半导体器件补充部分.pptx

补充补充半导体器件半导体器件半导体的特性半导体的特性半导体二极管半导体二极管双极型三极管双极型三极管(BJT)场效应三极管场效应三极管半导体的特性半导体的特性半半导导体体：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质质。大大多数半导体器件所用的主要材料是硅多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。图图 1.1.1硅原子结构硅原子结构(a)硅的原子结构图硅的原子结构图 价电子价电子+4(b)简化模型简化模型本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为本征半导体。体称为本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构。构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.2单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当当温温度度 T=0 K 时时，半半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.3本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 5 价价杂质元素，如磷、锑、砷等杂质元素，如磷、锑、砷等电电子子浓浓度度多多于于空空穴穴浓浓度度，即即 n p。电电子子为为多多数数载载流流子子，空穴为少数载流子。空穴为少数载流子。多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、二、P 型半导体型半导体掺入少量的掺入少量的 3 价价杂质元素，如硼、镓、铟等杂质元素，如硼、镓、铟等+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子。少数载流子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构半导体二极管半导体二极管PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。二、二、二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性1.PN PN 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.2.2PN2.PN PN 结结结结外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生非常小的反向电流散电流，电路中产生非常小的反向电流 IS；空间电荷区空间电荷区反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，I=f(U)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相相应应的的电电压压叫叫死死区区电电压压。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左左右右，锗锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着着电电压压的的升升高高，正正向向电电流流迅迅速速增大。增大。2.反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大，即饱和；大，即饱和；二二极极管管加加反反向向电电压压，反反向电流很小；向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，若若控控制制击击穿穿电电流流，电电压压降降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)结论：结论：二二极极管管具具有有单单向向导导电电性性。加加正正向向电电压压时时导导通通，呈呈现现很很小小的的正正向向电电阻阻，如如同同开开关关闭闭合合；加加反反向向电电压压时时截截止止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从从二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线可可以以看看出出，二二极极管管的的电电压压与与电电流流变变化化不不呈呈线线性性关关系系，其其内内阻阻不不是是常常数数，所所以以二二极极管管属于非线性器件。属于非线性器件。双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 1.3.1三极管的外形三极管的外形三极管的结构三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图图1.3.2三极管的结构三极管的结构(a)平面型平面型(NPN)NecNPb二氧化硅二氧化硅e 发发射射极极，b基基极极，c 集电极。集电极。图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型型三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论图图1.3.4三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不不具具备备放大作用放大作用三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.基基区区做做得得很很薄薄。通通常常只只有有几几微微米米到到几几十十微微米米，而而且且掺掺杂杂较较少少。三三极极管管放放大大的的外外部部条条件件：外外加加电电源源的的极极性性应应使使发发射射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3.集电结面积大。集电结面积大。三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程 发射区向基区注入电发射区向基区注入电子，形成电子电流子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流空穴，形成空穴电流IEp，因为，因为IEnIEp，所以发，所以发射极电流射极电流IEIEn。注入电子在基区注入电子在基区边扩散边复合，形成边扩散边复合，形成复合电流复合电流IBn。集电区收集扩散来的电子，集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流形成集电极电流IC。集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入电子注入复复合合少子漂移少子漂移一、输入特性一、输入特性 (1)UCE=0 时时的的输输入入特特性曲线性曲线RbVBBcebIB+UBE_VBBIB+UBE_bceOIB/A 当当 UCE=0 时时，基基极极和和发发射射极极之之间间相相当当于于两两个个 PN 结结并并联联。所所以以，当当 b、e 之之间间加加正正向向电电压压时时，应应为为两两个个二二极极管管并联后的正向伏安特性。并联后的正向伏安特性。1.3.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线(2)UCE 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时时，这这个个电电压压有有利利于于将将发发射射区区扩扩散散到到基基区区的的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。*特性右移特性右移(因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子)OIB/AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特特性曲线重合。性曲线重合。