是 原子核最外层的价电子是四个 是四价元素 它们排列成非常整齐的晶格结构 6 本征半导体的导电性能 价电子与共价键自由电子与空穴电子电流与空穴电流 7 价电子与共价键 在本征半导体的晶体结构中 每一个原子与相邻的四个原于结合 每一原子的 个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对 这对价电子是每两个相邻原子共有的 它们把相邻的原子结合在一起 构成所谓共价键的结构 共价键 8 硅原子 共价键 价电子 价电子受到激发 形成自由电子并留下空穴 半导体中的自由电子和空穴都能参与导电 半导体具有两种载流子 自由电子和空穴同时产生 空穴 9 自由电子与空穴 在价电子成为自由电子的同时 在它原来的位置上就出现一个空位 称为空穴 空穴表示该位置缺少一个电子 丢失电子的原子显正电 称为正离子 自由电子又可以回到空穴的位置上 使离子恢复中性 这个过程叫复合 硅原子 共价键 价电子 产生与复合 10 电子电流与空穴电流 在外电场的作用下 有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子 填补这个空穴 同时 在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴 它也可以由相邻原子中的价电子来递补 而在该原于中又出现一个空穴 如此继续下去就好象空穴在运动 而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反 因此空穴运动相当于正电荷的运动 称为空穴电流 11 空穴 价电子 12 杂质半导体 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子 但由于数目极少导电能力仍然很低 如果在其中掺入微量的杂质 某种元素 这将使掺杂后的半导体 杂质半导体 的导电性能大大增强N型半导体P型半导体 13 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入磷 或其它五价元素 每个磷原子有5个价电子故在构成共价键结构时将因增加一个电子而形成一个自由电子 这样 在半导体中就形成了大量自由电子 这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N型半导体 N型 14 P 多余电子 P 掺入磷杂质的硅半导体晶体中 自由电子的数目大量增加 自由电子是这种半导体的导电方式 称之为电子半导体或N型半导体 特点 在N型半导体中电子是多数载流子 空穴是少数载流子 室温情况下 本征硅中n0 p0 1 5 1010 cm3 当磷掺杂量在10 6量级时 电子载流子数目将增加几十万倍 15 P型半导体 在硅或锗晶体中渗入硼 或其它三价元素 每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结构时将因缺少一个电子而形成一个空穴 这样 在半导体中就形成了大量空穴 这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体 P型 16 B B 空穴 掺硼的半导体中 空穴的数目远大于自由电子的数目 空穴为多数载流子 自由电子是少数载流子 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体 一般情况下 掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多 电子载流子数目将增加几十万倍 17 不论是N型半导体还是P型半导体 都只有一种多数载流子 然而整个半导体晶体仍是电中性的 18 PN结及其单向导电性 PN结的形成PN结的单向导电性 19 PN结的形成 在一块晶凡两边分别形成P型和N型半导体 图中 代表得到一个电子的三价杂质 例如硼 离子 带负电 代表失去一个电子的五价杂质 例如磷 离入带正电 由于P区有大量空穴 浓度大 而N区的空穴极少 浓度小 因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散 P N 自由电子 空穴 扩散 扩散 20 空间电荷区 P区 N区 内电场 多数载流子将扩散形成耗尽层 耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区 内电场 内电场阻碍了多子的继续扩散 21 空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用 但对少数载流子 P区的自由电子和N区的空穴 则可推动它们越过空间电荷区 进入对方 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 漂移 漂移 扩散与漂移 22 扩散和漂移的动态平衡形成了PN结 扩散和漂移是互相联系 又是互相矛盾的 