《半导体器件的特性》PPT课件.ppt

1、电 子 学 基 础,制作：王林炜,第一章 半导体器件的特性,1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管 1.5 场效应管,第一章 半导体器件的特性,1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性 二、杂质半导体的导电特性,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,导 体,绝缘体,半导体, 104cm, 109cm,半导体的导电性能由其原子结构决定,以硅、锗为例：硅的原子序数是14，锗 的原子序数是32，它们有一个共同点，即都 是4价元素，且都

2、具有晶格结构。,本征半导体,纯净的、不含其他 杂质的半导体,T = 0K(273) ，电阻率约1014cm,一、本征半导体的导电特性,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,当温度升高，如室温条件,自由电子,空 穴,空穴是半导体 区别于导体的重要特征,空穴 运动,共有电子的填补运动 相当于正电荷的运动,将物质内部运载电荷的粒子称为载流子，物质 的导电能力取决于载流子的数目和运动速度。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,半导体中存在两种载流子,本征半导体中自由电子和空穴成对出现，称为 电子 空穴对，故两种载流子的浓

3、度是相同的。,一、本征半导体的导电特性,由于物质的热运动，半导体中的电子空穴对不断地 产生，同时，当电子与空穴相遇时又因复合而使电子空 穴对消失。在一定温度下，产生和复合两种运动达到了动 态平衡，使电子空穴对的浓度一定。本征半导体中载流 子的浓度，除与半导体材料本身的性质有关外，还与温度 密切相关，随温度的升高，基本上按指数规律增加。故本 征载流子对温度十分敏感。硅材料每升高8、锗材料每 升高12，本征载流子浓度增加一倍；可见温度是影响半 导体导电性能的一个重要因素。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,一、本征半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特

4、性,本征半导体中虽存在两种载流子，但 因本征载流子浓度很低，所以导电能力很 差。若在本征半导体中掺入某种特定的杂 质，成为杂质半导体，则它们的导电性能 将发生显著变化。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,根据掺杂的不同，杂质半导体可分为 N型和P型两种。,1、 N型半导体,如果在硅或锗的晶体中掺入少量的5价元素，如 磷、砷、锑等，则原来晶格中的某些硅原子将被5价 杂质原子代替。由于杂质原子最外层有5个价电子， 因此它与周围4个硅原子组 成共价键时多余一个电子。 这个电子不受共价键束缚， 只受自身原子核的吸引，这 种束缚较弱，在室温条件下 即可成为自由

5、电子。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,在这种杂质半导体中，自由电子的浓度 将大大高于空穴的浓度，即np。因此这类 半导体主要依靠电子导电，故称为电子型半 导体或N型半导体(由于电子带负电，故用 Negative表示)，其中的 5 价杂质原子可以提 供电子，所以称为施主原子。N 型半导体中 的自由电子称为多数载流子 (简称多子)，而 其中的空穴称为少数载流子 (简称少子)。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,2、P型半导体,如果在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素, 如硼、镓、铟等，此时 杂质原子最外层

6、有3个 价电子，因此它与周围 4个硅原子组成共价键 时，由于缺少一个电子 而形成空穴，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,因此，在这种杂质半导体中，空穴的浓 度将比自由电子的浓度高的多，即 p n。 因此这类半导体主要依靠空穴导电，故称为 空穴型半导体或P型半导体 (由于电子带正 电，故用 Positive 表示)，这种3价杂质原子 能够产生多余的空穴，起着接受电子的作 用，故称为受主原子。在 P型半导体中多子 是空穴，少子是电子。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,* 在杂质半导体中，多子的浓度

7、主要取决 于掺入的杂质浓度，且基本上等于杂质的浓 度；少子的浓度虽然很低，但受温度影响显 著；多子的浓度基本不受温度影响。,第一章 半导体器件的特性 1.1 半导体的导电特性,二、杂质半导体的导电特性,1.2 PN结,一、PN结的形成 二、 PN结的单向导电性,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、 PN结的形成,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,一、PN结的形成,如果将一块半导体的一侧掺 杂成 P型半导体，而另一侧掺杂 成 N型半导体。,在交界处将形成一个由不能 移动的正、负离子组成的空间电 荷区，也就是PN结。,耗尽层,阻挡层,内电场对应的电位差VD称电位壁垒,硅材料约 0

