模拟电路课件：第一章 常用半导体器件

1、1第一章 常用半导体器件2第一章 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3本章要求概念：两种载流子；扩散运动和漂移运动； PN结的形成；PN结的单向导电性。2.理解二极管的伏安特性曲线及特性方程3.会分析简单的二极管电路4.理解稳压管的稳压作用5. 理解三极管的放大作用和开关作用6.理解三极管的特性曲线7.会分析三极管的三种工作状态8.理解场效应管的放大作用、开关作用和变阻作用9.理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态10.会分析场效应管的三种工作状态41.1 半导体基础知识1.1.1 本

2、征半导体1.1.2 杂质半导体1.1.3 PN结5 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。导 体：自然界中很容易导电的物质，如铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其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。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如惰性气体、橡胶、陶瓷、塑料和石英等，其原子的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。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si) 、锗(Ge)等四价元素、砷化镓(GaAs) 、一些硫化物、氧化物等，它们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。半导体是构成当代电子器件

3、的基础材料。61.1.1 本征半导体 (1)本征半导体的晶体结构(2)本征半导体的载流子(3)本征半导体中载流子的浓度本征半导体化学成分纯净的晶体结构的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%。-硅、锗。无杂质稳定的结构7 （1）本征半导体的晶体结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体共价键共用电子对当处于绝对零度（-273）时，本征半导体中没有自由电子。8 （2）本征半导体的载流子-电子、空穴由于光照或热运动，具有足够能量

4、的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，从而参与导电自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴共价键 这一现象称为本征激发，也称热激发。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。9 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡 （2）本征半导体的载流子 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。10 在其他力的作用下，自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流。 自由电子和空穴称为载流子（运载电荷的粒子）。空穴电流的方向与运动方向一致，电子电流的方向与运动方向相反。 -所以

5、总电流方向仍然一致。11 （3）本征半导体中载流子的浓度温度升高热运动加剧载流子增多本征半导体中载流子的浓度很低,导电性能很差。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？12本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。（这是半导体和金属导电原理的本质区别）本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳131.1.2

6、杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 (1)N型半导体(2)P型半导体14 （1）N型半导体磷（P）多数载流子 在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 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。空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？15（2）P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 在杂质半导体中，温度变化时

7、，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？16归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的导电机理17当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型；杂质半导体的转型：当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型18杂质半导体的示意表示法P型半导体+N型半导体191.1.3 PN结 一

8、、 PN结的形成二、 PN结的单向导电性三、 PN结的电流方程四、 PN结的伏安特性 五、 PN结的电容效应PN结是构成半导体器件的核心结构。PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的特殊结构。PN结是半导体器件的心脏。20一、 PN结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体，此时将在它们的结合面上形成PN结。+空间电荷区N型区P型区 PN结21P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结的形成浓度差22漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E PN结的形成内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的

9、结果是使空间电荷区逐渐加宽。所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。23PN结建立在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动，使空穴和电子复合后形成不能移动的负离子和正离子状态。PN结称为 -空间电荷区耗尽层阻挡层。PN结很窄（几个到几十个 m)。24二、 PN结的单向导电性外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 若外加正向电压，使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 若外加反向电压，PN结呈高阻性，所以电流小；25 1. PN结加正向

10、电压时的导电情况正向偏置 - P接电源正，N接电源负外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使 PN结变窄。扩散运动漂移运动。称为“正向导通”。 PN结呈低阻性。26 2. PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 反向偏置 - P接电源负，N接电源正外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。扩散运动漂移运动称为“反向截止”。PN结呈高阻性。27PN结的单向导电性正向特性反向特性归纳外电场削弱内电场，PN结电阻小， 电流大，导通；I的大小与外加电压有关；

11、外电场增强内电场，结电阻大，反向电流很小，截止；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。P（+），N（-）P（-），N（+）28三、PN结的电流方程式中，UTkT/q，称为温度电压当量，与温度成正比，常温下即热力学温度T=300K时，UT26mV。IS为反向饱和电流正向特性：u0，ui，uUT时， 按指数规律快速增加。反向特性：uUT 时，i-IS，恒定不变。PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系：29四、 PN结的伏安特性uiU(BR)0u0，ui正向特性反向特性|u|U（BR），反向击穿u0， i-IS，恒定不变按指数规律快速增加30齐纳击穿：高掺杂时，PN结很薄，不大的反向电压就形成很