在开始形成空间电荷区时 多数载流子的扩散运动占优势 但在扩散运动进行过程中 空间电荷区逐渐加宽 内电场逐步加强 于是在一定条件下 例如温度一定 多数载流子的扩散运动逐渐减弱 而少数裁流子的漂移运动则逐渐增强 最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡 达到平衡后空间电荷区的宽度基本上稳定下来 PN结就处于相对稳定的状态 23 PN结的单向导电性 如果在PN结上加正向电压 即外电源的正端接P区 负端接N区 可见外电场与内电场的方向相反 因此扩散与漂移运动的平衡被破坏 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷 同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷 于是 整个空间电荷区变窄 电内电场被削弱 多数载流子的扩散运动增强 形成较大的扩散电流 正向电流 24 在一定范围内 外电场愈强 正向电流 由P区流向N区的电流 愈大 这时PN结呈现的电阻很低 正向电流包括空穴电流和电子电流两部分 空穴和电子虽然带有不同极性的电荷 但由于它们的运动方向相反 所以电流方向一致 外电源不断地向半导体提供电荷 使电流得以维持 25 PN结的单向导电性 若给PN结加反向电压 即外电源的正端接N区 负端接P区 则外电场与内电场方向一致 也破坏了扩散与漂移运动的平衡 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 使得空间电荷增加 空间电荷区变宽 内电场增强 使多数载流子的扩散运动难以进行 但另一方面 内电场的增强也加强了少数裁流于的漂移运动 在外电场的作用下 N区中的空穴越过PN结进入P区 P区中的自由电子越过PN结进入N区 在电路中形成了反向电流 由N区访向P区的电流 26 由于少数载梳子数量很少 因此反向电流不大 即PN结呈现的反向电阻很高 又因为少数载流子是由于价电子获得热能 热激发 挣脱共价键的束缚而产生的 环境温度愈高 少数载流子的数目愈多 所以温度对反向电流的影响很大 由以上分析可见 PN结具有单向导电性 即在PN结上加正向电压时 PN结电阻很低正向电流较大 PN结处于导通状态 加反向电压时 PN结电阻很高 反向电流很小 PN结处于截止状态 27 半导体二极管 二极管的基本结构和类型二极管的伏安特性二极管的主要参数二极管的应用常用二极管类型 28 二极管的基本结构和类型 将PN结加上相应的电极引线和管壳 就成为半导体二极管 从P区引出的电极称为阳极 正极 从N区引出的电极称为阴极 负极 按结构分二极管有点接触型和面接触型两类 29 点接触型二极管一般为锗管如图 a 所示 它的PN结结面积很小 结电容小 因此不能通过较大电流 但其高频性能好 故一般适用于高频和小功率的工作 也用作数字电路中的开关元件 面接触型二极管 一般为硅管 如图 b 所示 它的PN结结面积大 结电容大 故可通过较大电流 可达上千安培 但其工作频率较低一般用作整流 图 c 是二极管的表示符号 箭头方向表示加正向电压时的正向电流的方向 逆箭头方向表示不导通 体现了二极管的单向导电性能 其文字符号为D 在使用二极管时 必须注意极性不能接错 否则电路非但不能正常工作 还有毁坏管子和其他元件的可能 30 二极管的伏安特性 所谓二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系 二极管既然是一个PN结 它当然具有单向导电性 所以其伏安特性曲线如图所示 由图中可见 二极管的伏安特性是非线性的 大致可分为四个区 死区 正向导通区 反向截止区和反向击穿区 31 死区 由图可见当外加正向电压很低时 由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子 除少量较大者外 扩散运动的阻力 故正向电流很小 几乎为零 这一区域称为死区 通常硅管的死区电压约为0 5V 锗管约为0 2V 死区 32 正向导通区 当外加正向电压大于死区电压时 二极管由不导通变为导通 当电压再继续增加时 电流将急剧增加 而二极管的电压却几乎不变 此时二极管的电压称为正向导通压降 硅管正向导通压降为0 6 0 7V 锗管的正向导通压降为0 2 0 3V 导通区 33 反向截止区 在二极管上加反向电压时 由于少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流 反向电流有两个特点 一是它随温度的上升增长很快 一是在反向电压不超过某一范围 反向电流的大小基本恒定 而与反向电压的高低无关 故通常称它为反向饱和电流 这是因为 少数载流子数目有限 他们基本上都参与导电 所以 在反向电压不超过某一范围时 反向电流很小且基本恒定 此时 二极管呈高阻截止状态 34 反向击穿区 当外加反向电压过高时 反向电流将突然增加 二极管失去单向导电性 这种现象称为击穿 