8、.6 0.8V 锗材料约 0.2 0.3V,多子 扩散,少子 漂移,如果PN结两端加上不同极性的直流电压，就可以打破上 述的动态平衡。,二、 PN结的单向导电性,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,外电源的正极接P区，负 极接N区时，称为正向偏置， 即PN结加正向电压。,加正向电压，PN结导通,如果PN结两端加上不同极性的直流电压，就可以打破上 述的动态平衡。,二、 PN结的单向导电性,第一章 半导体器件的特性 1.2 PN结,二、PN结的单向导电性,外电源的正极接N区，负 极接P区时，称为反向偏置， 即PN结加反向电压。,加反向电压，PN结截止,1.3 二极管,

9、一、二极管的结构 二、二极管的伏安特性 三、稳压二极管 四、二极管电路,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,一、二极管的结构及分类,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,一、二极管的结构,在PN结两端引出相应的电极并加上外 壳，就制成一个半导体二极管，如图所示。,按结构分,点接触型,面接触型,按材料分,平面型,硅管,锗管,按用途分,整流二极管,检波二极管,发光二极管,稳压二极管,由P区引出的电极叫正(或阳)极(A)，由N区 引出的电极叫负(或阴)极(K)，符号中的箭 头方向表示正向导通(即电流)方向。,二、二极管的伏安特性,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特

10、性,1、PN结的伏安特性,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,正 向 特 性,反 向 特 性,二、二极管的伏安特性,1、PN结的伏安特性,2、二极管的伏安特性,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,二、二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可以用逐点测量的方法测绘,二极管的伏安特性与PN结的 伏安特性略有差别，原因在于：,二极管正向偏置时, PN结以外P区和 N区的体电阻、电极的接触电阻及引线 电阻的存在，使正向电流有所减小；,在反向偏置时, 由于PN结表面漏电 流的存在，使反向电流稍有增大，且 随反向电压的增高略有增加。,当反向电压继续升高

11、超过V(BR)以后, 反向电流将急剧增大，此现象称为二极 管的击穿，V(BR)称为反向击穿电压。,门限电压 开启电压,开启电压：硅管0.5V左右 锗管0.1V左右,二极管正常导通工作时的管 压降：硅管0.7V，锗管0.3V。,3、二极管的主要参数,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、二极管的主要参数,、最大正向电流IFM：指二极管长期工作时允许通过 的最大正向平均电流。IFM的数值由二极管温升(PN 结的面积、材料和散热条件)所限定。管子使用时 不应超过此值，否则可能使二极管过热而损坏。,、反向峰值电压VRM：指二极管在正常使用时, 不允 许超过的反向电压的极限值。为确保管子工作安

12、全，通常反向峰值电压VRM为击穿电压V(BR) 的一 半，即,、最高工作频率fM：二极管具有单向导电性的最高 工作频率, 其值主要由管子的势垒电容和扩散电容的 大小决定。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、二极管的主要参数,二极管的参数反映二极管性能好坏，是选择使用 二极管的依据。二极管的类型和参数可从半导体器件 手册中查出。,、反向直流电流IR(sat)：指二极管未被击穿时的反向 直流电流， IR(sat)越小，管子的单向导电性越好。,3、二极管的主要参数,三、稳压二极管,稳压二极管简称稳压管，实质是一个面接触型硅 二极管，具有陡峭的反向击穿特性，通常工作在反向 击穿状态。,第一

13、章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,1、稳压管的伏安特性,当稳压管处于击穿状 态时，反向电流的变化量 Iz较大时, 引起管子两端 的电压变化量Vz却很小, 说明其具有“稳压”特性。,稳压管除在制造工艺上保证其能在反向击穿状 态下长期工作，外部电路还应有限流措施，否则， 流过稳压管的电流超过其最大允许电流，稳压管就 会因热击穿而损坏。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,由图可以看出击穿特性 越陡，稳压性能越好。 引入描述稳压管稳压性 能的参量：动态内阻rz,1、稳压管的伏安特性,2、主要参数,(1) 稳定电压Vz：稳压管正常工作时的稳定压值。 (2)

14、 稳定电流 Iz：使稳压管正常工作时的参考电流。 (3) 动态电阻 rz：稳压管正常工作时的电压变化量与 电流变化量之比，即 它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，rz越小稳压 性能越好。 (4) 最大稳定电流Izmax和最小稳定电流Izmin 即稳压管的最大和最小工作电流。,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,三、稳压二极管.,四、二极管电路,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,四、二极管电路,1、限幅电路,理想二极管,二极管限幅电路,理想开关,第一章 半导体器件的特性 1.3 二极管,四、二极管电路,2、稳压电路,稳压原理,负载RL不变，VI 变化,VI不变，负载RL变化,1.4