12、强的电场，破坏共价键，价电子自由电子，载流子数量，反向电流。（齐纳击穿电压较低）雪崩击穿：掺杂浓度低时，PN结较宽，当反向电压增加到较大值时，漂移速度加快，撞击价电子，价电子获得能量，产生自由电子空穴对，参加漂移，再撞击其它的价电子，形成连锁反应，使载流子数，反向电流。电击穿：当 |u |自由电子变回价电子反向电流。 可逆。热击穿：电流很大，烧坏PN结。不可逆。PN结反向击穿的原因：31五、 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容Cb ， 二是扩散电容Cd 。321、势垒电容Cb势垒电容示意图 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的

13、积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2、扩散电容Cd扩散电容示意图 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。33结电容：若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！要考虑其电容特性： PN结正偏时，扩散电容Cd起主要作用； PN结反偏时，势垒电容Cb起主要作用。 结电容不是常量！Cb和 Cd 均在pF量级： Cb 一般在几 几十pF。 Cd 一般在几十 几百pF利用结电容可制成变容二极管。34问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺

14、杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率的限制？351.2 半导体二极管1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.4二极管的等效电路1.2.2二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数1.2.6 其它类型二极管1.2.5稳压二极管36小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管PN结 + 引线 + 封装 = 二极管。PN阳极阴极D371.2.1 半导体二极管的几种常见结构二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1) 点接触型二极管点接触型 PN结面积小，结电容小，允许流过的电流小，用于检波和变频等

15、高频电路。38(c)平面型(3) 平面型二极管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，结电容大，允许流过的电流大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型39一. 二极管伏安特性与PN结伏安特性的区别正向电流减小，反向饱和电流增加。uiU(BR)0UonIS201）二极管存在半导体体电阻和引线电阻；2）二极管存在表面漏电流。原因：1.2.2 二极管的伏安特性PN结伏安特性40uiU(BR)0UonIS201.正向特性开启电压Uon：正向电压超过某一数值后，才有明显的正向电流。硅：Uon0.5V；锗：Uon 0.1V正向导通电压U

16、范围：硅：0.60.8V（计算时取0.7V）锗：0.10.3V（计算时取0.2V）使用时应加限流电阻。ED(1)整个正向特性曲线近似呈现为指数形式。(2)有死区电压（iD0的区域）(3) 导通后（即uD大于死区电压后）412.反向特性硅：Is0时，导通当ua-ubUon时，导通当ua-ubUon时，导通当ua-ubUb时，D1止，表现出反向特性当Ua-Ub UZ时，DZ通，表现出反向击穿特性反向击穿稳压当Ua-Ub UZ时，DZ止，电流为0，未击穿-反向截止D2D1UZrdabD2，UZ，rd是反向特性的等效电路D1是正向特性的等效电路当Ua7V， 0，雪崩击穿UZ4V， 0，齐纳击穿4VUZ

17、 基区掺杂浓度3. 集电区尺寸发射区尺寸，集电区掺杂浓度VB VEVCVB VEB（P）C（N）IBIEICNPN型三极管E（N）IBIEICPNP型三极管C（P）B（N）E（P）73一、晶体管内部载流子的运动（uI=0）VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN1.发射结加正向电压，且发射区杂质浓度高，大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。同时，空穴从基区向发射区扩散，但基区杂质浓度低，所以空穴形成的电流非常小，近似分析时可以忽略不计。可见，扩散运动形成了发射极电流IE（发射载流子）由发射区向基区扩散形成的电子电流扩散电流IEN、基区向发射区扩散所形成的空穴电

18、流IEP2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB基区内复合运动所形成的电流为复合电流IBN74一、晶体管内部载流子的运动（uI=0）VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN3.由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，但数量很小，忽略不计。可见，在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成集电极电流基区非平衡少子(发射区扩散到基区但未被复合的自由电子)漂移至集电区形成的电流为漂移电流ICN4.集电结的反向电流（少子漂移）平衡少子在集电区与基区之间