二极管被击穿后 一般不能恢复原来的性能 便失效了 产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压 UBR 35 反向击穿 击穿发生在空间电荷区 发生击穿的原因 一种是处于强电场中的载流于获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来 产生电子空穴对 新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对 如此形成连锁反应 反向电流越来越大 最后使得二极管反向击穿 雪崩击穿 另一种原因是强电场直接将共价键中的价电于拉出来 产生电子空穴对 形成较大的反向电流 齐纳击穿 击穿电压 7v时为雪崩击穿 4v时为齐纳击穿 36 二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外 还可用一些数据来说明 这些数据就是二极管的参数 二极管的主要参数有下面几个最大整流电流ICM最高反向电压URM最大反向电流IRM 37 最大整流电流ICM 最大整流电流是指二极管长时间使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 当电流超过允许值时 将由于PN结过热而使管子损坏 38 最高反向电压URM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 也是二极管正常工作时所允许加的最高反向电压 一般是反向击穿电压的一半或三分之二 39 最大反向电流IRM 它是指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流值 反向电流越小 说明二极管的单向导电性能越好 但反向电流受温度的影响很大 使用中应加以注意 硅管的反向电流较小 一般在几个微安以下 锗管的反向电流较大为硅管的几十到几百倍 40 除此之外 二极管的参数还有最高工作频率 结电容值 工作温度和微变电阻等 41 二极管的应用 二极管的应用范围很广 主要都是利用它的单向导电性 它可用于整流 检波 元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件 42 常用二极管类型 稳压二极管整流二极管快恢复二极管光敏二极管发光二极管 43 稳压二极管 结构和工作原理稳压的符号与稳压电路伏安特性与稳压原理主要参数 44 结构和工作原理 稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管 其特殊之处在于它工作在特性曲线的反向击穿区 正常工作时处于反向击穿状态 并通过制造工艺保证PN结不会被热击穿 所以 在切断电源后 管子能恢复原来的状态 在电路中与适当电阻配合 能起到稳定电压的作用 故称其为稳压管 45 稳压的符号与稳压电路 R是限流电阻 RL是负载电阻 46 伏安特性与稳压电路 稳压管的伏安特性曲线的反向击穿特性比普通二极管的要陡些 47 主要参数 稳定电压UZ 稳压管在正常工作时管子两端的电压 其数值具有分散性 稳定电流IZ 是指稳压管在正常工作时的参考电流 低于此值稳压效果差 在不超过额定功率的前提下 高于此值稳压效果好 即工作电流越大稳压效果越好 48 主要参数 电压温度系数 Z 电压温度系数是指稳压管的稳压值受温度变化的影响的系数 特别说明 稳压管的电压温度系数有正负之别 因此选用6V左右的稳压管 具有较好的温度稳定性 49 主要参数 动态电阻rZ 动态电阻是指稳压管端电压的变化量与相应电流变化量之比值 也称为稳压管的交流动态电阻 最大允许耗散功率PZM 保证管子安全工作时所允许的最大功率损耗 动态电阻越小 则稳压性能越好 50 整流二极管 整流二极管结构主要是平面接触型 其特点是允许通过的电流比较大 反向击穿电压比较高 但PN结电容比较大 一般广泛应用于处理频率不高的电路中 例如整流电路 嵌位电路 保护电路等 整流二极管在使用中主要考虑的问题是最大整流电流和最高反向工作电压应大于实际工作中的值 51 快速二极管 快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的 但由于普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长 约4 5ms 不能适应高频开关电路的要求 快速二极管主要应用于高频整流电路 高频开关电源 高频阻容吸收电路 逆变电路等 其反向恢复时间可达10ns 快速二极管主要包括快恢复二极管和肖特基二极管 52 快速二极管 快恢复二极管 简称FRD 是一种具有开关特性好 反向恢复时间短特点的半导体二极管 主要应用于开关电源 PWM脉宽调制器 变频器等电子电路中 作为高频整流二极管 续流二极管或阻尼二极管使用 快恢复二极管在制造上采用掺金 单纯的扩散等工艺 可获得较高的开关速度 同时也能得到较高的耐压 