半导体二极管、三极管和场效应管PPT课件.ppt

本章重点和考点 1 二极管的单向导电性 稳压管的原理 2 三极管的电流放大原理 如何判断三极管的管型 管脚和管材 3 场效应管的分类 工作原理和特性曲线 1 1 什么是半导体 4 1PN结 一 半导体的基础知识 绝缘体 导电能力 导体 2 半导体的特点 下一页 前一页 第1 2页 退出本章 2 3 本征半导体 纯净半导体被称为本征半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 4 1PN结 一 半导体的基础知识 下一页 前一页 第1 3页 退出本章 3 1 本征半导体的共价键结构 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 4 1PN结 一 半导体的基础知识 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 下一页 前一页 第1 4页 退出本章 4 自由电子 空穴 T 2 本征激发 当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 这种现象就称为本征激发 下一页 前一页 第1 5页 退出本章 5 说明 1 由本征激发产生的自由电子 空穴对很少 2 本征激发受温度的影响很大 温度每上升1度 自由电子 空穴的数目增大一倍 4 1PN结 一 半导体的基础知识 下一页 前一页 第1 6页 退出本章 6 自由电子 空穴 4 两种载流子 载流子 运载电流的粒子 自由电子带负电荷电子流 总电流 两种载流子 空穴带正电荷空穴流 下一页 前一页 第1 7页 退出本章 7 5 复合 自由电子失去能量又与共价键中的空穴结合 当本征激发核复合达到动态平衡时 自由电子与空穴就维持在某一浓度 8 小结 1 半导体材料中 自由电子和空穴都是载流子 3 本征半导体中同时存在两种导电现象 电子导电和空穴导电 流过外电路的电流为电子电流 空穴电流 I IN IP 2 在本征半导体中本征激发产生的电子 空穴对很少 因而电路中产生的电流很小 但对温度敏感 4 1PN结 一 半导体的基础知识 下一页 前一页 第1 9页 退出本章 9 掺入五价原子占据Si原子位置 在室温下就可以激发成自由电子 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 砷等 称为N型半导体 4 1PN结 二 杂质半导体 1 构成 下一页 前一页 第1 10页 退出本章 10 多数载流子 自由电子 主要由掺杂产生 少数载流子 空穴 由本征激发产生 自由电子 电子空穴对 2 多子与少子 4 1PN结 二 杂质半导体 下一页 前一页 第1 11页 退出本章 11 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 空穴 电子空穴对 2 P型半导体 4 1PN结 二 杂质半导体 下一页 前一页 第1 12页 退出本章 12 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 与温度有关 多子浓度 与温度无关 取决于掺杂浓度 4 1PN结 二 杂质半导体 下一页 前一页 第1 13页 退出本章 13 1 PN结的形成 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 14页 退出本章 14 2 PN结中的载流子运动 1 扩散运动 多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 形成空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 空间电荷区 多子扩散电流 耗尽层 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 15页 退出本章 15 2 漂移运动 少子漂移电流 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 16页 退出本章 16 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 17页 退出本章 17 3 PN结的单向导电性 1 加正向电压 正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 18页 退出本章 18 2 加反向电压 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 19页 退出本章 19 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 结论 PN结具有单向导电性 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 20页 退出本章 20 u为PN结两端的电压降 i为流过PN结的电流 IS为反向饱和电流 UT kT q称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数1 38 10 23 q为电子电荷量1 6 10 9T为热力学温度 对于室温 相当T 300K 则有UT 26mV 当u 0u UT时 当u UT 时 4 PN结的电流方程 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 21页 退出本章 21 5 PN结的伏安特性曲线 正偏 IF 多子扩散 IR 少子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 22页 退出本章 22 6 PN结的电容效应 当外加电压发生变化时 耗尽层的宽度要相应地随之改变 即PN结中存储的电荷量要随之变化 就像电容充放电一样 1 势垒电容CB 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 23页 退出本章 23 2 扩散电容CD 