19、的漂移运动所形成的电流为反向饱和电流ICBO75一、晶体管内部载流子的运动（uI=0）VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE（发射载流子）扩散电流IEN、IEP2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB复合电流IBN3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流（收集载流子）漂移电流ICN4.集电结的反向电流（少子漂移）反向饱和电流ICBO大小极小大76二、晶体管的电流分配关系VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN从外部看77三、晶体管的共射电流放大系数定义：称为共射直流

20、电流放大系数则：ICEO=(1+)ICBO称为穿透电流VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN78VBBNPNIENIBNICBOIEPRbRCVCCICIBIEICN故：因：很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电流IC，从而实现了电流放大作用。79设输入uI，则产生iB 和iC定义：称为共射交流电流放大系数 的关系：和设集电极电流由IC变化到IC+iC时， 基本不变则：所以：注意：与在概念上不同，在数值上近似相等。80晶体管电路的三种组态 双极型晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，

21、如共发射极接法，也称共发射极组态，简称共射组态，见下图。共发射极接法，发射极作为公共电极；共集电极接法，集电极作为公共电极；共基极接法，基极作为公共电极；ebcIBICIE共射cbeIBIEIC共集cbeIBIEIC共基81共基电流放大系数：定义：称为共基直流电流放大系数的关系：和称为共基交流电流放大系数得或82晶体管的共射特性曲线测试线路（共发射极电路） 输入特性： 输出特性：UCE一定的情况下，发射结电压uBE与基极电流iB的关系；IB一定的情况下，集电极电流iC与管压降uCE的关系。e(N)c(N)b(P)+-uOuI-VBBRbRcVCCmAAVVuCEuBERBiBECEBRCiC输

22、入回路输出回路831.3.3 晶体管的共射特性曲线一、输入特性曲线1VUCE1V，曲线基本重合原因：UCE增大到一定程度，集电区收集载流子能力足够强，再增加UCE，IC亦不再增加，曲线基本不变。iBuBEOECBiBuBE+-UCE=0UCE=0，与二极管的正向特性曲线类似原因：相当于两个二极管并联。0.5VUCE增大，曲线右移原因：UCE增大，集电区收集载流子能力增强，IC增加，相应地，基区复合掉的载流子数量减少，IB减少，曲线右移。要获得同样的IB，必须加大UBE，使发射区向基区注入更多电子开启电压与导通电压的概念同二极管uBE iB84二、输出特性曲线取IB=IB2，起始部分很陡， UC

23、E1V后，较平坦。原因：UCE较小时， UCE增加，集电区收集能力增强，使IC增强；UCE1V后，集电区收集能力足够大，IC不再增强。IB取不同的值，可得到一组曲线。原因： 相同UCE下，IB增加， IC增加，曲线上移。iCuCEECB+-uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB585晶体管的三个工作区域放大区：发射结正偏，集电结反偏特点：iC=IB； uCE增加，iC基本不变截止区：发射结电压小于开启电压Uon且集电结反偏。特点：IB=0，iCICEO饱和区：发射结正偏，集电结正偏特点：uCE uBE ，iCUon且 uBEUon且 uBEuCE IC IB，UCE(sat)0.3V

24、 (3) 截止区：发射结反偏，集电结反偏。 uBEUon且 uBEPCM时，管子被损坏。uCEiC0过损耗区ICMU(BR)CEO安全工作区9090iBuBE6020 OUBE1UBE2uCEiC0IB=0IB1IB1IB2IB2IB3IB36020 iCiCICEO1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响2.温度对ICBO(ICEO )的影响。温度增加，使ICBO增加- ICEO增加。iBuBE6020 OUBE1UBE2温度增加，输入曲线左移。（与二极管类似）1.温度对输入曲线的影响。温度增加，输出曲线上移-增加。3.温度对输出曲线的影响。IC温度升高，少子运动加剧，反向饱和电流增加；温度升