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同 它属于PIN结型二极管 即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I 构成PIN硅片 因基区很薄 反向恢复电荷很小 所以快恢复二极管的反向恢复时间较短 正向压降较低 反向击穿电压 耐压值 较高 目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中作整流元件 高频电路中的限幅 嵌位等 53 快速二极管 肖特基 Schottky 二极管也称肖特基势垒二极管 简称SBD 是由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二极管 其主要特点是正向导通压降小 约0 45V 反向恢复时间短和开关损耗小 是一种低功耗 超高速半导体器件 广泛应用于开关电源 变频器 驱动器等电路 作高频 低压 大电流整流二极管 续流二极管 保护二极管使用 或在微波通信等电路中作整流二极管 小信号检波二极管使用 54 发光二极管 发光二极管 顾名思意 这种管于通以电流将会发出光来 发光二极管的符号如图 a 所示 伏安特性如图 b 所示 它的死区电压比普通二极管高 发光强度与正向电流的大小成正比 发光二及管常用来做显示器件 发光二极管的伏安特性 55 光敏二极管 光敏二极管是利用半导体的光敏特性制成的 当光线辐射于PN结时 它的反向电流随光照强度的增加而增强 所以称为光敏二极管 或光电二极管 它的符号如图 a 所示 伏安特性如图 b 所示 光敏二极管的反向电流与光照度成正比 光敏二极管可以用来做为光控元件 光敏二极管的伏安特性 56 半导体三极管 三极管的结构三极管的伏安特性 工作原理三极管的主要参数 57 三极管的结构 半导体三极管 晶体管 是最重要的一种半导体器件 广泛应用于各种电子电路中 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种 平面型都是硅管 合金型主要是锗管 C 58 三极管的结构 它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构 因而又有NPN和PNP两类晶体管 59 三极管的结构 每一类都分成基区 集电区和发射区 分别引出基极B 发射极E和集电集C 每一类部有两个PN结 基区和发射区之间的结称为发射极 基区和集电区之间的结称为集电极 60 三极管的伏安特性 工作原理 NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似 仅在使用时电源极性联接不向而已 下面以NPN型晶体管为例来分析讨论 三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路 共发射极电路 共集电极电路和共基极电路三极管的伏安特性 61 三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路 共发射极电路 基极和发射极组成输入回路 集电极和发射极组成输出回路 最常用 主要作用是 电压放大共集电极电路 也叫射随电路 基极和集电极组成输入回路 发射极和集电极组成输出回路 如射极输出器 主要作用是 电流放大 共基极电路 集电极和基极组成输入回路 发射极和基极组成输出回路 62 电流放大原理 要使晶体管起放大作用 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 具有放大作用的外部条件 63 电流放大原理 内部载流子运动规律 1 发射区向基区扩散电子 发射结处于正向偏置 掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散 2 电子在基区的扩散和复合 基区厚度很小 电子在基区继续向集电结扩散 但有少部分与空穴复合而形成IBE IB 64 电流放大原理 3 集电区收集扩散电子 集电结为反向偏置使内电场增强 对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区 形成集电极电流 ICE IC 放大作用的内部条件 基区很薄且掺杂浓度很低 65 小结 在晶体管中 不仅IC比IB大很多 当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化晶体管放大的外部条件 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置放大作用的内部条件 基区很薄且掺杂浓度很低 66 三极管的伏安特性 三极管的伏安特性反映了三极管电极之间电压和电流的关系 要正确使用三极管必须了解其伏安特性 输入特性输出特性 67 输入特性 三极管的输入特性是在三极管的集电极与发射极之间加一定电压 即 UCE 常数时 