第二章常用半导体器件原理_2_

1、 1 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理模拟电子技术基础朱 旭 花 2 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理2.1半导体物理基础半导体物理基础 导体导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 1020 m。 半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗、锗 (Ge) 和砷化镓和砷化镓 (GaAs)半导体的导电

2、能力随半导体的导电能力随温度、光照和掺杂温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。2.1.1 半导体与绝缘体、导体的区别半导体与绝缘体、导体的区别绝缘体绝缘体半导体半导体导导 体体 3 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理32.1.2本征半导体本征半导体 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研其物

3、理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。 + 4 带 一 个 单 位 负 电 荷 的 价 电 子 最 外 层 轨 道 带 四 个 单 位 正 电 荷 的 原 子 核 部 分 + 1 4 + 3 2 硅 原 子 简 化 模 型 锗 原 子 图 4 .1 .1 硅 和 锗 的 原 子 模 型 (b ) (c ) (a ) 4 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理4每个原子最外层轨道上每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价所共有，形成共价键。共价键中的价电子

4、是不能导电的键中的价电子是不能导电的束缚电子。束缚电子。 +4 价 电 子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共 价 键 图 4.1.2 本 征 半 导 体 的 空 间 晶 格 结 构 当当价电子获得足够大的能量，挣脱共价键价电子获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。过程称为本征激发。本征激发产生成对的自由电子和空穴，所本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。以本征半导体中自由电

5、子和空穴的数量相等。 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 电 子 图 4.1.3 本 征 激 发 成 对 产 生自 由 电 子 和 空 穴 5 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理5 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 图 4.1.4 价 电 子 反 向 递 补 运 动 相 当 于空 穴 移 动 空 穴 移 动 方 向 价 电 子 移 动 方 向 本征半导体中出现了带负电的自本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。以参与导电，统称为载流子。 自由电子和空穴在自由移动过程自由电子

6、和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，过程称为复合， 图 4.1.5 复 合 消 失 一 对 自 由电 子 和 空 穴 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 电 子 6 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理6分别用分别用ni和和pi表示自由电子和空穴的浓度表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，kTEeTApn2230ii0G其中其中 T 为为绝对绝对温度温度 (K) ；EG0 为为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为时的禁带宽度，硅原子为1.2

7、1 eV，锗为，锗为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；A0为常数为常数 ,浓度与温度关系极大浓度与温度关系极大2.1.3N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 本征半导体的导电能力很弱本征半导体的导电能力很弱。人工少量掺杂某些元素的原子，人工少量掺杂某些元素的原子，可可显著提高半导体的导电能力，杂质半导体分为显著提高半导体的导电能力，杂质半导体分为 N 型半导体型半导体和和 P 型半导体。型半导体。 7 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理7一、一、N 型半导体型半导体掺入五价原子，即构成掺入五价原子，即构成 N 型半

8、导体。每型半导体。每个杂质元素的原子，提供一个自由电子，从个杂质元素的原子，提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度而大量增加了自由电子的浓度一一一一施主电离施主电离多数载流子一一自由电子多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴少数载流子一一空穴 但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性 + 4 + 4 + 4 + 4 + 5 + 4 + 4 + 4 + 4 键 外 电 子 施 主 原 子 图 4 .1 .6 N 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的平 面 示 意 D2in2inNnnnp自由电子浓度自由电子浓度少子浓度与温度关系极大少子浓度与温度关系极大 8 第四章第四章 常用

9、半导体器件原理常用半导体器件原理8二、二、P 型半导体型半导体掺入三价原子，即构成掺入三价原子，即构成 P 型半导体。型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一一一受主电离受主电离多数载流子一一空穴多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子少数载流子一一自由电子 但半导体仍保持电中性但半导体仍保持电中性 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 空 位 受 主 原 子 图 4.1.7 P 型 半 导 体 空 间 晶 格 结 构 的 平 面示 意 而而少子少