25、高，加快了基区注入载流子的扩散速度，在基区电子与空穴的复合数目减小，因而增加。9191例1.3.1 测得电路中NPN管各极的电位，判断各管的工作状态T1发射结正偏集电结反偏放大T2发射结正偏集电结正偏饱和T3发射结正偏集电结反偏放大T4发射结零偏集电结反偏截止解：判据：发射结正偏，且UBEUon，集电结反偏；放大 发射结正偏，集电结正偏； 饱和 发射结反偏，或UBEUon，集电结反偏；截止92例： 如右图所示，=50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k。 当VBB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？UCEVCCVBBRCUBEebcIBIC当VBB =

26、-2V时：三极管截止，IB=0 ， IC=0解：Q位于截止区 Q位于放大区当VBB =2V时：UCE UBE ,Q位于饱和区当VBB =5V时：93例： 如右图所示，=50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k。 当VBB = -2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？解： IBS:临界饱和时(UBE=UCE)基极应注入的电流UCEVCCVBBRCUBEebcIBIC0IB IBS， Q位于饱和区94例：在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的 参数如表所示，请选用一只管子。解：选用管子的依据：兼顾ICBO小， 大，安全 T1值小，T3UCEO小，T2

27、 值较大，ICBO较小, UCEO大于电源电压。故应选T295关于PNP型管子及其电路要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，VBB、VCC的极性应如图所示电流实际方向如图所示电位高低如图所示ecbe(N)c(N)b(P)+-uOuI-VBBRbRcVCCiCiBiE高中低9696例：判断图中晶体管是否有可能工作在放大状态?观察发射结偏置状态，集电结偏置状态发射结电压Uon，集电结反偏，则有可能工作在放大状态发射结正偏且Uon，集电结反偏发射结反偏，集电结零偏有可能无可能RbRc1.5V-6VReRc-6V97例题 在一工作正常的放大电路中，无输入信号时，测得三极管的三个管脚直流电位如图所示，画出

28、管子，并分别说明它是硅管还是锗管，三个管脚各是什么电极。解：（1）由放大的外部条件可知： NPN管：VCVB VE PNP管：VCVB VE则基极电位总是居中，据此可以确定基极。（2）|UBE|硅管约为0.7V，锗管约为0.2V，则与基极电位相差这个数值的电极为发射极，并由这个差值大小判断是何种材料的管子。余下的一个电极为集电极。bec硅管（3）NPN型管集电极电位最高，基极次之，发射极最低； PNP型管发射极电位最高，基极次之，集电极最低。VCVB VB VENPN型3.7V12V3V第5版习题P54 1.9第4版习题P.70 1.999例题 在一工作正常的放大电路中，无输入信号时，测得三极

29、管的两个管脚的电流大小及流向如图所示，求另一电极的电流，标出其实际方向，画出管子，且求出它们的电流放大系数。cbeNPN型0.1mA5mA解：对于NPN管来说，基极电流和集电极电流都是流入晶体管的，只有发射极电流是流出的且等于前两者之和判断方法：如果一个晶体管中只有一个电流流出且电流最大，则该流出电流一定是NPN管的发射极电流，另两个电流中的大者一般是集电极电流。类似地，如果一个晶体管中只有一个电流流入的，则该流入电流一定是PNP管的发射极电流，另两个电流中大者一般是集电极电流。5.1mA习题P54(第4版P70) 1.8100 光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间

30、接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。 从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作用，在集电极可以输出很大的光电流。1.3.6 光电三极管101光电耦合器特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强； 传输信号失真小，工作稳定可靠。功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。工作原理：输入端加电信号 发光二极管发光光电三极管受光产生电流输出102放大、开关。电流控制器件，有电流放大作用。三极管的主要特点三极管的应用103习题（写在作业本上）P70: 1.9, 1.10, 1.11思考题：P39 自测题：P67 新版（第5版

31、）第4版习题（写在作业本上）P54: 1.9, 1.10, 1.11思考题：P33 自测题：P52104EBCECBEBCBECEBC一、目测判别极性半导体晶体管的识别105红表笔是(表内电源)负极黑表笔是(表内电源)正极基极B的判断： 当黑（红）表笔接触某一极，红（黑）表笔分别接触另两个极时，万用表指示为低阻，则该极为基极，该管为NPN（PNP）。在 R1k 挡测量测量时手不要接触引脚C、E极的判断： 基极确定后，比较B与另外两个极间的正向电阻，较大者为发射极E，较小者为集电极C。二、用指针式万用表判断三极管极性106型 号UCBO/VUCEO/VICM/APCM/WhFET/MHz9011

32、（NPN）50300.030.4282003709012（PNP）40200.50.625642009013（NPN）40200.50.625642009014（NPN）50450.10.6256018002709015（PNP）50450.10.45606001909016（NPN）30200.0250.4282006209018（NPN）30150.050.42820011008050（NPN）40251.51.0853001108550（PNP）40251.51.0603002002N54011500.61.0601002N55501400.61.0601002N55511600.61.