15、双极型晶极管,一、晶体管的结构 二、晶体管的放大作用 三、晶体管的共射组态特性曲线 四、晶体管的主要参数,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,双极型晶体管简称三极管或晶体管。从结构上看, 晶体管相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如图 所示。,根据PN结的结合方式不同，可分为PNP和NPN 两种类型；根据材料的不同，又有硅管和锗管之分。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,无论是PNP型还是NPN型三极管，均可分为三个区，即发 射区、基区和集电区。从这三个区分别引出三个

16、电极，即发射 极 (emitter) e、基极(base) b、集电极(collector) c。发射区和集电 区都是同类型的半导体(N型或P型)。发射区的掺杂浓度要比集 电区大，以便发射更多的载流子；集电区的面积比发射区大， 以便收集载流子。基区做的很薄 ( 约几微米几十微米 )，且掺 杂浓度低，这样形成两个靠的很近的PN结。基区和发射区之间 的PN结叫做发射结，基区和 集电区之间的PN结叫做集电 结。这种结构使基极起着控制 多子流动的作用。,符号中的箭头方向表示发射结正向偏 置时发射极电流的方向。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,PNP型和NPN型三极管的

17、工作 原理是相同的，现以NPN型三极管 为例说明三极管的工作原理。晶体 管具有放大作用和开关作用，模拟 电路部分只讨论放大作用。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,一、晶体管的结构,二、晶体管的放大作用,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,放大 电路,输入端,输出端,公共端,利用晶体管的放大作用 组成放大电路时，晶体管的 三个电极中一个极作为输入 端，一个极作为输出端，还 有一个极作为输入和输出的 公共端。根据接公共端电极 的不同，晶体管有三种不同 的连接方式：共基极，共发 射极和共集电极接法。,无论那种接法，要使三极管 具有放大作用，必须在各电

18、极间 加上极性适当的电压，使发射结 处于正向偏置，集电结处于反向 偏置。这是三极管实现放大作用 的外部条件。,NPN管,PNP管,1、晶体管内部载流子的运动规律,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,(1) 发射区向基区发射电子,当发射结正向偏置时，发射区有大量的电 子向基区扩散，形成发射极电流IE ( 注：电流 方向与电子扩散方向相反 )。同时，基区空穴 也会扩散到发射区形成空穴电流， 它也是IE的组成部分，只不过基区 的空穴浓度太低，故空穴电流与电 子电流相比，可忽略。,(2) 电子在基区中扩散与复合,(3) 集电区收集电子,第一章 半导体器件的特性 1.4

19、 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,集电结反向偏置，使集电结内电场很强，因而它阻止集电 区电子向基区扩散，但有利于从发射区扩散到基区的大量电子 穿过集电结，从而被集电极收集形成集电极电流 IC 。实际上IC 还应包括集电结两边的少子漂移所形成的反向饱和电流 ICBO， 但常因其数值很小，可忽略，但其受温度影响显著。,在基区中，同时存在着扩散和复合两种过 程，但扩散占优势，复合形成基极电流IB是很 小的。,2、晶体管直流电流传输方程,(1) 共基极直流电流传输方程,由发射区传输到集电区 的电流ICN与IE之间保持一定 的比例，比例系数称为共基 极电流放大系数hFB。, 共基极直流电流传输方程,

20、第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,则,即：,由图可得晶体管三个电极的电流关系,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,(2) 共发射极直流电流传输方程,虽然共发射极放大电路和共基极放大电路的放大性 能各不相同，但管内载流子的运动规律相同，因此， 可从前面讨论得到的晶体管三个电极的电流基本关系, 导出共射电路的直流电流传输方程。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,表示基极开路(IB = 0)时，集电极到发射极的直通电流，称为穿透电流。,如果取电流变化量，则有 IC = hfeIB，其 中hfe叫

21、交流电流放大系数。这表明基极电流一 个小的变化IB，可以引起集电极电流一个大的 变化IC。这就是晶体三极管的电流放大作用。 需要说明的是，hFE与hfe的含义是不同的，但对 大多数三极管，hFE与hfe的数值相差不大，故在 计算时，不严格区分。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,ICICEO,(3) 共集电极直流电流传输方程,共集电极电路中，输入电流为IB，输出电 流为IE。故共集电极直流电流传输方程为：,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,二、晶体管的放大作用,晶体管三个电极的直流电流关系,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶

