电子技术模拟部分ch.ppt

2019/5/11,1,电子技术 基础,信息与电气工程学院 电工电子教研室 3-311 张萱,2019/5/11,2,1. 本课程的性质及特点,技术基础课，具有工程性、实践性。,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,2. 课程研究内容,研究各种电子器件的结构、工作原理及性能指标等; 用各种电子器件组成电路的分析与设计。 包括：模拟电子技术、数字电子技术,3. 学习目标,前 言,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,2019/5/11,3,4. 电子技术的发展,1904年弗莱明发明了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，首先被用于无线电检波。 1906 年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。 半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管成本高，制造繁，体积大，耗电多，从 1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中,，不论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。,随着生产和科学技术发展的需要，电子技术得到高度发展和广泛应用（如空间电子技术，生物医学电子技术，信息处理和遥感技术，微波应用等），它对于社会生产力的发展，也起着变革性的推动作用。,2019/5/11,4,随着半导体技术的发展和科学研究，在工业上晶体闸流管(即可控硅)也获得广泛应用，使半导体技术进入了强电领域。,1958 年，集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。它实现了材料，元件，电路三者之间的统一。随着集成电路制造工艺的进步，集成度越来越高，出现了大规模和超大规模集成电路.,发展特点:以电子器件的发展为基础,电子管时代,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。,电压控制器件 电真空技术,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,半导体集成电路,80年代后- ULSI ， 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟,90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。,6070代-,IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。 10万个晶体管/片。,将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路,2019/5/11,9,6. 成绩评定,平时成绩： 19 %,考试成绩： 81 %,7. 参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 ，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 ，高教出版社,实验成绩： 20 %,闫石主编， 数字电子技术基础 ，高教出版社,康华光主编，电子技术基础 数字部分 ，高教出版社,课堂成绩： 80 %,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路的分析方法和解题技巧。,2019/5/11,10,第一章 半导体器件,2019/5/11,11,1.1 半导体的特性,1. 导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2. 绝缘体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,2019/5/11,12,硅原子结构,图 1.1.1 硅原子结构,(a)硅的原子结构图,最外层电子称价电子,锗原子也是 4 价元素,4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。,(b)简化模型,2019/5/11,13,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,图 1.1.2 单晶体中的共价键结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,2019/5/11,14,T ,图 1.1.3 本征半导体中的 自由电子和空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,2019/5/11,15,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,2019/5/11,16,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,2019/5/11,17,图 1.1.4 N 型半导体的晶体结构,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,2019/5/11,18,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构,2019/5/11,19,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法,2019/5/11,20,1.2 半导体二极管,1.2.1 PN 结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 1.2.1 PN 结的形成,2019/5/11,21,一、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,2. 扩散运动形成空间电荷区,1. 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,图 1.2.1,2019/5/11,22,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒；,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移运动,少子的运动与多子运动方向相反,内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,2019/5/11,23,5. 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； 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，PN 结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,2019/5/11,24,二、 PN 结的单向导电性,1. PN 外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.2.2,2019/5/11,25,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,2019/5/11,26,图 1.2.3 反相偏置的 PN 结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,2019/5/11,27,综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。,2019/5/11,28,1.2.2 二极管的伏安特性,半导体二极管又称晶体二极管。,(b)符号,(a)外形图,图 1.2.4 二极管的外形和符号,2019/5/11,29,半导体二极管图片,2019/5/11,30,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f (U )之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性2CP31,反向特性,图 1.2.4 二极管的伏安特性,2019/5/11,31,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2019/5/11,32,2. 反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,2019/5/11,33,3. 伏安特性表达式(二极管方程),IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV,二极管加反向电压，即 U UT ，则 I - IS。,二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT ，则 ，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。