10、子-自由电子的浓度自由电子的浓度 np 为为环境温度也明显影响环境温度也明显影响 np 的取值。的取值。 ApNpA2ip2ipNnpnn空穴浓度空穴浓度(掺杂掺杂浓度浓度) 9 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理92.1.5漂移电流和扩散电流漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体电流半导体电流半导体电流漂移电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为

11、漂移电流，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。电场强度。扩散电流：扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，形成扩散电流，该电流的大小正比于载流该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。PnIII 10 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理102.2PN 结结 通过掺杂工艺，一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半

12、导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。 2.2.1PN 结的形成结的形成 + + + + P 区 N 区 (a) + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 (b) 空 间 电 荷 区 内建电场 0 UB UB 图 4.2.1 P N 结 的 形 成 (a) 多 子 的 扩 散 ； (b) 空 间 电 荷 区 ， 内 建 电场 和 内 建 电 位 差 的 产 生 + + + + + + + + + + + + 多子扩散多子扩散空间电荷区，内建电场空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生和内建电位差的产生 少子漂移少子漂移

13、动态平衡动态平衡 11 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理11空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。掺杂一边延伸较大。 耗 尽 区 耗 尽 区 + + + + + + + + + + + + + + + + (a) (b) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

14、P区 N 区 P 区 N区 图 4.2.2 掺 杂 浓 度 不 对 称 的 PN 结 (a) P+N 结 ； (b) PN+ 结 12 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理122.2.2PN 结的单向导电特性结的单向导电特性 + + + + + + + + + + + + + + + + P 区 N 区 耗尽区 0 UB U UB E R U 内建电场 外加电场 正向电流 图 4.2.3 正向偏置的 PN 结 一一、正、正向偏置的向偏置的 PN 结结正向偏置正向偏置耗尽区变窄耗尽区变窄扩散运动加强，扩散运动加强，漂移运动减弱漂移运动减弱正向电流正向电流二二、反、反向偏置的向偏置的

15、 PN 结结 P 区 耗 尽 区 0 UB U UB E R U 内 建 电 场 外 加 电 场 N 区 反 向 电 流 图 4.2.4 反 向 偏 置 的 PN 结 + + + + + + + + + + + + + + + + 反向偏置反向偏置耗尽区变宽耗尽区变宽扩散运动减弱，扩散运动减弱，漂移运动加强漂移运动加强反向电流反向电流 13 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理13PN 结的单向导电特性：结的单向导电特性： PN 结只需要较小的正向电压，结只需要较小的正向电压，就能就能产生较大的正向电流，产生较大的正向电流， 而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变而且正向

16、电流随正向电压的微小变化会发生明显改变(指数特性指数特性) 而在反偏时，少子只能提供很小而在反偏时，少子只能提供很小很小很小的漂移电流，并且基本的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。上不随反向电压而变化。 14 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理142.2.3PN 结的击穿特性结的击穿特性 当当 PN 结上的反向电压足够大时，反向电结上的反向电压足够大时，反向电流急增，这种现象称为流急增，这种现象称为 PN 结的击穿。结的击穿。 雪崩击穿雪崩击穿：反偏的反偏的 PN 结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足

17、以使其在与价电子碰撞时发生动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞碰撞电离电离，把，把价电子击出共价键，产生一对价电子击出共价键，产生一对新的新的自由电子和空穴自由电子和空穴，连锁连锁碰撞碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的在轻掺杂的 PN 结结中。中。齐纳击穿齐纳击穿：在重掺杂的在重掺杂的 PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，

18、产生大量的自由电子和空穴，使价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。PN 结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护 PN 结不受损坏。结不受损坏。PN 结击穿结击穿 15 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理152.2.4PN 结的电容特性结的电容特性 PN 结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明说明 PN 结具有电容效应。结具有电容效应。 一、势垒电容一、势垒电容