33、0801002SC945500.10.25906002002SC1815500.150.470700802SC9652050.751806001502N54001200.61.040100常用晶体管1071.4 场效应管场效应管(Field Effect Transistor，FET)是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件（VCCS）。它仅靠半导体中的一种载流子导电，又称单极型晶体管。其作用有放大、开关、可变电阻。特点：输入电流很小，耗能小；输入电阻很大；便于集成分类：结型（N沟道、P沟道）绝缘栅型 增强型（N沟道、P沟道） 耗尽型（N沟道、P沟道）108场效应管（FET）是一种不同于双极型

34、晶体管（BJT）的一种半导体器件。双极型晶体管（BJT）有两种载流子（多子、少子）场效应管（FET）有一种载流子工作机理不同双极型晶体管（BJT）电流控制方式场效应管（FET）电压控制方式控制方式不同场效应管有三个极：栅极（g）、源极（s）、漏极（d），对应于晶体管的b、e、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1091.4.1 结型场效应管（JFET）JFET分类及符号gdsN沟道gdsP沟道110耗尽层NPsgd结构示意图上面的P型区和下面的P型衬底连在一起，引出电极称为栅极G； N型区的两边各引出一个电极称为源极S和漏极D；两个PN结(耗尽

35、层)（上、下）；中间的N型区称为导电沟道（内有很多电子，在外加电压作用下 定向移动形成电流）； 实际结构图 Ns源极g栅极d 漏极PP NN沟道衬底JFET结构（以N沟道为例）111一、结型场效应管的工作原理1. uDS=0，uGS对导电沟道宽度的控制作用uGS=0，PN结零偏，导电沟道很宽；UGS(off)：夹断电压（注意是一个负值）uGSUGS(off)0时，沟道消失，称夹断；uGS0，沟道两端有电压差，产生iD；由于沟道中各点与栅极 电压不同，uGD(=uGS-uDS)uGS0，沟道呈楔形， 漏极窄，源极宽。当uGS为UGS(off) 0 中某一固定值时，(UGS(off) uGS 0)

36、uDS=0，沟道两端无电压，iD=0；iD=0sgdVGGuGSPPsgdVGG(uGS)VDDiD(uDS)113uDS增加，iD随之线性增加，d-s间呈现电阻性； 沟道电阻的大小，决定于沟道宽度，即决定于uGS。uDSiDO可变电阻rD2=1/k2rD1=1/k1uGS2uGS1sgdVGG(uGS)VDDiD(uDS)uGS1 uGS2 0114预夹断之后，uDS增加，增加的电压几乎全部落在夹断区，沟道两端的电压几乎不变，iD几乎不变，呈现出恒流特性；sgVGG(uGS)VDDiD(uDS)uDS再增加，uGD减小，当uGD=UGS（off）时，漏极一端产生夹断，称为预夹断；d(uDS)

37、sgVGG(uGS)VDDiD结论： uGS 一定时， (UGS(off) uGS 0 )。 uDS增加使沟道产生预夹断，预夹断之前，d-s间呈电阻性； 预夹断之后，d-s间电流呈饱和性。1153. uGDUGS(off)（预夹断之后），uGS对iD的控制作用结论：即预夹断之后， uDS一定时，uGS变化，会使iD发生变化。 uGS越负，沟道越窄，iD越小。uDSiDO可变电阻恒流uGS1uGS2sgVGG(uGS)VDDiD(uDS)116定义：称为低频跨导显然，uGS会引起iD，为了反映变化量之间的关系结论： (1) 当预夹断之前，对应于不同的uGS，d-s间等效成不同 阻值的电阻； (2

