《常用半导体器件》PPT课件

1、第1章 常用半导体器件,1.1.1 本征半导体,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分导体、绝缘体和半导体,导体原子最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。如：铁、铝、铜,绝缘体原子最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。如：惰性气体、橡胶等,半导体原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间，如：硅（Si）、锗（Ge,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子,典型的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们都是4价元素,1.1.1 本征半导体,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体,1.1.1 本征半导体,共价键,共用电子,在绝

2、对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体,1.1.1 本征半导体,这一现象称为本征激发， 也称热激发,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，称为自由电子,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定,1.1.1 本征半导体,1.1.1 本征半导体,运载电

3、荷的粒子称为载流子,自由电子,空穴,自由电子：带负电荷 电子流,空穴：带正电荷 空穴流,本征半导体的导电机理,1.1.1 本征半导体,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电,1.1.1 本征半导体,在常温下(T=300K,硅,锗,原子密度,两种半导体导电性能都很弱,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化,本征半导体存在数量相等的两种载流子： 自由电子和空穴。电子与空穴电荷量相等， 极性相反,本征半导体的导电机理 总结

4、,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度,温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半 导体的导电能力越强。温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点,1.1.1 本征半导体,1.1.1 本征半导体,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加,N型半导体（电子半导体）：使自由电子浓度大大增加的 杂质半导体 P型半导体（空穴半导体）：使空穴浓度大大增加的杂质 半导体,N-Negative,P-Positive,在本征半导体中掺入五价杂质元素称为N型半导体

5、，如：磷，砷,1.1.2 杂质半导体,多数载流子，简称多子：自由电子,磷原子、施主原子：提供电子,N型半导体主要靠自由电子导电。掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强,多数载流子，简称多子：自由电子,磷原子、施主原子：提供电子,问题1. N型半导体中的载流子是什么,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴,掺杂元素浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子,1.1.2 杂质半导体,问题2. 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体

6、中掺入三价杂质元素称为P型半导体，如：硼、镓,多数载流子，简称多子：空穴,硼原子、受主原子：吸收电子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强,P型半导体中的载流子是什么,1.由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。在P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子,1.1.2 杂质半导体,总结：杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度

7、与温度无关,1.1.2 杂质半导体,受主离子,施主离子,2. 多数载流子和少数载流子哪个受温度影响,1. 本征半导体中掺入五价元素，则半导体中多数载流子为_，该半导体称为_型半导体；掺入三价元素，则半导体中多数载流子为_，该半导体称为_型半导体,练习,因为N型半导体的多子是自由电子，所以它 带负电，这种说法是否正确,1.1.2 杂质半导体,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.1.3 PN结,P区空穴浓度远高于N区,N区自由电子浓度远高于P区,动态平衡：扩散电流 漂移电流 总电流0,1.1.3

8、 PN结,PN结加正向电压（正偏）电源正极接P区， 负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,2. PN结加反向电压（反偏）电源正极接N区， 负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故I基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但I与温度有关,1.1.3 PN结,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现

9、高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性,1.1.3 PN结,1.1.3 PN结,u ：PN结两端的电压降,i ：流过PN结的电流,IS ：反向饱和电流,UT =kT/q ：温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023； q 为电子电荷量1.6109； T 为热力学温度，对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV,1.1.3 PN结,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散,IS（少子漂移,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,正向特性,反向特性,PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击

10、穿,热击穿不可逆,U（BR,U/v,I/mA,击穿特性,1.1.3 PN结,1.1.3 PN结,PN结具有一定的电容效应，它由两方面因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压发生变化时，离子薄层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样,1 势垒电容CB,1.1.3 PN结,2 扩散电容CD,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。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结附近，形成一定的浓度梯度曲线。正向电压变，

11、浓度就改变，相当于电容的充放电过程,1.1.3 PN结,结电容,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,1.1.3 PN结,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,二极管(Diode) = PN结 + 管壳 + 引线,结构,分类,按材料分：硅二极管、锗二极管,按结构分：点接触型、面接触型和平面型,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,半导体二极管的符号,由P区引出的电极称为阳极（正极,由N区引出的电极称为阴极（负极,U,1)