,2019/5/11,34,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,硅二极管的导通电压为0.60.8V，一般取0.7V； 锗二极管的导通电压为0.10.3V，一般取0.2V。,2019/5/11,35,知识点小结,一、半导体,自由电子（少子）,空穴 （多子）,本征半导体,杂质半导体,P型半导体,N型半导体,自由电子（多子）,空穴 （少子）,二、二极管,1、PN结的单向导电性,（1）正偏时，PN 结处于 导通状态； （2）反偏时，PN 结处于截止状态。,2019/5/11,36,2、二极管的伏安特性,硅二极管的导通电压为0.60.8V，一般取0.7V； 锗二极管的导通电压为0.10.3V，一般取0.2V。,正向特性,反向特性,2019/5/11,37,应用举例,例2：P56习题1.5,解：采用理想电路模型 ui和uo的波形如图所示,二极管的电流波形如何？,例1：P55习题1.1欲使二极管具有良好的单向导电性，管子的正向电阻和反向电阻分别为大一些好，还是小一些好？,解：二极管的正向电阻愈小愈好，反向电阻愈大愈好。 根据二极管的单向导电性可判断二极管的阳极和阴极。,2019/5/11,38,1.2.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2. 最高反向工作电压 UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。,3. 反向电流 IR,通常希望 IR 值愈小愈好。,4. 最高工作频率 fM,fM 值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,2019/5/11,39,1.2.5 稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,图 1.2.10 稳压管的伏安特性和符号,2019/5/11,40,稳压管的参数主要有以下几项：,1. 稳定电压 UZ,3. 动态电阻 rZ,2. 稳定电流 IZ,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。I IZ ，只要不超过额定功耗即可。,rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大， rZ 值愈小。,IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,IZ/mA,2019/5/11,41,4. 电压温度系数 U,稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。,(1) UZ 7 V, U 0；UZ 4 V，U 0； (2) UZ 在 4 7 V 之间，U 值比较小，性能比较稳定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V，U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V，U = -(0.05 0.03)%/,(3) 2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精 密稳压源中。,2019/5/11,42,5. 额定功耗 PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ = UZIZ,PZ 会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出 IZM，IZM = PZ/UZ,例1 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适。,解,2019/5/11,43,使用稳压管需要注意的几个问题：,图 1.2.13 稳压管电路,1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,2019/5/11,44,1.3 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。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。,图 1.3.1 三极管的外形,2019/5/11,45,1.3.1 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。,图1.3.2 三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极，b基极，c 集电极。,2019/5/11,46,图 1.3.3 三极管结构示意图和符号 (a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,2019/5/11,47,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,2019/5/11,48,1.3.2 三极管的放大作用和载流子的运动,以 NPN 型三极管为例讨论,图1.3.4 三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,2019/5/11,49,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,2019/5/11,50,三极管中载流子运动过程,1. 发射 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 复合和扩散 电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图 1.3.5 三极管中载流子的运动,2019/5/11,51,三极管中载流子运动过程,3. 收集 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,图 1.3.5 三极管中载流子的运动,2019/5/11,52,三极管的电流分配关系,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE = ICn + IBn,一般要求 ICn 在 IE 中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数，即,一般可达 0.95 0.99,2019/5/11,53,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,IE = IC + IB,代入(1)式，得,2019/5/11,54,上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。,当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得,共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。 一般 值约为几十 几百。,2019/5/11,55,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电 流放大作用。,3. 共射电流放大系数,共基电流放大系数,2019/5/11,56,根据 和 的定义，以及三极管中三个电流的关系，可得,故 与 两个参数之间满足以下关系：,直流参数 与交流参数 、 的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说， 与 ， 与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。,2019/5/11,57,+ UCE -,1.3.3 三极管的特性曲线,特性曲线是选用三极管的主要依据，可从半导体器件手册查得。,UCE,图 1.3.6 三极管共射特性曲线测试电路,输入特性：,输出特性：,+ UCE -,+ UCE -,UBE,2019/5/11,58,一、输入特性,(1) UCE = 0 时的输入特性曲线,当 UCE = 0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,图 1.3.7(上中图),图 1.3.8(下图),2019/5/11,59,(2) UCE 0 时的输入特性曲线,当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCE UBE，三极管处于放大状态。,* 特性右移(因集电结开始吸引电子),* UCE 1 V，特性曲线重合。,图 1.3.6 三极管共射特性曲线测试电路,图 1.3.8 三极管的输入特性,UCE = 1 V,2019/5/11,60,二、输出特性,图 1.3.9 NPN 三极管的输出特性曲线,放 大 区,放 大 区,1. 截止区,条件：两个结都处于反向偏置。,IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,2019/5/11,61,2. 