22、体管的主要参数,晶体管外部各极电流和电压的关系 曲线，称为晶体管的特性曲线，特性曲 线全面反映了晶体管性能，是分析放大 电路的重要依据。对于晶体管不同的连 接方式，有不同的特性曲线，下面讨论 的是最常用的共发射极接法的输入特性 和输出特性。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,三、晶体管的共射组态特性曲线,测量共射极特性曲线的电路,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,1、输入特性曲线,指集射电压VCE一定时, 基极电流IB与基射极电压

23、 VBE之间的函数关系曲线。,对硅管而言VCE1V时，反向偏置的集电结的内电场已 足够强，且基区很薄，可以把发射区扩散到基区的电子绝大 部分拉入集电区，此时再增大VCE，只要VBE不变(从发射区 扩散到基区的电子数就一定)，IB也就不在明显减小，这就是 VCE1V后的输入特性曲线基本上是重合的原因。,与二极管(正向特性)一 样，晶体管的输入特性曲线 亦为一指数曲线，也有一开 启电压，硅管约0.5V；锗管 0.2V)。正常工作时，VBE很 小，硅管约0.7V(锗管的约 0.3V)左右。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,1、输入特性曲线,指基极电流IB

24、为常 数时，集电极电流IC与 集射极电压VCE之间的 函数关系曲线，即,在 IB 取不同值时，可得出不同的曲线，所以晶 体管的输出特性是一个曲线簇，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,2、输出特性曲线,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,2、输出特性曲线,当VCE从 0V升高到1V左右， IC 随VCE升高而很快增加。这是因 为VCE很小时，加在集电结的反向 电压很小，不能把发射区注入基 区的电子大部分拉过去；随着VCE 的增大，拉过去的电子急剧增多, IC 迅速增大。,当VCE1V以后，曲线平坦，

25、IC几乎不受的VCE的影响。这是因为VCE 增大到一定数值后，已有足够能力将发射区注入基区的电子几乎全部拉 过去，VCE再增大，IC几乎不变。此时IC主要由IB决定，与VCE无关，这段 特性称为恒流特性。若VCE继续增加大于某一值时，IC将急剧增大，产生 击穿现象。,从输出特性曲线还可看出，IB = 0 (相当于基极开路)时，IC = ICEO 0。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,2、输出特性曲线,放大区,截止区,饱和区,通常把晶体管输 出特性曲线分为三个 工作区。,截止区：即图中为IB=0 特性曲线下的阴影部分(IB 0的的区域)。该区特点：

26、e结和c结均处于反向偏置， 晶体管失去了放大能力; 处 于截止状态, IC = ICEO0; c极和e极间等效阻抗很大， 相当于断开的开关。,放大区：放大区内各条特性 曲线比较平坦，近似为水平的直 线，表示 IB一定时，IC基本不随 VCE而变化。该区特点：e结正向 偏置, c结反向偏置, IC随IB变化。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,三、晶体管的共射组态特性曲线,2、输出特性曲线,放大区,截止区,饱和区,饱和区：图中虚线左 边的阴影部分，由各条输 出特性曲线的上升部分构 成。此区域内不同IB值的 各条特性曲线基本重叠在 一起，表明在VCE较小时, 管子的集电极电流IC基本

27、 不随基极电流IB而变化， 称为饱和。,一般认为当VCE = VBE，即VCB= 0时，三极 管达到临界饱和状态，当VCEVBE时称为 过饱和。三极管饱和时的管压降记为VCES 该区特点: e结和c 结均处于正向偏置，晶 体管失去放大能力；此时三极管的饱和管 压降VCES很小(一般小功率硅管的VCES0.4 V)；c极和e极间相当于接通的开关。,四、晶体管的主要参数,低频时hfe值不变，记为hfeo， 高频时hfe随 f的升高而减小； 图中 共射极截止频率； fT：特征频率。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶体管的主要参数,1、 电流放大系数,共射直流电 流放大系数,共射