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的非平衡少子的数量及浓度梯度也不同 这就相当电容的充放电过程 平衡少子 PN结处于平衡时的少子 非平衡少子 外加正向电压时 从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 24页 退出本章 24 PN结结电容 极间电容 CJ CJ CB CD 由于一般很小 对于低频信号呈现较大的容抗 其作用可忽略不计 所以 只有在信号频率较高时 才考虑电容的作用 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 下一页 前一页 第1 25页 退出本章 25 半导体 本征半导体 本征激发 PN结 形成过程 单向导电性 小结 4 1PN结 三 PN结及其单向导电性 26 二极管 PN结 管壳 引线 1 结构 2 符号 4 2半导体二极管 一 半导体二极管的结构和类型 下一页 前一页 第1 27页 退出本章 27 3 二极管的分类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 4 2半导体二极管 一 半导体二极管的结构和类型 28 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 用于工频大电流整流电路 4 2半导体二极管 一 半导体二极管的结构和类型 下一页 前一页 第1 29页 退出本章 29 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 硅 0 7V锗 0 3V 4 2半导体二极管 二 半导体二极管的伏安特性曲线 下一页 前一页 第1 30页 退出本章 30 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大整流电流的平均值 2 反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR 3 反向电流IR 在室温下 在规定的反向电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 4 最高工作频率fM 二极管工作的上限频率 4 2半导体二极管 三 二极管的主要参数 下一页 前一页 第1 31页 退出本章 31 1 理想等效电路模型 正偏 反偏 2 恒压源等效电路 UON 二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 4 2半导体二极管 四 二极管的等效电路 下一页 前一页 第1 32页 退出本章 32 1 理想二极管模型 相对误差 硅二极管电路如图所示 若已知回路电流I测量值为9 32mA 试分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流I 并比较误差 2 恒压降模型 解 相对误差 0 7V 例1 4 2半导体二极管 四 二极管的等效电路 下一页 前一页 第1 33页 退出本章 33 例 电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui 1 若ui为4V的直流信号 分别采用理想二极管模型 恒压降模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析 采用理想二极管串联电压源模型分析 4 2半导体二极管 四 二极管的等效电路 下一页 前一页 第1 34页 退出本章 34 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 UREF 2V 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形 解 采用理想二极管模型分析 波形如图所示 4 2半导体二极管 四 二极管的等效电路 下一页 前一页 第1 35页 退出本章 35 采用恒压降模型分析 波形如图所示 4 2半导体二极管 四 二极管的等效电路 下一页 前一页 第1 36页 退出本章 36 1 整流 已知ui 10sin t V 二极管正向导通电压可忽略不计 试画出ui与uO的波形 4 2半导体二极管 五 二极管的应用 下一页 前一页 第1 37页 退出本章 37 0 7V 0 7V 0 7V 2 限幅 已知硅二极管组成电路 试画出在输入信号ui作用下输出电压uo波形 五 二极管的应用 4 2半导体二极管 0 7V uO ui t t 下一页 前一页 第1 38页 退出本章 38 3 用于数字电路 例 分析如图所示电路的功能 解 4 2半导体二极管 五 二极管的应用 下一页 前一页 第1 39页 退出本章 39 正向同二极管 1 符号 稳压二极管工作在反向击穿区 4 2半导体二极管 六 稳压二极管 下一页 前一页 第1 40页 退出本章 稳定电压 2 伏安特性 40 3 稳压二极管的主要参数 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ U IrZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最小稳定工作电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流 若IZ IZmin则不能稳压 4 最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 4 2半导体二极管 六 稳压二极管 下一页 前一页 第1 41页 退出本章 41 4 稳压原理 RL UO IDZ IR UO UR 如图所示电路 若负载发生变化引起输出减小 可利用该电路实现稳压作用 4 2半导体二极管 六 稳压二极管 下一页 前一页 第1 42页 退出本章 42 4 3双极型晶体管 43 1晶体管的结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 4 3双极型晶体管 一 晶体管的结构和类型 两PN结 三区 三极 集电区 