放大区,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,放 大 区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放 大 区,放 大 区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,图 1.3.9 NPN 三极管的输出特性曲线,2019/5/11,62,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 型管，UBE 0 UBC 0,特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。 I C IB。,当 UCE = UBE，即 UCB = 0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管),饱和区,饱和区,2019/5/11,63,例1:三极管工作状态的判断,例：测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （1） VC 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V VB 4V VE 4.6V （3） VC 2V VB 4V VE 3V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,练习,2019/5/11,64,一、稳压管的特点,工作在反向击穿区。,二、双极型三极管,1、符号表示,知识点小结,2019/5/11,65,3、特性曲线,UCE = 1 V,2、三极管的作用: 电流分配和放大作用,放 大 区,放 大 区,截止区,截止区,NPN型三极管的三种工作状态及其特点,2019/5/11,67,例2 某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。 电流的正方向和KCL。IE=IB+ IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极 B为基极 A为集电极。 管型为NPN管。,2019/5/11,68,例3:测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为： （1）U1=3.5V、 U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=-3V、 U2=-2.8V、 U3=-12V （3）U1=16V、 U2=5.7V、 U3=5V （4）U1=-6V、 U2=-2.2V、 U3=-2V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c PNP 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e NPN硅 （4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,分析： NPN：UBE0，UCB0 ， Uc Ub Ue PNP： UBE0，UCB0， Uc Ub Ue 先求UBE，若等于0.7V，为硅管；若等于0.2V，为锗管。,解：,2019/5/11,69,1.3.4 三极管的主要参数,三极管的连接方式,图 1.3.10 NPN 三极管的电流放大关系,2019/5/11,70,一、电流放大系数,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 ,2. 共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,2019/5/11,71,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，, 和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,练习,2019/5/11,72,二、反向饱和电流（自学）,1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,三、 极限参数（自学）,1. 集电极最大允许电流 ICM,2. 集电极最大允许耗散功率 PCM,3. 极间反向击穿电压,2019/5/11,73,1.3.5 PNP 型三极管,放大原理与 NPN 型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN 正好相反。,图 1.3.13 三极管外加电源的极性,2019/5/11,74,判断（工作状态、管型、管脚）,截止区：发射结和集电结反偏 NPN：UBE0 ，Uc Ue Ub PNP： UBE0，UCB0，UCB0 ， Uc Ub Ue PNP： UBE0，UCB Uc Ue PNP：UBE0，Ub IBS,2019/5/11,75,1.4 场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,2019/5/11,76,符号,1.4.1 结型场效应管,一、结构,图 1.4.1 N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,2019/5/11,77,P 沟道场效应管,图 1.4.2 P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,2019/5/11,78,二、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,2019/5/11,79,1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UP 为负值。,2019/5/11,80,2. 在漏源极间加正向 VDD，使 UDS 0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。,UGS = 0，UGD UP ，ID 较大。,UGS UP ，ID 更小。,注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),2019/5/11,81,UGS 0,UGD = UP, 预夹断,UGS 0 ,UGD UP, 夹断,ID 基本不变。,(1) 改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，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 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),2019/5/11,82,三、特性曲线,1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 1.4.6 转移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UP (ID = 0 时的 UGS),2019/5/11,83,转移特性公式,2. 漏极特性,当栅源之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,2019/5/11,84,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。,漏极特性,图 1.4.6(b) 漏极特性,夹断区,2019/5/11,85,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 1.4.7 在漏极特性上用作图法求转移特性,2019/5/11,86,1.4.2 绝缘栅型场效应管 MOSFET （Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,2019/5/11,87,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 结构及符号示意图,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 1.4.8 N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,符号,2019/5/11,88,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,2019/5/11,89,(2) UDS = 0， UGS 0,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。,VGG,(3) UDS = 0，UGS 继续增大,增大 UGS 耗尽层变宽。由于吸引了足够多的电子，,形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。,UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,2019/5/11,90,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,b. UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. UDS UGS UT， UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,a. UDS UT,2019/