基极电流IB和基极与发射极之间的电压UBE之间的关系 与二极管正向特性一致 68 放大状态时 硅NPN管UBE 0 6 0 7V 锗PNP管UBE 0 2 0 3V 对硅管来说 当UCE 1V时 集电结已处于反向偏置 发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流 但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似 当UCE更小 IB才会明显增加 硅管的死区电压为0 5V 锗管的死区电压不超过0 2V 69 输出特性 输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时 输出电路 集电极电路 中集电极电流IC与集 射极电压UCE之间的关系曲线 在不同的IB下 可得到不同的曲线 即晶体管的输出特性曲线是一组曲线 见下图 70 当IB一定时 UCE超过约1V以后就将形成IC 当UCE继续增加时 IC的增加将不再明显 这是晶体管的恒流特性 当IB增加时 相应的IC也增加 曲线上移 而且IC比IB增加得更明显 这是晶体管的电流放大作用 通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区 71 1 放大区 特性曲线进于水平的区域 在放大区 也称线性区 此时发射结正向偏置 集电结反向偏置 2 截止区 IB 0曲线以下的区域 IB 0时IC ICEO 对于硅管当UBE 0 5V时即开始截止 为了可靠截止常使UBE 0 3 饱和区 当UCE UBE时 集电结处于正向偏置 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 IB的变化对IC影响较小 失去放大作用 即 饱和时 晶体管的发射结处于正偏 集电结也处于正偏 即截止时两个PN结都反向偏置 72 各态偏置情况 放大区 此时发射结正向偏置 集电结反向偏置 截止区 即截止时两个PN结都反向偏置 饱和区 饱和时 晶体管的发射结处于正偏 集电结也处于正偏 73 74 主要参数 晶体管的特性不仅可用特性曲线表示 还可用一些数据进行说明 即晶体管参数 它是设计电路和选用器件的依据 电流放大系数 集 基极反向截止电流ICBO集 射极反向截止电流ICEO集电极最大允许电流ICM集 射极反向击穿电压U BR EOC集电极最大允许耗散功率PCM 75 电流放大系数 当三极管接成共发射极电路时 在静态 无输入信号 时 集电极电流 输出电流 与基极电流 输入电流 的比值称为共发射极静态电流 直流 放大系数 当三极管工作在动态 有输入信号 时 由基极电流的变化量引起的集电极电流的变化量与基点电流的变化量的比值成为动态电流 交流 放大系数 76 说明 静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同 但大多数情况下近似相等 可以借用进行定量估算 晶体管的输出特性曲线是非线性的 只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系 IC与IB成正比 也可认为是基本恒定的由于制造工艺的原因 晶体管的参数具有一定的离散性 即使是同一型号的晶体管 也不可能具有完全相同的参数 常用晶体管的 值在20 100之间 近年来由于生产工艺的提高 值在100 300之间的晶体管也具有很好的特性 77 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是当发射极开路时 C B间PN结反向偏置的截止电流 它受温度影响很大 在室温下锗管的ICBO约为10 A数量级 硅管的ICBO在1 A以下数量级 78 集 射极反向截止电流ICEO ICEO是当基极开路时 集电结反偏和发射结正偏时C E间通过的集电极电流 常称为穿透电流 尽管基极开路 由于集电结反偏仍有ICBO形成 它将通过发射结到发射极 这时将有IC 1 ICBO ICEO 处于放大状态的晶体管有IC IB ICEO 79 集电极最大允许电流ICM 在IC很大时 输出待性曲线变密 值减小 一般把 减小到额定值的2 3时的IC值 称为集电极最大允许电流ICM 当IC超过ICM时 值显著下降 甚至有烧坏管子的可能 80 集 射极反向击穿电压U BR EOC 它是基极开路时 C E间的最大允许电压 当UCE U BR CEO时 ICEO突变 晶体管会被击穿损坏 81 集电极最大允许耗散功率PCM IC流经集电结时将产生热量使结温上升 从而引起晶体管参数的变化 在参数变化不超过允许值时集电极所消耗的功率称为PCM 因此PCM主要受结温Tj制约 82 场效应管 概述场效应管的分类N沟道绝缘栅型场效应管 NMOS管 83 概述 场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子 