电路课件第4章 半导体二极管、三极管和场效应管

1、第第4章章 半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管和场效应管和场效应管长沙理工大学计算机通信工程学院制作本章重点和考点：本章重点和考点：1. 1.二极管的单向导电性。二极管的单向导电性。2.2.三极管的电流放大原理，三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型如何判断三极管的管型 、管脚和管材。、管脚和管材。3.3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线场效应管的分类、工作原理和特性曲线。 长沙理工大学计算机通信工程学院制作1 1、什么是半导体、什么是半导体4.1 pn4.1 pn结结绝缘体半导体0 uut时时1etuutesuuii 当当 u|u t |时时1etuusii4. pn结的电流方程

2、结的电流方程4.1 pn4.1 pn结结下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-222222 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作5. pn结结的伏安特性曲线的伏安特性曲线正偏正偏if（多子扩散）（多子扩散）ir（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿4.1 pn4.1 pn结结下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-232323 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作6. pn结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压

3、发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即地随之改变，即pnpn结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容势垒电容cb空空 间间 电电 荷荷 区区w+r+e+pn4.1 pn4.1 pn结结下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-242424 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作(2) 扩散电容扩散电容cd4.1 pn4.1 pn结结长沙理工大学计算机通信工程学院制作 pn结结电容（极间电容）结结电容（极间电容）cjcj = cb + cd由于一般很小，对于低频信号呈现较大的容

4、抗，其作用由于一般很小，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。容的作用。4.1 pn4.1 pn结结下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-262626 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作半导体半导体本征半导体本征半导体:本征激发本征激发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pn结结形成过程形成过程单向导电性单向导电性小结：小结：4.1 pn4.1 pn结结长沙理工大学计算机通信工程学院制作长沙理工大学计算机通信工程学院制作 二极

5、管二极管 = pn结结 + 管壳管壳 + 引线引线np1、结构、结构2、符号、符号正极正极+负极负极-4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-292929 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作 3、二极管的分类：二极管的分类：1）、）、 点接触型二极管点接触型二极管 pn结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路。n型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管长沙理工大学计算机通信工程学院制作3 3）、）、 平面型二

6、极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。pn pn 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中于高频整流和开关电路中。2 2）、）、 面接触型二极管面接触型二极管 pnpn结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路。sio2正 极 引 线负 极 引 线n型 硅p型 硅负 极 引 线正 极 引 线n型 硅p型 硅铝 合 金 小 球底 座4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-313131 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作 硅：硅：0.5 v 锗：

7、锗： 0.1 v(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压ubr实验曲线实验曲线ueivmaueivua锗锗 硅：硅：0.7 v 锗：锗：0.3v4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-323232 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作 (1) 最大整流电流最大整流电流if二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压ubr

8、二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压u ubrbr。 (3) 反向电流反向电流i ir r 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管在室温下，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的反向电流一般在纳安(na)(na)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安( ( a)a)级。级。 (4) 最高工作频率最高工作频率f fm m 二极管工作的上限频率二极管工作的上限频率4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-333333 页页页退出本章退出

9、本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1 1、理想等效电路模型、理想等效电路模型ui正偏正偏反偏反偏2 2、恒压源等效电路恒压源等效电路onuu onuu u on :二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7v，锗管，锗管 0.3v。导通压降导通压降二极管的伏安特性二极管的伏安特性-+iuiu04.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-343434 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、理想二极管模型、理想二极管模型ma10k1v10i相对误差：相对误差：0000710032. 932. 9

10、10硅二极管电路如图所示，若已知回路电流硅二极管电路如图所示，若已知回路电流i测量值测量值 为为 9.32ma9.32ma，试，试分别用理想模型和分别用理想模型和恒压降模型计算回路电流恒压降模型计算回路电流i i，并比较误差，并比较误差。2、恒压降模型、恒压降模型ma3 . 9k1v)7 . 010(i00002 . 010032. 99.332. 9解解：相对误差相对误差：0.7v例例1：4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-353535 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作例：例：电路如图所示，电路如图所

11、示，r r1k1k，u urefref=2v=2v，输入信号为，输入信号为u ui i。 (1)(1)若若 u ui i为为4v4v的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压降模型计算电流降模型计算电流i i和输出电压和输出电压u uo o+-+uiurefriuo解：解：（1 1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析采用理想二极管串联电压源模型分析。ma2k12vv4refiruuiv2refouuma31k1v702vv4drefi.ruuui2.7v0.7vv2drefouuu4.2 4.2 半导体二极管半导体二极