28、交流电 流放大系数,ICBO为e极开路，集电结反向偏置时，基极回路 中的集电极反向饱和电流。ICEO为集射反向穿透 电流。,第一章 半导体器件的特性 1.4 双极型晶极管,四、晶体管的主要参数,2、极间反向电流ICBO和ICEO,ICEO = (1+ hfe)ICBO,3、极限参数, 集电极最大允许电流ICM 集电极最大功耗 PCM = ICMVCE 集基极反向击穿电压V(BR)CBO 集射极反向击穿电压V(BR)CEO 射基极反向击穿电压V(BR)EBO,1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管 二、N沟道增强型MOS场效应管 三、N沟道耗尽型MOS场效应管 四、场效应管的主要参数,第一章 半

29、导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,前面介绍的晶体管又称双极型三极管，这是因 为这类三极管参与导电的有两种极性的载流子：多 子和少子。现在要讨论另一种类型的三极管，它们 依靠一种极性的载流子(多子)参与导电，所以称为 单极型三极管。又因这类管子是利用电场效应来控 制电流的，因此又称场效应管。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,场效应管其外观与普通晶体管相似，但它们 的控制特性却截然不同，普通晶体管是电流控制 元件，即通过基极电流来控制集电极电流，晶体 管要求信号源必须提供一定的电流才能工作，因 此它的输入电阻较低，仅102104。场效应管是

30、电压控制元件，它的输出电流取决于输入电压的 大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的 输入电阻很高，高达1091014 。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,一、绝缘栅型场效应管,场效应管按其结构的不同分为两大类：结型场 效应管，绝缘栅型场效应管。本节只讨论绝缘栅型 场效应管的结构、工作原理和特性曲线。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,一、绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应管由金属(metal)、氧化物(oxide) 和半导体(semiconductor)制成，所以又称为金属氧 化物半导体场效应管，简称MOS场效应管。由于这 类场效应管的栅极被绝缘层

31、(如SiO2)隔离，因此其输入 电阻很高，达109以上。以导电沟道来分，MOS管有 N沟道和P沟道两种类型。无论N沟道或P沟道，又都可 以分为增强型和耗尽型两种。这里首先介绍 N沟道增 强型MOS管的结构、工作原理和特性曲线。,二、N沟道增强型MOS场效应管,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,1、结构,N沟道增强型MOS场效应管的结构如图所示用一块掺杂浓 度较低的P型半导体作为衬底，在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘 层，再在SiO2绝缘层上刻出两个窗口， 通过扩散形成两个高掺杂的N区(用N 表示)，分别引出源极S和漏极D，然后 在源极和漏极之间的SiO

32、2上面引出栅极 G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬 底也引出一根线，用B表示，通常情况 下将它与源极在管子内部连接在一起。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,2、工作原理,从图可知，N型源区与N型漏区之间被P型衬底隔开，漏极 和源极之间是两个背靠背的PN结，当栅源电压VGS = 0时，不 管漏极和源极之间所加的电压极性如何，总是不能导电。,如果在栅极和源极之间加正向电压VGS (0)，此 时栅极的金属极板(铝)与P型衬底之间构成一个平行板 电容，中间为SiO2绝缘层作为介质。由于栅极的电压 为正，它所产生的电场对P型衬底

33、中的多子(空穴)起排 斥作用，对少子(电子)有吸引 作用。即P型衬底中的少子(电 子)在电场作用下吸引到靠近 SiO2的一侧，与空穴复合，形 成由负离子组成的耗尽层。耗 尽层的宽度随VGS的增大而变宽。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,当VGS增大到一定值时，由于吸引了足够多的电 子，便在SiO2绝缘层与耗尽层之间形成了由电子作为 多数载流子的表面电荷层，如图所示。因为是在P型 半导体中感应产生出N型 电荷层，所以称之为反型 层。于是，在漏极和源极 之间有了N型的导电沟道 (与P型衬底间被耗尽层隔 开)。开始形成反型层所需 的VGS称为开启电压，用

34、VGS(th)表示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,由于在漏极和源极之间形成了N型的导 电沟道。此时加上 VDS，就会产生漏极电流 ID。当VGS VGS(th)后，随着VGS的升高，感应 电荷增多，导电沟道变宽，沟道电阻减小， 在VDS不变的条件下，ID随之增加。这表明 VGS对漏极电流ID有控制作用。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,假设VGS为一个大于VGS(th)的固 定值，并在漏极和源极之间加上正 电压VDS，且VDSVGS(th)。此时由于 漏源之间存在导电沟道，所以将有 一个电流 ID。但因