图图 1.3.6三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 1.3.8三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性图图 1.3.9NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线划划分分三三个个区区：截截止止区区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1.截截止止区区IB 0 的的区域。区域。两两个个结结都都处处于于反反向向偏偏置。置。IB=0 时时，IC=ICEO。硅硅管管约约等等于于 1 A，锗锗管管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。截止区截止区截止区截止区IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 1543212.放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特特点点：各各条条输输出出特特性性曲曲线线比比较较平平坦坦，近近似似为为水水平平线线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性放放大大区区集集电电极极电电流流和和基基极极电电流流体现放大作用，即体现放大作用，即放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特特点点：IC 基基本本上上不不随随 IB 而而变变化化，在在饱饱和和区区三三极极管管失失去放大作用。去放大作用。I C IB。当当 UCE=UBE，即即 UCB=0 时时，称称临临界界饱饱和和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管硅管)，UCES 0.2 V(锗管锗管)饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区判断判断BJTBJT工作状态的关键知识工作状态的关键知识Je零偏或反偏，零偏或反偏，Jc也反偏也反偏BJT截止截止Je正偏正偏放大还是饱和？放大还是饱和？先假设饱和求先假设饱和求IBSIBS=ICS/再求再求IB比较比较IB与与IBSIB IBS饱和管压降饱和管压降BJT饱和饱和进而确定进而确定I C 和和UCE VCCVBBRbRc10V2V2K20K+UBE+UCEIBIC题题114（a）：已知三极管：已知三极管=50，UBE 0.7V。试估算电路。试估算电路中的中的IC、UCE，判断工作状态。，判断工作状态。解解:(1)Je正偏，假设正偏，假设BJT饱和导通饱和导通.饱和导饱和导通条件：通条件：(2)求求IB(3)IB IBS放大放大(4)求求IC和和UCEI C IB3.25mA1.3.4三极管的主要参数三极管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1.共射电流放大系数共射电流放大系数 2.共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数3.共基电流放大系数共基电流放大系数 4.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数二、反向饱和电流二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO 小小功功率率锗锗管管 ICBO 约约为为几几微微安安；硅硅管管的的 ICBO 小小，有的为纳安数量级。有的为纳安数量级。当当 b 开路时，开路时，c 和和 e 之间的电流之间的电流穿透电流穿透电流。值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。三、三、极限参数极限参数1.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM在在 IC=ICM 时，时，值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区3.极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基基极极开开路路时时，集集电电极极和和发发射射极极之之间间的反向击穿电压。的反向击穿电压。U(BR)CBO：发发射射极极开开路路时时，集集电电极极和和基基极极之之间间的反向击穿电压。的反向击穿电压。安安全全工工作作区区同同时时要要受受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区图图 1.3.11三极管的安全工作区三极管的安全工作区1.3.5PNP 型三极管型三极管放放大大原原理理与与 NPN 型型基基本本相相同同，但但为为了了保保证证发发射射结结正正偏，集电结反偏，外加电源的极性与偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。正好相反。图图 1.3.13三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型型VCCVBBRCRb+uoui PNP 三三极极管管电电流流和和电电压实际方向。压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()PNP 三三极极管管各各极极电电流流和电压的规定正方向。和电压的规定正方向。PNP 三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。电电压压(UBE、UCE)实实际际方方向向与与规规定定正正方方向向相相反反。计计算算中中UBE、UCE 为为负负值值；输输入入与与输输出出特特性性曲曲线线横横轴轴为为(UBE)、(UCE)。三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态工作状态工作状态 NPN PNP 特点特点截止状态截止状态E结、结、C结反偏结反偏;VB VE;VB VE ;VB VC C0 放大状态放大状态E结正偏、结正偏、C结反偏；结反偏；VCVBVEE结正偏、结正偏、C结结 反反偏偏;VCVBVE ;VBVCE结、结、C结正偏结正偏;VBVE ;VBVCVCE=VCES+0.7V0V+5V 题题113 判断三极管的工作状态判断三极管的工作状态(a)+2V+12V+12V(b)+0.3V0V-5V(e)+11.7V+12V+8V(h)E结正偏，结正偏，c结反偏结反偏放大放大E结反偏，结反偏，c结反偏结反偏截止截止E结反偏，结反偏，c结反偏结反偏截止截止E结正偏，结正偏，c结反偏结反偏放大放大 题题115（a）测得放大电路中测得放大电路中BJTBJT的各极电位的各极电位如图所示，试识别管脚，并判断是如图所示，试识别管脚，并判断是NPNNPN型，还型，还是是PNPPNP型，硅管还是锗管。型，硅管还是锗管。123(+3V)(+9V)(+3.2V)解解:(1)电位居中的是电位居中的是b极极3：是：是b极极 (2)与与b极电位差将近极电位差将近0.3V或或0.7V 的是的是e极极c1：是：是e极极 电位差将近电位差将近0.3V锗管锗管 电位差将近电位差将近0.7V 硅管硅管是锗管是锗管 (3)2：是：是c极极 c极电位最高极电位最高NPN型型 c极电位最低极电位最低PNP型型NPN型型本本 章章 作作 业业题题113 （c）（d）（）（f）（g）题题114 （b）（c）题题115 （b）1.4场效应三极管场效应三极管只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。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；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、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)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 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 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流 ID 的。