19、 P区 N区 耗尽区 |u | P区 N区 耗尽区 |u | ( a ) ( b ) 图 4 . 2 . 5 耗尽区中存贮电荷的情况 ( a ) u 增大时存贮电荷减少；( b ) u 减小时存贮电荷增加 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + dSUuCuQCnB0TT1CT0为为 u = 0 时的时的 CT，与，与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有结的结构和掺杂浓度等因素有关；关；UB为内建电位差；为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在为变容指数，取值一般在 1 / 3 6 之间。之间。当反向电压当反

20、向电压 u 绝对值增大时，绝对值增大时，CT 将减小将减小。 16 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理16二、扩散电容二、扩散电容 P区 N区 耗尽区 u P区 N区 耗尽区 u u 0 0 np0 pn0 pnnn nppp Qn Qp uQQuQCpnDPN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和和 CD 都随外加电压的变化而改变，所以都都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当是非线性电容。当 PN 结正偏时，结正偏时，CD 远大于远大于 CT ，即，即 Cj CD ；反偏的；反偏的 PN 结

21、中，结中，CT 远大于远大于 CD，则，则 Cj CT 。 17 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理172.3晶体二极管晶体二极管 P N iD uD ( b ) ( a ) 引线 管壳 图 4 . 3 . 1 二极管 ( a ) 结构；( b ) 电路符号 2.3.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性一一一一 指数特性指数特性) 1() 1(TDD/S/SDUukTqueIeIiIS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，q 为电子电量为电子电量 (1.60 10 19C) ；UT = kT/q，称为热电压，在室温称为热电压，在室温 27 即即 300 K 时，时，UT = 26 m

22、V。 uD iD UD (on) 0 图 4.3.2 二 极 管 的 伏 安 特 性 IS 击 穿 TDSDUueIiT2 T1 一、二极管的导通，截止和击穿一、二极管的导通，截止和击穿当当 uD UD(on) 时，时，iD 明显明显增大增大，二极管导通，二极管导通，UD(on) 称为导通电称为导通电压压 (死区电压死区电压) ；uD 0.7 V时，时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0.7；当；当ui 0时，时，D1和和D2导通，而导通，而D3和和D4截止截止,故故uo = ui；当当ui 2.7 V时，时，D导通，所以导通，

23、所以uo = 2.7 V；当；当ui 2.7 V时，时，D截止，其支路等效为开路，截止，其支路等效为开路，uo = ui。于是。于是得到得到uo的波形，如图的波形，如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出2.7 V的部分削去后输出，的部分削去后输出，是是上限幅上限幅电路。电路。 28 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理28例例2.3.7二极管限幅电路如图二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管所示，其中二极管D1和和D2的导通电压的导通电压UD(on) = 0.3 V，交流电阻，交流电阻rD 0。输入电压。输入电压ui的波形在图的波形在图 (b) 中给出，作出

24、中给出，作出输出电压输出电压uo的波形。的波形。 R E ui uo t ui (V ) 0 (a ) (b ) 2 V D2 5 5 2 .3 t uo (V ) 0 (c) E 2 V D1 2 .3 2 .3 2 .3 首先判断二极管是导通或截止首先判断二极管是导通或截止.解：当解：当ui - 2.3 V时，时，D1截止，截止，支路等效为开路，支路等效为开路，uo = ui。所以。所以D1实现了下限幅；当实现了下限幅；当ui 2.3 V时，时，D2导导通，通，uo = 2.3 V；当；当ui 2.3 V时，时，D2截止，支路等效为开路，截止，支路等效为开路，uo = ui。所。所以以D2

25、实现了上限幅。综合实现了上限幅。综合uo的波形如图的波形如图 (c) 所示，该电路把所示，该电路把ui超出超出 2.3 V的部分削去后进行输出，完成的部分削去后进行输出，完成双向限幅双向限幅。 29 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理29三、电平选择电路三、电平选择电路 例例2.3.8图图 (a) 给出了一个二极管电平选给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管择电路，其中二极管D1和和D2为理想二极管，输入信号为理想二极管，输入信号ui1和和ui2波形如图波形如图 (b) 所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。的波形。 R