35、 ID流过导电沟道 时产生电压降落，使沟道上各点电 位不同。沟道上靠近漏极处电位最 高，故该处栅漏之间的电位差VGD = VGSVDS最小，因而感应电荷产生的导电沟道最窄；而沟道 上靠近源极处电位最低，栅源之间的电位差VGS最大，所以导 电沟道最宽，结果，导电沟道呈现一个楔形，如图所示。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,当VDS增大时，ID将随之增大。与此 同时，导电沟道宽度的不均匀性也愈益加 剧。当VDS增大到VDS =VGSVGS(th) ，即 VGD = VGSVDS = VGS(th)时，靠近漏极处 的沟道达到临界开启的程度，出现了预夹 断的

36、情况，如图所示。如果继续增大VDS， 则沟道的夹断区逐渐延长，见图，在此过 程中，由于夹断区的沟道电阻较大，所以 当VDS逐渐增大时，增加的VDS几乎都降落 在夹断区上，而导电沟道两端的电压几乎 没有增大，即基本保持不变，漏极电流ID 因此也基本不变。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,3、特性曲线,通常用以下两种特性曲线来描述场效应管的电 流和电压之间的关系：转移特性和漏极特性。测试 场效应管特性曲线的电路如图所示。,当场效应管的漏源之间的电

37、压VDS保持不变时，漏极电流 ID 与栅源电压VGS的关系称为转移 特性。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管转移特性, 转移特性,转移特性描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用, 漏极特性,N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性曲线与晶体管的 共射极输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别， 即场效应管的漏极特性以栅源电压VGS为参变量，而晶体管 输出曲线的参变量是基极电流IB。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,漏极特性表示当 栅源电压VGS不变时, 漏极电流ID与漏源电 压VDS

38、的关系，即,N沟道增强型MOS管漏极特性曲线,N沟道增强型MOS场效 应管的漏极特性曲线可以划 分为三个区：可变电阻区、 恒流区和击穿区。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管漏极特性曲线,漏极特性中最左侧的部分，表示当VDS比较小时，ID随着 VDS的增加而直线上升两者之间基本上是线性关系，此时场 效应管似乎是一个线性电阻。不过，当VGS不同时直线的斜 率不同，相当于电阻的阻值不同；VGS越大，则相应的电阻 值越小。因该区场效应管的特性呈现为一个由VGS控制的可 变电阻，所以称为可变电阻区。, 漏极特性,N沟道增强型MOS场效 应管

39、的漏极特性曲线可以划 分为三个区：可变电阻区、 恒流区和击穿区。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管漏极特性曲线, 漏极特性,在漏极特性的中间部分，即图中左右两条虚线之间的区 域，ID基本上不随VDS而变化，ID的值主要决定于VGS。此区 域各条漏极特性曲线近似为水平的直线，故称为恒流区。,漏极特性中最右侧的部分，表示当VDS升高到一定程度 时，反向偏置的PN结被击穿，将急剧增大，这个区域称为 击穿区。,场效应管的上述两组特性曲线之间是有 联系的，可以根据漏极特性，利用作图的方 法得到相应的转移特性。,第一章 半导体器件的特性 1.

40、5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,P沟道增强型MOS场效应管的结构与N沟道增 强型MOS场效应管类似，如图所示。工作原理相 似，只是调换电源极性，电流方向也相反。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,二、N沟道增强型MOS场效应管,三 、N沟道耗尽型MOS场效应管,根据前面的介绍可知，对于N 沟道增强型MOS场效应管，只有当 VGS VGS(th)时，漏极和源极之间才 存在导电沟道。而耗尽型MOS场效 应管则不同，在制造过程中由于预 先在SiO2的绝缘层中掺入了大量的 正离子，因此，即使VGS=0，这些 正离子产生的电场也能在P型衬底 中“感应”出足够的负电荷，形成反 型层，从而产生N型导电沟道。,第一章 半导体器件的特性 1.5 场效应管,三 、N沟道耗尽型MOS场效应管,如果使VGS 0，则由于栅极接电源的负 端，其电场将削弱原来SiO2绝缘层中正离子 产生的电场，使感应负电荷减少，N型导电 沟道变窄，从而使 ID 减小。当VGS更负，达 到某一值时，感应电荷被“耗尽”，导电沟道 消失，于是 ID0。因此这种MOS场效应管 称为耗尽型。使 ID0 时的VGS称为夹断电 压，用VGS(of