12、管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-363636 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作（2）如果）如果ui为幅度为幅度4v的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，示，uref=2v,分别采用理想二极管模型和理想二极管串联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。电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+uiurefriuo解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4v4vuit2v2vuot4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管

13、下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-373737 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作02.7vuot0-4v4vuit2.7v 采用恒压降模型分析采用恒压降模型分析，波形如图所示。，波形如图所示。+-+uiurefriuo4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-383838 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作已知已知u ui i10sin10sintt (v) (v)，二极管正向导通电压可二极管正向导通电压可忽略不计。试画出忽略不计。试画出u ui i与与u

14、uoo的波形。的波形。4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管uiuodr下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-393939 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作0.7v-0.7v0.7v已知硅二极管组成电路，已知硅二极管组成电路，试画出在输入信号试画出在输入信号u ui i作作用下输出电压用下输出电压u uo o波形。波形。4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管uiuod2d1r-0.7vuouitt下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-404040 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作&l

15、=abba0v010100110001bla输输 入入输出输出3、用于数字电路、用于数字电路b+valdd3kr（+5v）cc12例：分析如图所示电路的功能。例：分析如图所示电路的功能。解：解：输输 入入输出输出d1（v）d2（v）vl（v）0v0v5v5v0v5v0v5v0v0v0v0v0v0v0v0v5v4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-414141 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作 iuuziuizminizmax正向同正向同二极管二极管1、符号：、符号：稳压二极管工作稳压二极管工作在反向击穿区

16、在反向击穿区4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-424242 页页页退出本章退出本章退出本章稳定稳定电压电压2、伏安特性：、伏安特性：长沙理工大学计算机通信工程学院制作 3 3、稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数 (1) (1) 稳定电压稳定电压u uz z(2) (2) 动态电阻动态电阻r rz z 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流i iz z下，所对应的反向工作电压下，所对应的反向工作电压。 r rz z = = u u / / i i r rz z愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿

17、特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作电流最小稳定工作电流izmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若i iz zi izminzmin则不能稳压则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流i izmaxzmax 超过超过izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuuziuizminizmax4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-434343 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作4.3 双极型晶体管双极型晶体管长沙理工大学计算机通信工程学院

18、制作1 晶体管的结构晶体管的结构becnnp基极基极发射极发射极集电极集电极npn型型pnpbcepnp型型4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管两pn结、三区、三极集电区基区发射区集电结发射结下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-454545 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作becibieicnpn型三极管型三极管becibieicpnp型三极管型三极管4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管2 符号符号下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-464646 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作be

19、cnnp基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管3 晶体管结构的特点晶体管结构的特点下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-474747 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作becrcrb 1 1、晶体管内部载流子的运动、晶体管内部载流子的运动i eib1. 1.发射结加正向电压，扩散发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散发射区的电子越过发射结扩散到基区到基区

20、，基区的空穴扩散到发基区的空穴扩散到发射区射区形成发射极电流形成发射极电流 i ie e ( (基区基区多子数目较少，空穴电流可忽多子数目较少，空穴电流可忽略略) )。2. 2. 扩散到基区的自由电子与扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极空穴的复合运动形成基极电流电流电子到达基区，少数与空穴复电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 i ibnbn。多数电子在基区继续扩散，多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。到达集电结的一侧。4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-484848 页页页退出本章退出本章退出本章长

21、沙理工大学计算机通信工程学院制作beci ei brcrb3.3.集电结加反向电压，漂移集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流运动形成集电极电流i ic c 集电结反偏，有利于收集基区集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极扩散过来的电子而形成集电极电流电流 i icncn。i c另外，集电区和基区的少另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成行漂移运动而形成反向反向饱饱和电流和电流，用用icbo表示。表示。icbo4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-494949 页页页退出本章退

22、出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作b be ec ce er rc cr rb b2 2、晶体管的电流分配关系、晶体管的电流分配关系i iepepi icbocboi ie ei ic ci ib bi ieneni ibnbni icncni ic c = = i icncn + + i icbocbo i ie e= = i icncn + + i ibnbn + + i iepep = = i ienen+ + i iepepi ib b=i iepep+ + i ibnbni icbocboi ie e = =i ic c+ +i ib b4.3 4.3 双极型晶体管双极