12、 点接触型二极管,2) 面接触型二极管,3) 平面型二极管,PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关管中,PN结面积大，一般仅 作为整流管,PN结面积小，结电容小， 用于高频电路和小功率整流,1) 正向特性,2) 反向特性,硅：0.5 V,硅：0.60.8V 典型值为0.7V,锗,硅,mA,A,锗：0.10.3V,锗：0.1 V,PN结的伏安特性曲线,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性总结： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,

13、反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,一、 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值,二、 反向击穿电压UBR,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR,最大反向工作电压UR,为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压UR 一般只按反向击穿电压UBR 的一半计算,1.2.3 二极管的主要参数,三、 反向电流IR,二极管未击穿时的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性越好。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级,四、 最高工作频率fM,由PN结的结电容大小决定，二极管的工作频率超过fM时，单向导电性变

14、差。二极管工作的上线截止频率,1.2.3 二极管的主要参数,理想 二极管,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路,1.2.4 二极管的等效电路,近似分析中最常用,Q越高，rd越小,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,1.2.4 二极管的等效电路,二极管的应用举例,例1. 电路如图所示，若UA、UB两点电位分别为0V、3V不同组合时，计算输出电压UO值，并分析二极管的工作状态。设二极管为硅二极管，导通压降为0.7V,1) UA=0 V UB=0 V,VD1、VD2均正

15、向导通,UO0.7 V,2) UA=3 V UB=3 V,VD1、VD2均正向导通,UO3.7 V,二极管的应用举例,3) UA=0V UB=3V,VD1正向导通 VD2截止,UO0.7 V,二极管VD1两端电位差大而优先导通,4) UA=3V UB=0V,VD2正向导通 VD1截止,UO0.7 V,二极管VD2优先导通,二极管的应用举例,如何判断二极管是否导通： 判断二极管工作状态时，可 先将二极管断开，然后比较 两极电位。如果处于正偏， 则二极管导通；否则截止。 电位差大的优先导通,二极管的应用举例,例2. 写出图示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD=0.7V,UO1=1.3V,UO

16、2=0V,UO3= -1.3V,二极管的应用举例,例3. ui = 2 sin t (V)，画出输出电压uo的波形,ui 较小，宜采用恒压降模型,0.7 v ui 0.7 v,u1、u2 均截止,uO = ui,uO = 0.7 v,ui 0.7 v,u2 导通 u1截止,ui 0.7 v,u1 导通 u2 截止,uO = 0.7 v,二极管的应用举例,二极管的应用举例,3.当温度升高时，PN结的反向饱和电流将增加还是减小,2.PN结导通后，正向电流（扩散电流）的方向：从P区到N区还是从区N到P区？反向电流的方向,1.对PN结加正向偏置，即P区的电位_于N区的电位，PN结处于_状态；加反向偏置

17、，即P区的电位_于N区的电位，PN结处于_状态,练习,4. ui =5sin t (V)，画出输出电压uo的波形 。 二极管是理想的,练习,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,反偏电压UZ 反向击穿,电路符号,U,I,IZmin,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定,UZ,1.2.5 稳压二极管,稳压原理,根据电路图可知,UIUOUZIZIRURUO,IR,1.2.5 稳压二极管,使用稳压管注意事项：在工作时反接， 并串入一只电阻。电阻的作用一是起限 流作用，保护稳压管；其次是当输入电 压或负载电流变化时，通过该电阻上电 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,1.

18、2.5 稳压二极管,限流电阻R的选择,2) 在Ui最低和IL最大时，流过稳压管的电流最小，这时应保证IZ不小于稳压管最小电流值,1) 在Ui最高和IL最小时，流过稳压管的电流最大，此时电流不能高于稳压管最大稳定电流,限流电阻R的选择范围为：RminR Rmax,1.2.5 稳压二极管,1、如图，已知UZ=10V，负载电压UL（ ） （） 5 （）10 （）15 （）20,A,UL,稳压管的工作条件 （）必须工作在反向击穿状态。 （）电路中应有限流电阻，以保证反向电流不超过允许范围,练习,2、已知ui = 6sint，UZ =3V，画输出波形,3,3,O,O,练习,1.2.6 其它类型二极管,有

19、正向电流流过时，发 出一定波长范围的光，目前 的发光管可以从红外到可 见波段的光，它的电特性 与一般二极管类似,1.2.6 其它类型二极管,反向电流随光照度的增加而增大,1.2.6 其它类型二极管,1.2.6 其它类型二极管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，简称BJT,1.3.1 晶体管的结构及类型,三极管的分类,按照频率：高频管和低频管,按结构：NPN型和PNP型,按功率大小：大功率管1mW,按所用半导体材料：硅管和锗管,1.3.1 晶体管的结构及类型,常见三极管的