38、) 当预夹断之后，对应于不同的uGS，会产生不同的iD， 与uDS无关，可以把iD近似看成受uGS控制的电流源； (3) 预夹断条件： uGD=UGS(off)即 uGS-uDS=UGS(off)117二、结型场效应管的特性曲线1. 输出特性曲线uDSiD-4VO-3V-2V-1VUGS=0可变电阻区夹断区预夹断轨迹恒流区击穿区原因：uDSUGS(off)未产生夹断， 沟道呈电阻性。uGS不同，沟道宽度不同，电阻不同。可变电阻区（也称非饱和区）特点：uDS增加，iD增加，d-s间 呈电阻性；不同的UGS， 斜率不同，电阻不同预夹断轨迹：uDS=uGS-UGS(off) 即uGD=UGS(off

39、)118恒流区（也称饱和区）特点：iD基本不变；UGS不同，iD 不同；原因：uDSuGS-UGS(off)，产生预 夹断，iD基本不变； UGS不同，沟道宽度不同， iD不同。 变阻区和恒流区的界限： uDS=uGS-UGS(off)，即 uGD=UGS(off)。预夹断轨迹：uDS=uGS-UGS(off) 即uGD=UGS(off)uDSiD-4VO-3V-2V-1VUGS=0可变电阻区夹断区预夹断轨迹恒流区击穿区iD近似为uGS控制的电流源119夹断区（也称截止区）特点： iD0原因： uGSuGS-UGS(off) -状态：d-s间相当于一个大小由uGS控制的压控电流源； 夹断区：

40、-条件： uGS UGS(off)0，DS短接此时，栅极接正，衬底接负，衬底中的多子空穴被排斥到下方，上面形成耗尽层。且uGS越大，耗尽层越宽。N+N+耗尽层PdgsuGSB通常源极和衬底是连在一起的N+N+sgdBP（衬底）127当uGS=UGS(th)时，衬底中的少子电子被吸引到耗尽层，形成N型薄层，称为反型层。该反型层即导电沟道。uGS再，则反型层加宽，沟道变宽。N+N+反型层PdgsuGSBUGS(th)称为开启电压。 uGSUGS(th)，uDS0uDS很小时，uGD = uGS-uDSUGS(th)，由于S端电压低于D端电压，故S端沟道宽，D端沟道窄，沟道仍呈楔型。沟道中的电子在u

41、DS的作用下形成电流iD。且uDSiD，呈现电阻性。电阻的大小与uGS有关N+N+PdgsuGSBuDSiD大到一定值才开启128uGS对iD的影响：uGS沟道宽度iD当uDSuGD=UGS(th)时，D端反型层消失，沟道被夹断，称为预夹断（因S端未被夹断）；N+N+PdgsuGSBuDSiDN+N+PdgsuGSBuDS预夹断后，uDS，夹断长度，uDS增加的电压大部分落在夹断区，沟道上电压几乎不，故iD基本不，呈饱和性。iD1292特性曲线与电流方程输出特性曲线与结型类似，分为三个区。不同之处在于UGS(th) 0。转移特性曲线与结型形状类似，但在第一象限，因UGS(th) 0。IDOiD

42、uGSUGS(th)O2UGS(th)转移特性曲线输出特性曲线uDSiDUGS=UGS(th)OUGS1UGS2UGS3=2UGS(th)可变电阻区夹断区预夹断轨迹uDS=uGS-UGS(th)恒流区IDO方程：IDO：uGS=2UGS(th) 时的ID130二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管情况与增强型类似。不同的只是开启电压不同。增强型UGS(th)0，耗尽型UGS(off)0。uGSUGS(off)时，在d-s间加正压，有电流iD产生。结构与增强型类似，只不过在二氧化硅中加入大量正离子，故在uGS=0时，即有反型层存在。符号：gsdBN沟道gsdBP沟道PdgsuGSBNN反型层+ + +

43、+ + + + + + 耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。131uDSiDUGS=UGS(off) 0；增强型MOS管UGS(th)0。特性曲线：将N沟道对应曲线旋转180度 即得gdsVGGVDDiDRD+uI+uO134例：P沟道结型场效应管的特性曲线gdsP沟道iDuGSiDIDSSuGSUGS(off)P沟道0uGSUGS(off)，iD0旋转180度iDIDSSuGSUGS(off)N沟道UGS(off) uGS0gdsN沟道uGSiD135uDSiDOUGS=