23、型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-505050 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作3 3、晶体管的共射电流放大系数、晶体管的共射电流放大系数cbobcbociiiiceobcbobc)1 ( iiiii整理可得：整理可得：i icbo cbo 称反向饱和电流称反向饱和电流i iceo ceo 称穿透电流称穿透电流1) 1) 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数bciibei1i）（2) 2) 共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数bcii v vccccr rb b+v vbbbbc c1 1t ti ic ci ib bc c

24、2 2r rc c+共发射极接法共发射极接法4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-515151 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作3) 3) 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数ecnii cboecbocnciiiii 11或或4) 4) 共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数ecii直流参数直流参数 与交流参数与交流参数 、 的含义是不同的，的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，但是，对于大多数三极管来说， 与与 ， 与与 的数值的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。却差别不大，计算

25、中，可不将它们严格区分。 、 5) 5) 与与 的关系的关系i ic ci ie e+c c2 2+c c1 1v veeeer re ev vccccr rc c共基极接法共基极接法4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管长沙理工大学计算机通信工程学院制作4 4、三极管的电流方向、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发射极的电流方向与发射极的箭头方向一致4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-535353 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1、输入特性输入特性uce 1vib( a)ube

26、(v)204060800.40.8uce=0vuce =0.5v4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管 i ib b=f f( (u ubebe) ) u ucece=const=const下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-545454 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作2、输出特性输出特性1234ic(ma )uce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 a此区域满此区域满足足ic= ib称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当uce大于一大于一定的数值时，定的数值时，ic只与只与ib有关，有关，4.3 4

27、.3 双极型晶体管双极型晶体管ic=f(uce) ib=const下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-555555 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作ic(ma )1234uce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 a此区域中此区域中uce ube,集电结正偏，集电结正偏， ibic，uce 0.3v称为饱和区。称为饱和区。4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-565656 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作ic(ma )1234u

28、ce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 a此区域中此区域中 : ib=0,ic=iceo,ubeic，uce 0.3v (3) 截止区：截止区： ube 死区电压，死区电压， ib=0 ， ic=iceo 0 4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-585858 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作判断三极管工作状态的方法三极管工作状态电位法电流法截止发射结反偏ib= 0饱和两结均正偏ic 0 0，即即。长沙理工大学计算机通信工程学院制作4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管下一页

29、下一页下一页前一页前一页前一页第第第 1-1-1-636363 页页页退出本章退出本章退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管三极管的参数分为三大类三极管的参数分为三大类: : 直流参数、交流参数、极限参数直流参数、交流参数、极限参数1 1、直流参数、直流参数1 1）共发射极直流电流放大系数）共发射极直流电流放大系数=（iciceo）/ibic / ib vce=const2 2）共基直流电流放大系数）共基直流电流放大系数ecii3 3）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流i icbo集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电

30、流i iceoceoiceo=（1+ ）icbo长沙理工大学计算机通信工程学院制作2 2、交流参数、交流参数1 1）共发射极交流电流放大系数）共发射极交流电流放大系数 = i ic c/ / i ib b u uce=const=const2 2） 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = i ic c/ / i ie e u ucbcb=const=const4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管长沙理工大学计算机通信工程学院制作1 1）最大集电极耗散功率）最大集电极耗散功率p pcmcm p pc c= i ic cu ucece 3 3、 极限参数极限参数2 2）最大集电极电流

31、）最大集电极电流i icmcm3 3）反向击穿电压反向击穿电压 u ucbocbo发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。 u u ebo ebo集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 u uceoceo基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 u ucbocbou uceoceou ueboebo4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管长沙理工大学计算机通信工程学院制作 由由p pcmcm、 i icmcm和和u uceoceo在输出特性曲线上可以确

32、在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 pc= icuce u (br) ceouce/v长沙理工大学计算机通信工程学院制作4 4、温度对晶体管特性及参数的影响、温度对晶体管特性及参数的影响1 1）温度对）温度对i icbocbo的影响的影响温度每升高温度每升高10100 0c c ， i icbocbo增加约一倍。增加约一倍。反之，当温度降低时反之，当温度降低时i icbocbo减少。减少。硅管的硅管的i icbocbo比锗管的小得多。比锗管的小得多。2 2）温度对输入特性的影响）温