基区 发射区 集电结 发射结 下一页 前一页 第1 44页 退出本章 44 NPN型三极管 PNP型三极管 4 3双极型晶体管 2符号 下一页 前一页 第1 45页 退出本章 45 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 4 3双极型晶体管 一 晶体管的结构和类型 3晶体管结构的特点 下一页 前一页 第1 46页 退出本章 46 1 晶体管内部载流子的运动 发射结加正向电压 扩散运动形成发射极电流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 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区 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 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 47页 退出本章 47 3 集电结加反向电压 漂移运动形成集电极电流Ic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 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 48页 退出本章 48 2 晶体管的电流分配关系 IEp ICBO IE IC IB IEn IBn ICn IC ICn ICBO IE ICn IBn IEp IEn IEp IB IEp IBn ICBO IE IC IB 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 49页 退出本章 49 3 晶体管的共射电流放大系数 整理可得 ICBO称反向饱和电流 ICEO称穿透电流 1 共射直流电流放大系数 2 共射交流电流放大系数 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 50页 退出本章 50 3 共基直流电流放大系数 或 4 共基交流电流放大系数 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 5 与 的关系 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 51 4 三极管的电流方向 发射极的电流方向与发射极的箭头方向一致 二 晶体管的电流分配及其放大作用 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 52页 退出本章 52 1 输入特性 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 iB f uBE UCE const 下一页 前一页 第1 53页 退出本章 53 2 输出特性 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 iC f uCE IB const 下一页 前一页 第1 54页 退出本章 54 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 下一页 前一页 第1 55页 退出本章 55 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 下一页 前一页 第1 56页 退出本章 56 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 下一页 前一页 第1 57页 退出本章 57 判断三极管工作状态的方法 三 晶体管的共射特性曲线 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 58页 退出本章 58 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 例 判断下列三极管的工作状态 饱和 截止 放大 截止 饱和 放大 下一页 前一页 第1 59页 退出本章 59 三 晶体管的共射特性曲线 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 60页 退出本章 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 管脚 管型的判断法也可采用万用表电阻法 参考实验 60 三 晶体管的共射特性曲线 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 61页 退出本章 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 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 原则 先求UBE 若等于0 6 0 7V 为硅管 若等于0 2 0 3V 为锗管 发射结正偏 集电结反偏 NPN管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE PNP管UBE 0 UBC 0 即UC UB UE 解 61 三 晶体管的共射特性曲线 4 3双极型晶体管 下一页 前一页 第1 62页 退出本章 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 3V U2 2 8V U3 12V 3 U1 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN锗 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP锗 解 62 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 1 USB 2V时 IB 0 IC 0 Q位于截止区 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 