26、E ui2 uo t ui1 0 (a ) D1 ui1 D2 t ui2 0 t uo 0 (b ) 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 解解:当当tT1时时,D2比比D1正偏压更大正偏压更大,则则D2首先导通，首先导通，uo = ui2=0，导致导致D2反偏而截止；反之，当反偏而截止；反之，当T1tT3时时,D1,D2也同时导通，也同时导通，uo = ui1 = ui2=0。该电路完成低电平选择功能，。该电路完成低电平选择功能， 并实现了并实现了逻辑逻辑“与与”运算。运算。 30 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理302.4双极型晶体管双极型晶体管 N 发射区

27、N 集电区 P 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b P 发射区 P 集电区 N 基区 发射结(e结) 集电结(c结) 发射极 e 集电极 c 基极 b b c e b c e NPN型晶体管型晶体管 PNP型晶体管型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点：晶体管的物理结构有如下特点：发射区重掺杂；基区很薄，发射区重掺杂；基区很薄，且且 轻轻掺杂掺杂, ,集电结面积大于发射结面积。集电结面积大于发射结面积。 31 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理31一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子 电子注入电流电子注入电流IEN， 空穴注入电流空

28、穴注入电流IEP 二、基区中自由电子边扩散二、基区中自由电子边扩散 边复合边复合 基区复合电流基区复合电流IBN 三、集电区收集自由电子三、集电区收集自由电子 收集电流收集电流ICN 反向饱和电流反向饱和电流ICBO2.4.1晶体管的工作原理晶体管的工作原理CNBNENENEPEIIIIIICBOBNEPCBOBNBIIIIIICBOCNCIII 32 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理32共发射极直流电流放大倍数：共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：换算关系：CBOBCBOCBNCNIIIIIIECBOCENCNIIIII1EN

29、ENENCNENCNBNCNIIIIIIII1BNBNBNCNBNCNENCNIIIIIIII晶体管的放大能力参数晶体管的放大能力参数 33 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理33晶体管晶体管各各极电流关系极电流关系 CEBIIIBCIIBE)1 (IIECIIEB)1 (IIBCEIII 描述：描述： 描述：描述： b c e b c e IB IC IE IB IC IE 34 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理342.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 一、输出特性一、输出特性 0 5 10 15 20 uCE (V) iC (mA) IB 0 30

30、A 20 A 10 A IB 40 A 临界饱和线 放 大 区 饱和区 截止区 1 2 3 4 放大区放大区(发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电流放大倍数：共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数： 近似关系：近似关系： 恒流输出恒流输出和和基调效应基调效应饱和区饱和区(发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏 ) 饱和压降饱和压降 uCE(sat) 截止区截止区(发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏 ) 各各极电流绝对值很小极电流绝对值很小BCiiECii 35 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理35

31、二、输入特性二、输入特性 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 当当uBE大于导通电压大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下态。这两种状态下uBE近近似等于似等于UBE(on) ，所以也可，所以也可以认为以认为UBE(on) 是导通的晶是导通的晶体管输入端固定的管压降；体管输入端固定的管压降；当当uBE 0，所以集电结反，所以集电结反偏，假设成立，偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当；当UI = 5 V时，计算得到时，计算得到UCB = - 3.28

32、 V 0，所以晶体管处于饱和状态，所以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。 39 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理39 2 k RC UCC 200 k RB 2 k RE IB IC IE V 12 V 例例2.4.2晶体管直流偏置电路如图晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的所示，已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V， = 50。判断晶体管的工作状态，并。判断晶体管的工作状态，并计算计算IB、IC和和UCE。 解：图中晶体管是解：图中晶体管是PNP型，型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC

