电路分析之半导体器件基础3.

1、电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分11.4场效应三极管场效应三极管场效应管：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，又称效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分2N沟道

2、沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类：分类：电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分3DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向

3、电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分4P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分5

4、一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分61. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电

5、沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽UGS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相应变窄。应变窄。当当 UGS = UGS（Off)，耗尽层，耗尽层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ，iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+

6、VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )uGD uGS uDS uGS0电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分8GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改变改变 uGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场效应管；，故称场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使

7、结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分93.当当uGD uGS(off),时，时， , uGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下, 即当即当uDS uGS -

8、uGS(off) 对应于不同的对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时， iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS ，而与而与uDS 无关。此时，无关。此时， 可以把可以把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分11二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数DS)(GSDUuf

9、iO uGSiDIDSSUGS(off)图图 1.4.6转移特性转移特性uGS = 0 ，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off) ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSiDVDDVGGDSGV + +V + +uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分12 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性

10、转移特性2. 输出特性曲线输出特性曲线当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 iD 与漏源与漏源之间电压之间电压 uDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特性曲结型场效应管转移特性曲线的近似公式：线的近似公式：常数GS)(DSDUufi)0( )1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分13IDSS/VPGSDSUUU iD/mAuDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8P U预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变

11、可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。图图 1.4.5( (b) )漏极特性漏极特性输出特性输出特性（漏极特性）漏极特性）曲线曲线夹断区夹断区UDSiDVDDVGGDSGV + +V + +uGS图图 1.4.5(a)特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA击穿区击穿区电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分14结型结型P 沟道的特性曲线沟道的特性曲线SGD转移特性曲线转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线输出特性曲线iDUGS= 0V+ +uDS+ + +o o栅源加正偏电压，栅

12、源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分151.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以

13、上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分16一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.7N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB电路

14、与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分171. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分18( (2) ) UDS = 0，0 UG

15、S UT) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变， iD因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区电

16、路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分20DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分213. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流

17、方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS UT 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断、夹断区。区。UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO图图 1.4.10 ( (a) )图图 1.4.10 ( (b) )iD/mAuDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分22二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层

18、中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 2

19、0N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分24三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th) 0当当UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分30例例1.4.2电路如图电路如图1.4.14所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲的输出特性曲线如图线如图1.4.15所示。试分析所示。试分析ui为为0V、8V

20、和和10V三种情况下三种情况下uo分别为多少伏？分别为多少伏？ 图图1.4.14图图1.4.15分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th) 4V电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分31解解(1) ui为为0V ，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 VDD 15V(2) uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V(3) uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区， iD 2.2mA

21、。因而。因而u0 15- 2.2*5 4V但是，但是， uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS= uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分32从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得uGS 10V时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)KiuRDdsds3)1013(3所以输出电压为所以输出电压为VVRRRuDDddsds6 . 50+例例1.4.3 自阅自阅晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型

22、结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分34噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性

23、受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分35小小 结结第第 1 章章电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分36一、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空穴空穴两两 种种半导体半导体

24、N 型型 ( (多电子多电子) )P 型型 ( (多空穴多空穴) )二极管二极管单向单向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( ( ) )。)1e (DSD TUuIi)1e ( , 0DSDD TUuIiu0 , 0SD IIu电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分37iDO uDU (BR)I FURM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) )IS电路与电子线路基础电路与电子线路

25、基础 电路部分电路部分383. 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 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on) 时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on) = (0.6 0.8) V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3) V0.2 V折线近似模型折线近似模型

26、相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分394. 二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5. 特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光电二极管光电二极管反反 偏偏光电转换光电转换电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分40三、两种半导体放大器件三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管双极型半导体三极管( (晶体三极管晶体三极管 BJT) )单极型半导体三极管单极型半导体三极管( (场效应

27、管场效应管 FET) )两种载流子导电两种载流子导电多数载流子导电多数载流子导电晶体三极管晶体三极管1. 形式与结构形式与结构NPNPNP三区、三极、两结三区、三极、两结2. 特点特点基极电流控制集电极电流并实现基极电流控制集电极电流并实现放大放大电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分41放放大大条条件件内因：发射区载流子浓度高、内因：发射区载流子浓度高、 基区薄、集电区面积大基区薄、集电区面积大外因：外因：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏3. 电流关系电流关系IE = IC + IBIC = IB + ICEO IE = (1 + ) IB + ICEOIE =

28、IC + IBIC = IB IE = (1 + ) IB 电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分424. 特性特性iC / mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 124321O0.4 0.8iB / AuBE / V60402080死区电压死区电压( (Uth) )：0.5 V ( (硅管硅管) ) 0.1 V ( (锗管锗管) )工作电压工作电压( (UBE(on) ) ) ：0.6 0.8 V 取取 0.7 V ( (硅管硅管) ) 0.2 0.3 V 取取 0.3 V ( (锗管锗管) )饱饱和和区区截止区截止区电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分43iC / mAuCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 124321放大区放大区饱饱和和区区截止区截止区放大区特点：放大区特点：1) )iB 决定决定 iC2) )曲线水平表示恒流曲线水平表示恒流3) )曲线间隔表示受控曲线间隔表示受控电路与电子线路基础电路与电子线路基础 电路部分电路部分445. 参数参数特性参数特性参数电流放大倍数电流放大倍数 = /(1 ) = /(1 + )极间反向电流极间反向电流ICBOICEO极限参数极限参数ICMPCMU(BR