解 下一页 前一页 第1 63页 退出本章 63 2 USB 5V时 IB IBmax Q位于饱和区 实际上 此时IC和IB已不是 的关系 晶体管饱和失真 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 ICMAX USC UCES RC 12 0 3 6 1 95 mA 下一页 前一页 第1 64页 退出本章 IBMAX ICMAX 1 95 50 0 039mA 64 IB IBmax 1 95mA Q位于放大区 3 USB 2V时 4 3双极型晶体管 三 晶体管的共射特性曲线 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 下一页 前一页 第1 65页 退出本章 IBMAX ICMAX 1 95 50 0 039mA 65 例 电路如图所示 50 当开关S分别接到ABC三个触点时 判断三极管的工作状态 三 晶体管的共射特性曲线 4 3双极型晶体管 66 4 3双极型晶体管 四 晶体管的主要参数 三极管的参数分为三大类 直流参数 交流参数 极限参数 1 直流参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 2 共基直流电流放大系数 3 集电极基极间反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO 1 ICBO 67 2 交流参数 1 共发射极交流电流放大系数 iC iB UCE const 2 共基极交流电流放大系数 iC iE UCB const 3 特征频率fT 值下降到1的信号频率 四 晶体管的主要参数 4 3双极型晶体管 68 1 最大集电极耗散功率PCM PC iCuCE 3 极限参数 2 最大集电极电流ICM 3 反向击穿电压 UCBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 UEBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 UCEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系UCBO UCEO UEBO 四 晶体管的主要参数 4 3双极型晶体管 69 70 4 温度对晶体管特性及参数的影响 1 温度对ICBO的影响 温度每升高100C ICBO增加约一倍 反之 当温度降低时ICBO减少 硅管的ICBO比锗管的小得多 2 温度对输入特性的影响 温度升高时正向特性左移 反之右移 3 温度对输出特性的影响 温度升高将导致IC增大 温度对输出特性的影响 71 场效应管 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 4 4场效应管 72 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 耗尽型 场效应管分类 73 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1010 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 一 绝缘栅型场效应管 74 1 N沟道增强型MOS场效应管 结构 B G S D 源极S 漏极D 衬底引线B 栅极G 75 1 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 2 工作原理分析 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 76 2 UDS 0 0 UGS UGS th 栅极金属层将聚集正电荷 它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴 形成由负离子组成的耗尽层 增大UGS耗尽层变宽 VGG 3 UDS 0 UGS UGS th 由于吸引了足够多P型衬底的电子 会在耗尽层和SiO2之间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 UGS th 或UT为开始形成反型层所需的UGS 称开启电压 77 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 UDSUT 78 a UGD UT b UGD UT c UGD UT 在UDS UGS UT时 对应于不同的uGS就有一个确定的iD 此时 可以把iD近似看成是uGS控制的电流源 79 3 特性曲线与电流方程 a 转移特性 b 输出特性 UGS UT iD 0 UGS UT 形成导电沟道 随着UGS的增加 ID逐渐增大 当UGS UT时 三个区 可变电阻区 恒流区 或饱和区 夹断区 80 二 N沟道耗尽型MOS场效应管 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P型衬底中 感应 负电荷 形成 反型层 即使UGS 0也会形成N型导电沟道 UGS 0 UDS 0 产生较大的漏极电流 UGS 0 绝缘层中正离子感应的负电荷减少 导电沟道变窄 iD减小 UGS UP 感应电荷被 耗尽 iD 0 UP或UGS off 称为夹断电压 81 N沟道耗尽型MOS管特性 工作条件 UDS 0 UGS正 负 零均可 耗尽型MOS管的符号 N沟道耗尽型MOSFET 82 三 P沟道MOS管 1 P沟道增强型MOS管的开启电压UGS th 0当UGS UGS th 漏 源之间应加负电源电压管子才导通 空穴导电 2 P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS off 0UGS可在正 负值的一定范围内实现对iD的控制 漏 源之间应加负电源电压 四 VMOS管 VMOS管漏区散热面积大 可制成大功率管 83 符号 1 结构 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 