33、- IBRB - (1+ )IBRE = - 0.7 V，得到，得到IB = - 37.4 A 0，所以晶体管处于放大或饱和状，所以晶体管处于放大或饱和状态。态。IC = IB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V UGS(th) 电场电场 反型层反型层 导电沟道导电沟道 ID 0UGS控制控制ID的大小的大小N沟道增强型沟道增强型MOSFET 46 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理46N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET在在UGS 0时就存在时就存在ID ID0。UGS的增大将增大

34、的增大将增大ID。当。当UGS 0时，且时，且| UGS | 足够大时，导电沟足够大时，导电沟道消失，道消失，ID 0，此时的，此时的UGS为夹断电压为夹断电压UGS(off) 。 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET二、特性曲线二、特性曲线 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 5 V 4 V UDG UGS(th) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(th) 击穿区 UGS 7 V G D N N P 衬底 S B UGS UDS ID 预夹断预夹断N沟道增强型沟道增强型MOSFET 47 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半

35、导体器件原理47 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 n为导电沟道中自由电子运动的迁移率；为导电沟道中自由电子运动的迁移率；Cox为单位面积的栅极电容；为单位面积的栅极电容；W 和和 L分别为导电沟道的宽度和长度，分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。为宽长比。2GS(th)GSoxnD)(2UuLWCi)1 ()(2DS2GS(th)GSoxnDuUuLWCi 48 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理48N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 0 5 10 15 20 uDS (V) iD (mA) 3 V 6 V 3 V

36、 0 UDG UGS(off) 恒 流 区 可变电阻区 截止区 1 2 3 4 UGS UGS(off) 击穿区 UGS = 9 V 0 3 6 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 2 3 4 3 9 6 1 2GS(off)GSD0D1uuIi2GS(off)oxnD02ULWCI 49 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理492.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比 G D S G D S G D S B G D S B G D S B G D S B JF ET N 沟 道 P 沟 道 N 沟 道 P

37、沟 道 N 沟 道 P 沟 道 增 强 型 耗 尽 型 M O SF ET 电路符号电路符号 0 UGS iD IDSS UGS(off) UGS(th) JFET N 沟 道 ID0 M OSFET 耗 尽 型 N 沟 道 增 强 型 N 沟 道 UGS(th) UGS(off) JFET P 沟 道 增 强 型 P 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 M OSFET IDSS ID0 0 UDS iD JFET N 沟 道 M OSFET 耗 尽 型 N 沟 道 增 强 型 N 沟 道 0 2 7 4 2 3 3 1 4 2 0 5 1 1 6 5 3 2 UGS (V) 耗 尽 型 P 沟

38、道 JFET P 沟 道 增 强 型 P 沟 道 UGS (V) 7 2 0 6 1 1 5 0 2 4 1 3 2 2 3 3 4 5 M OSFET 特性曲线特性曲线 50 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理50 UDD RG 100 k RD 2 k 12 V UGS(off) 4 V IDSS 3 mA (a) UDD RG 100 k RD 3 k 10 V UGS(th) 2 V ID 3 mA (b) E V V 5 V 例例2.5.1判断图中场效判断图中场效应管的工作状态。应管的工作状态。 = IDSS，UDG = UDS - UGS = UDS = UDD -

39、 IDRD = 6 (V) - UGS(off) ，所以该场效应，所以该场效应管工作在恒流区。管工作在恒流区。图图 (b) 中是中是P沟道增强型沟道增强型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所，所以该场效应管工作在可变电阻区。以该场效应管工作在可变电阻区。 解解图图 (a) 中是中是N沟道沟道JFET，UG S = 0 UGS(off) ，所以该场效，所以该场效应管工作在恒流区或应管工作在恒流区或可变电阻区，且可变电阻区，且ID 51 第四章第四章 常用半导体器件原理常用半导体器件原理51NPN晶体管晶体管结型场效应管结型场效应管JEFT增强型增强型NMOSEFT 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 4 6 8 UGS (V) iD (mA)