使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件 其英文名称为 MetalOxideSemiconductorFiledEffectTransistor 缩写为MOSFET场效应管是的外型与晶体管 三极管 相似 但它除了具有三极管的一切优点以外 还具有如下特点 84 特点 基本上不需要信号源提供电流输入阻抗很高 可达109 1015 受温度和辐射等外界因素影响小 制造工艺简单 便于集成化等 只有多数载流子参与导电 所以又称其为单极性晶体管 85 场效应管的分类 按封装形式分 塑料封装和金属封装按功率大小分 小功率 中功率和大功率按频率特性分 低频管 中频管和高频管按结构特点分 结型 JFET 和绝缘栅型 IGFET 按导电沟道的不同还可分为 N沟道和P沟道 而绝缘栅型又可细分为N沟道增强型和耗尽型 P沟道增强型和耗尽型两种 86 N沟道绝缘栅型场效应管 NMOS管 N沟道增强型绝缘栅场效应管N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 87 N沟道增强型绝缘栅场效应管 结构及符号工作原理特性曲线主要参数 88 结构及符号 它是以 块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底 利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N 型区 同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层 并用金属导线引出三个电极 分别作为源极 S 漏极 D 和栅极 G 89 注意 栅极是从二氧化硅表面引出的 在图形符号中 漏极和源极间的虚线表示增强型 即 UGS 0时 I 0 箭头方向表示P衬底指向N沟道 90 工作原理 绝缘栅场效应管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 现在对N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作原理进行分析 91 1 UGS 0时 没有导电沟道 当栅源短路 即栅源电压UGS 0时 源区 N 型 衬底 P型 和漏区 N 型 形成两个背靠背约PN结 不管ED的极性如何 其中总有一个PN结是反偏 如果源极S与衬底相连接地 漏极接电源的正极 那么漏极与衬底之间的PN结果也是反偏的 所以漏源之间没有形成导电沟道 因此漏极电流ID 0 相当于漏源之间的电阻很大 92 2 UGS UGS th 时 出现N沟道 当栅源之间加反向电压 栅极接正极 源极接负极 则栅极 铝层 和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平行板电容器 在栅源电压作用下 产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场 93 由于绝缘层很薄 即使只有几伏的栅源电压ED也可产生高达105 106V cm数量级的电场 这个电场是排斥空穴而吸引电子的 因此 在该电场的作用下 它排斥P型硅片靠近栅极一侧的多数载流子 空穴 而少数载流子 电子 却受到电场力吸引 汇集到表面层中来 94 当栅源电压UGS达到一定数值时 这些电子在栅极附近的P型硅片表面形成一个N型薄层 将漏极和源极沟通 称为N沟道 由于此沟道是由栅源电压感应产生的 所以又称为感生沟通 如图所示 另一方面 由于它与P型衬底型别相反 所以 又称它为反型层 显然 栅源电压愈强 感生沟道 反型层 愈厚 沟道电阻愈小 这种在UGS 0时没有导电沟道 而必须依靠栅源电压才能形成感生沟道的场效应管 称为增强型绝缘栅场效应管 95 一旦出现了感生沟道 原来被P型衬底隔开的两个N 型区 源极和漏极 就被感生沟道连在一起了 因此 在漏源电压的作用下 将有漏极电流ID产生 一般把在漏源电压作用下开始导电的栅源电压 叫开启电压UGS th 96 增强型场效应管只有在只有在UGS UGS th 时 调节UGS 改变导电沟道的厚度 从而在相同的UDS作用下 有效的控制漏极电流ID的大小 工作原理总结 97 特性曲线 漏极特性曲线 输出特性转移特性曲线 输入特性 98 漏极特性曲线 输出特性 漏极特性曲线是指在一定的栅源电压UGS作用下 漏极电流ID与漏源电压UDS之间的的关系曲线 漏极特性曲线 99 从曲线可以看出 该曲线可以分为四个区 即 可变电阻区 恒流区 击穿区和截止区 漏极特性曲线 可变电阻区 在此区域内 UDS很小 导电沟道主要受UGS的控制 100 漏极特性曲线 当UGS UGS th 时 如图所示 外加较小的UDS时 漏极电流ID将随UDS上升而迅速增大 101 恒流区 漏极特性曲线 当ID趋于饱和时 进入恆流区 此时的Vds对Id几乎没有影响 102 夹断区 截止区 漏极特性曲线 当UGS UGS th 时 反型层导电沟道被完全夹断 ID 0