44、0UGS(off)0，iD0uDSiDOUGS=0UGS(off)0P沟道，uDS0，iD0，uDS0，故为N沟道因uGS(th) =4V0，故为增强型MOS140解：uI=0V时，uGS=0VuGS(th)=4V，全夹断，iD=0，uO=15VuI=8V时，iD=1mA，uO=VDD-iDRD=15-15=10VuI=10V时， uGS=10V ，在恒流区，iD=2.2mA， uO=VDD-iDRD=15-2.25=4V ? ? ?例：电路如图示，管子的输出特性曲线如图示，分析uI为0、8、10V三种情况下uO分别为多少伏？uDS/ViD/mAO10V4V6V8V12 3 6 9 12 15

45、VDD=15V+uI-+uO-gsdiD5k141但实际上，uGS=10V时的预夹断电压为uDS= uGS - uGS(th)=10 - 4=6V说明管子未产生预夹断，工作在可变电阻区。iD4V要使管子工作在恒流区，需满足uDSuGS-UGS(off)=4V143场效应管(FET)和双极型晶体管(BJT)比较这两种管子有很大的不同，应用时请注意它们的特点。导电机构： 一种载流子（单极型）工作控制方式 ： 压控输入阻抗： 1081012放大能力： gm 小工艺 ： 简单，易集成使用： DS 可置换辐射光照温度特性： 好抗干扰能力： 好. FETBJT导电机构 ： 多子、少子（双极型）工作控制方式

46、 ： 流控 输入阻抗： 102103放大能力 ： 大工艺： 复杂使用： CE不可置换辐射光照温度特性： 不好抗干扰能力 ： 差144使用FET的几点注意事项：保存：注意将几个管脚短路（用金属丝捆绑）测量：一般不可测（MOS）。（为什么？）焊接：各电极焊接顺序为： SDG断电焊接。电烙铁要有中线。 145习题（写在作业本上）P71: 1.13, 1.14, 1.15思考题：P53 自测题：P67 新版（第5版）第4版习题（写在作业本上）P55: 1.13, 1.14思考题：P45 自测题：P52146一、工作在恒流区时电压uGS，uDS 的极性复习：1.结型N沟道:P沟道:2.绝缘栅型N沟道:P

47、沟道:增强型耗尽型N沟道:P沟道:147二、写出场效应管输出特性中三个工作区域的名称及条件123结型N沟道:增强型NMOS:耗尽型NMOS:1.三个工作区域2.三个工作区域的条件148种 类符 号转移特性曲线输出特性曲线 结型N 沟道耗尽型 结型P 沟道耗尽型 绝缘栅型 N 沟道增强型SGDSGDIDUGS= 0V+UDS+oSGDBUGSIDOUGS(th)各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UGS(th)UDSID+OIDUGS= 0V-UDSOUGSIDUGS(off)IDSSOUGSID /mAUGS(off)IDSSO149种 类符 号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型N 沟道耗

48、尽型绝缘栅型P 沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUGS(off)IDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUGS(th)OIDUGSUGS(off)IDSSO_IDUGS=UGS(th)UDS_o_UGS= 0V+_IDUDSo+150第一章总结主要内容 半导体的基础知识 二极管、三极管、场效应管的结构、工作原理和特性曲线重点掌握：1. 概念：两种载流子；扩散运动和漂移运动； PN结的形成；PN结的单向导电性。2.理解二极管的伏安特性曲线及特性方程3.会分析简单的二极管电路4.理解稳压管的稳压作用1515. 理解三极管的放大作用和开关作用6.理解三极管的特性曲线7.会分析三极管的三种工作状态8.理解场效应管的放大作用、开关作用和变阻作用9.理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态10.会分析场效应管的三种工作状态152一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 自由电子空穴 价电子两 种半导体N 型 (多电子)P 型 (多空穴)二、二极管1. 特性 单向导电性正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。153iDO uDU (BR)I FURM2. 主要参数正向 最大平均电流 IF反向 最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流 IR (