一 结型场效应管 84 P沟道场效应管 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 一 结型场效应管 85 2 结型场效应管工作原理 N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的 VCCS 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 一 结型场效应管 86 1 当UDS 0时 uGS对导电沟道的控制作用 UGS 0时 耗尽层比较窄 导电沟比较宽 UGS由零逐渐减小 耗尽层逐渐加宽 导电沟相应变窄 当UGS UGS Off 耗尽层合拢 导电沟被夹断 UGS off 为夹断电压 为负值 UGS off 也可用UP表示 一 结型场效应管 87 2 当uGS为UGS Off 0中一固定值时 uDS对漏极电流iD的影响 uGS 0 uGD UGS Off iD较大 uGSUGS Off iD变小 注意 当uDS 0时 耗尽层呈现楔形 a b uGD uGS uDS 一 结型场效应管 88 uGS 0 uGD UGS off 沟道变窄预夹断 uGS 0 uGD uGS off 夹断 iD几乎不变 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 一 结型场效应管 89 3 当uGD uGS off 时 uGS对漏极电流iD的控制作用 场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用 场效应管为电压控制元件 VCCS 在uGD uGS uDS uGS off 当uDS为一常量时 对应于确定的uGS 就有确定的iD gm iD uGS 单位mS 一 结型场效应管 90 小结 1 在uGD uGS uDS uGS off 情况下 即当uDS uGS uGS off 对应于不同的uGS d s间等效成不同阻值的电阻 2 当uDS使uGD uGS off 时 d s之间预夹断 3 当uDS使uGD uGS off 时 iD几乎仅仅决定于uGS 而与uDS无关 此时 可以把iD近似看成uGS控制的电流源 一 结型场效应管 91 3 结型场效应管的特性曲线 1 转移特性 N沟道结型场效应管为例 两个重要参数 饱和漏极电流IDSS UGS 0时的ID 夹断电压UGS off ID 0时的UGS uGS 0 iD最大 uGS愈负 iD愈小 uGS UGS off iD 0 一 结型场效应管 92 转移特性 2 输出特性曲线 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 一 结型场效应管 93 恒流区 可变电阻区 漏极特性也有三个区 可变电阻区 恒流区和夹断区 夹断区 击穿区 一 结型场效应管 94 结型P沟道的特性曲线 转移特性曲线 输出特性曲线 栅源加正偏电压 PN结反偏 漏源加反偏电压 一 结型场效应管 95 各类场效应管的符号和特性曲线 96 97 1 4 3场效应管的主要参数 一 直流参数 饱和漏极电流IDSS 2 夹断电压UP或UGS off 3 开启电压UT或UGS th 4 直流输入电阻RGS 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107 以上 绝缘栅场效应管更高 一般大于109 98 二 交流参数 1 低频跨导gm 2 极间电容 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用 单位 iD毫安 mA uGS伏 V gm毫西门子 mS 这是场效应管三个电极之间的等效电容 包括Cgs Cgd Cds 极间电容愈小 则管子的高频性能愈好 一般为几个皮法 99 三 极限参数 3 漏极最大允许耗散功率PDM 2 漏源击穿电压U BR DS 4 栅源击穿电压U BR GS 由场效应管允许的温升决定 漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS 场效应管工作时 栅源间PN结处于反偏状态 若UGS U BR GS PN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 1 最大漏极电流IDM 100 例 电路如图1所示 其中管子T的输出特性曲线如图2所示 试分析ui为0V 8V和10V三种情况下uo分别为多少伏 图1 图2 分析 N沟道增强型MOS管 开启电压UGS th 4V G S D 101 解 1 ui为0V 即uGS ui 0 管子处于夹断状态 所以u0 VDD 15V 2 uGS ui 8V时 从输出特性曲线可知 管子工作在恒流区 iD 1mA u0 uDS VDD iDRD 10V 3 uGS ui 10V时 若工作在恒流区 iD 2 2mA 因而u0 15 2 2 5 4V 但是 uGS 10V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 102 从输出特性曲线可得uGS 10V时d s之间的等效电阻 D在可变电阻区 任选一点 如图 所以输出电压为 图2 103 晶体管 场效应管 结构 NPN型 PNP型 结型耗尽型N沟道P沟道 绝缘栅增强型N沟道P沟道 绝缘栅耗尽型N沟道P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子多子扩散少子漂移多子运动 输入量电流输入电压输入 控制 电流控制电流源CCCS 电压控制电流源VCCS gm 场效应管与晶体管的比较 104 噪声较大较小 温度特性受温度影响较大较小 可有零温度系数点 输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上 静电影响不受静电影响易受静电影响 集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成 晶体管 场效应管 105 小结 第4章 106 一 两种半导体和两种载流子 两种载流子的