的。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*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 ID 减减小小，反反之之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.设设UDS=0，在在栅栅源源之之间间加加负负电电源源 VGG，改改变变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由由零零逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS=UP，耗耗尽尽层层合合拢拢，导导电电沟沟被被夹夹断断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b)UGS 0，在在栅栅源源间间加加负负电源电源 VGG，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变 UGS ，改改变变了了 PN 结结中中电电场场，控控制制了了 ID，故故称称场场效效应应管管；(2)结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压，使使 PN 反反偏偏，栅栅极极基本不取电流，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)三、特性曲线三、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)O UGSIDIDSSUP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=UP，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 UP(ID=0 时的时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA1.转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.漏极特性漏极特性当当栅栅源源 之之间间的的电电压压 UGS 不不变变时时，漏漏极极电电流流 ID 与与漏漏源源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结结型型场场效效应应管管转转移移特特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏漏极极特特性性也也有有三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区和和击击穿穿区。区。2.漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA图图 1.4.6(b)漏极特性漏极特性场场效效应应管管的的两两组组特特性性曲曲线线之之间间互互相相联联系系，可可根根据据漏漏极极特性用作图的方法得到相应的转移特性。特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS/VUDS=15 V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结结型型场场效效应应管管栅栅极极基基本本不不取取电电流流，其其输输入入电电阻阻很很高高，可可达达 107 以以上上。如如希希望望得得到到更更高高的的输输入入电电阻阻，可可采采用用绝绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-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 109 以上。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。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1.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 1.4.8N 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2.工作原理工作原理 绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用 UGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况，以以控制漏极电流控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.9(2)UDS=0，0 UGS UT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏极形成电流漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c.UDS UGS UT，UGD UT由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS 逐逐渐渐增增大大时时，导导电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DP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 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UT3.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区(或或饱饱和和区区)、击击穿穿区。区。UT 2UTIDOUGS/VID/mAO图图 1.4.12(a)图图 1.4.12(b)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+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在 P 型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“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，产产生生较大的漏极电流；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图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V43215101520图图 1.4.14特性曲线特性曲线1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压夹断电压 UP3.开启电压开启电压 UT4.直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控的控制作用。制作用。单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS)这这是是场场效效应应管管三三个个电电极极之之间间的的等等效效电电容容，包包括括 CGS、CGD、CDS。极极间间电电容容愈愈小小，则则管管子子的的高高频频性性能能愈愈好好。一一般为几个皮法。般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由由场场效效应应管管允允许许的的温温升升决决定定。漏漏极极耗耗散散功功率率转转化化为为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。场场效效应应管管工工作作时时，栅栅源源间间 PN 结结处处于于反反偏偏状状态态，若若UGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS=0V+_ _IDUDSo o+