20、外形结构,中功率管,大功率管,1.3.1 晶体管的结构及类型,NPN型,电路符号,三极管是由两个PN结和三块掺杂半导体组成,e-emitter,b-base,c-collector,双极型三极管的符号中，发射极的箭头 代表发射极电流的实际方向,两个结、三个区、三个极,1.3.1 晶体管的结构及类型,面积大,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,PNP型,电路符号,1.3.1 晶体管的结构及类型,1.三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电区面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,1.3.2 晶体管的电流放

21、大作用,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,1.3.2 晶体管的电流放大作用,1.3.2 晶体管的电流放大作用,少数载流子的运动,基区空穴的扩散,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC,IB,IC,IE,1.3.2 晶体管的电流放大作用,IE扩散运动形成

22、的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,1.3.2 晶体管的电流放大作用,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为共基电流传输系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.995,IB的改变控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制功能,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,输入特性曲线： iB=f(uBE) uCE=常数,1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联,2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复

23、合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显,输出特性曲线：iC=f(uCE)iB=常数,现以iB=60uA一条加以说明,1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0,2） uCE IC,3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变,同理，可作出iB=其他值的曲线,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,2） uCE IC,饱和区此时发射结正偏，集电结也正偏,截止区发射结反

24、偏，集电结反偏,放大区发射结正偏，集电结反偏,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,饱和区,放大区,截止区,1.3.4 晶体管的主要参数,1.电流放大系数,一般取20200之间,1）共发射极电流放大系数,共基和共射直流电流 放大系数定义分别为,共基和共射交流电流放大系数分别定义为,1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级,1.3.4 晶体管的主要参数,2. 极间反向电流,2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流,1

25、.3.4 晶体管的主要参数,Ic增加时， 要下降。使值明显减小时的Ic的值即为ICM,2）集电极最大允许电流ICM,1）集电极最大允许功耗PCM 决定于晶体管的温升。对于确定型号的管子，PCM是常数,PCM,3）反向击穿电压,U（BR）CEO基极开路时集电极与发射极之间允许的反向击穿电压,1.3.4 晶体管的主要参数,U（BR）CBO发射极开路时集电极与基极之间的反向击穿电压,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,温度每升高10， ICBO增加约一倍。 反之，当温度降低时ICBO减少,硅管的ICBO比锗管的小得多,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO

26、 ICBO越小越好,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 ICEO越小越好,温度升高时正向特性左移，反之右移,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,2.为使NPN型管和PNP型管工作在放大状态，应分别在外部加什么样的电压,练习,1.为什么说BJT是电流控制型器件,3.有三只晶体管，分别为 锗管150，ICBO2A； 硅管100，ICBO1A； 硅管40，ICEO41A； 试从和温度稳定性选择一只最佳的管子,解：值大，但ICBO也大，温度稳定性较差； 值较大，ICBO1A，ICEO101A ； 值

27、较小，ICEO41A，ICBO1A。 、ICBO相等，但的较大，故较好,练习,4. 由晶体管各管脚电位判定晶体管属性。 （1） A: 1 V B：0.3 V C: 3 V （2） A: 0.2 V B: 0 V C: 3 V,如何区分硅管和锗管 如何区分NPN、PNP管 如何区分三个极,练习,步骤： 1.区分硅管、锗管，并确定C极（以相近两个电极的电压差为依据，UBE硅0.7V UBE锗0.2V0.3 V） 2. 区分NPN、PNP管 （NPN：VC最高 ；PNP： VC最低 ） 3. 区分三极 （NPN： VC VB VE PNP： VC UB VE,练习,解：（1） 硅管、NPN管 A：基

28、极； B: 发射极； C: 集电极 （2） 锗管、 PNP管 A：基极； B: 发射极； C: 集电极,5. 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 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V VB 4V VE 3.6V （3） VC 3.6V VB 4V VE 3.3V,解,1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,练习,6.下图所示各晶体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。试确定晶体管的类型（NPN /PNP、硅/锗），并说明x、y、z 代表的电极,练习,提示： （1）晶体管工作于放大状态的条件： NPN管：VC VBVE，PNP管

29、：VEVBVC； （2）导通电压：硅管|UBE|= 0.7v，锗管|UBE|= 0.20.3v,练习,7. 测得放大电路的四只晶体管的直流电位如图所示，在圆圈中画出管子，并分别说明是NPN还是PNP，是硅管还是锗管,练习,8.图所示电路中，晶体管为硅管， UCE（sat）=0.3v 。求：当UI=0v、UI=1v 和UI=2v时UO=,解：(1) UI=0v时， UBE Uon，晶体管截止，IC=IB=0， UO= uCC=12v,练习,3) UI=2v时,2) UI=1v时,练习,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,MOSFET,绝缘栅型,是利用输入回路的电场效应

30、控制输出回路的电流的 一种半导体器件； 仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）； 输入阻抗高（1071012），噪声低，热稳定性好， 抗辐射能力强，功耗小,Field Effect Transistor)FET,Junction Field Effect Transistor,1.4 场效应管,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,栅极,源极,漏极,1.4.1 结型场效应管（JFET,N沟道JFET管外部工作条件,UDS 0,UGS 0,保证栅源PN结反偏,以形成漏极电流,1.4.1 结型场效应管（JFET,UGS对沟道宽度的影响,若UDS=0,此时UGS 的值称为夹断电压UGS (o

31、ff,1.4.1 结型场效应管（JFET,由图 UGD = UGS - UDS,UDSID线性,若UDS 则UGD 近漏端沟道 沟道电阻增大,此时 沟道电阻ID 变慢,UDS对沟道的控制（假设UGS 一定,UDS=0,ID=0,1.4.1 结型场效应管（JFET,当UDS增加到使UGD =UGS(off)时 A点出现预夹断,若UDS 继续A点下移出现夹断区,因此预夹断后,UDS ID 基本维持不变,1.4.1 结型场效应管（JFET,uGS和uDS同时作用时,当 UGS(off) uGS0 时，形成导电沟道，对于同样的uDS ， iD的值比uGS=0时的值要小。在预夹断处, uGD=uGS-u

32、DS = UGS(off),当uGD = uGS - uDS uGS - uGS(off) 0，导电沟道夹断， iD 不随uDS 变化 ； 但uGS 越小，即|uGS| 越大，沟道电阻越大，对同样的uDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变uGS 控制iD 的大小， iD与uDS 几乎无关，可以近似看成受uGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件,1.4.1 结型场效应管（JFET,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

33、系；预夹断后,iD趋于饱和,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高,1.4.1 结型场效应管（JFET,2. 转移特性,1. 输出特性,夹断电压,uGD=UGS(off)时称为预夹断,1.4.1 结型场效应管（JFET,三个区： 可变电阻区 恒流区 夹断区,结型场效应管的缺点,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降,1.4.1 结型场效应管（JFET,一、增强型 N 沟道 MOSFE

34、T (Mental Oxide Semi FET,1. 结构与符号,P 型衬底,掺杂浓度低,用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,2. N沟道增强型MOS管的工作原理,1) uDS=0时， uGS 对沟道的控制作用,当uDS=0且uGS0时， 因SiO2的存在，iG=0。但g极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥P型衬底靠近g极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗

35、尽层( 0 UGS UGS(th),当uGS=0时， 漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道，无论 uDS 为多少， iD=0,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,uGS UGS(th) 当uGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称之为反型层，构成了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图所示,使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压UGS(th)。 uGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0,a. 当 UGS = 0 ，

36、DS 间为两个背对背的 PN 结,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面， 形成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,2) uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th,DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄-梯形,预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失,预夹断发生之前： uDS iD,预夹断发生之后：uDS iD 不变。（进入饱和区,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,3.

37、输出特性曲线,可变电阻区,uDS uGS UGS(th,uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区,uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,4. 转移特性曲线,UDS = 10 v,UGS (th,当 uGS UGS(th) 时,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,与 N沟道增强型MOS管不同的是， N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使在uGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就会产生iD,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,若uDS为定值，而uGS 0， uGS iD ；若uGS uGS(off)，且为定值，则iD 随uDS 的变化与N沟道增强型MOS管的相同。但因uGS(off) 0，所以uGS在正、负方向一定范围内都可以实现对iD的控制,1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,输出特性,转移特性,IDSS,UGS