33、度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，温度升高时正向特性左移，反之右移反之右移6060404020200 0 0.40.4 0.80.8i i / ma/ mau u / v / v温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响20200 060600 03 3）温度对输出特性的影响）温度对输出特性的影响温度升高将导致温度升高将导致 i ic c 增大增大i ic cu uceceooi ib b20200 060600 0温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响长沙理工大学计算机通信工程学院制作4.4 4.4 场效应管场效应管4.4 场效应晶体管场效应晶体管长沙理工大学计算机通信工程学院制作场

34、效应管：场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场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，又称效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。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；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。 4.4 4.4 场效应管场效应管长沙理工大学计算机通信工程学院制作nn沟道沟道p p沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型nn沟道沟道p p沟道沟道nn沟

35、道沟道p p沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）fetfet场效应管场效应管jfetjfet结型结型mosfetmosfet绝缘栅型绝缘栅型场效应管分类：场效应管分类：长沙理工大学计算机通信工程学院制作 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属- -氧化物氧化物- -半半导体场效应管，导体场效应管，或简称或简称 mos 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 101010 10 以上。以上。类型类型n n 沟道沟道p 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u ugsgs = 0 = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电

36、沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；u ugsgs = 0 = 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。长沙理工大学计算机通信工程学院制作1 1、n n 沟道增强型沟道增强型 mos mos 场效应管场效应管 结构结构p p 型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dsiosio2 2源极源极 s s漏极漏极 d d衬底引线衬底引线 b b栅极栅极 g gs sg gd db b长沙理工大学计算机通信工程学院制作1. 1. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 u ugsgs 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多少，

37、的多少，改变由这些改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流漏极电流 i id d。2.2.工作原理分析工作原理分析(1)(1)u ugsgs = 0 = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 pn pn 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。s sb bd d长沙理工大学计算机通信工程学院制作(2) (2) u udsds = 0 = 0，0 0 u ugsgs u ut t) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 i id d 。b. b

38、. u udsds= = u ugsgs u ut t， u ugdgd = = u ut t靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. c. u uds ds u ugsgs u ut t， u ugdgd u ut t由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，u uds ds 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变， i id d因而基本不变。因而基本不变。a. a. u udsds u ut tp p 型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dv vggggv vddddp p 型衬

39、底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dv vggggv vddddp p 型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dv vggggv vdddd夹断区夹断区长沙理工大学计算机通信工程学院制作d dp p型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sv vggggv vddddp p型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dv vggggv vddddp p型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd dv vggggv vdddd夹断区夹断区(a) (a) u ugdgd u ut t(b) (b) u ugdgd = = u ut t(c

40、) (c) u ugdgd u ugsgs u ut t时，对应于不同的时，对应于不同的u ugsgs就有一个确定的就有一个确定的i id d 。此时，此时， 可以把可以把i id d近似看成是近似看成是u ugsgs控制的电流源。控制的电流源。长沙理工大学计算机通信工程学院制作3. 3. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)(a)转移特性转移特性(b)(b)输出特性输出特性u ugsgs u ut t 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断、夹断区。区。u ut t 2 2u ut ti idodou ugsgs /v /vi

41、id d /ma /maooi id d/ /mamau uds ds / /v vootgsuu 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。u ugsgs增加增加长沙理工大学计算机通信工程学院制作二、二、n n 沟道耗尽型沟道耗尽型 mos mos 场效应管场效应管p p型衬底型衬底nn+ +nn+ +b bg gs sd d+ +制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 p p 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 u ugsgs =

42、0 = 0 也会形成也会形成 n n 型导电沟道型导电沟道。+ + +u ugsgs = 0 = 0，u udsds 0 0，产，产生较大的漏极电流；生较大的漏极电流；u ugsgs 0 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耗尽型耗尽型 mos mos 管的符号管的符号sgdb( (b) )输出特性输出特性id/mauds /vo+1vugs=0 3 v 1 v 2 v432151015 20n 沟道耗尽型沟道耗尽型mosfet长沙理工大学计算机通信工程学院制作三、三、p p沟道沟道mosmos管管1. 1.p p沟道增

43、强型沟道增强型mosmos管管的开启电压的开启电压u ugs(th)gs(th) 0 0 当当u ugsgs u ugs(th)gs(th) ，漏漏- -源之间应加负电源电压源之间应加负电源电压管子才导通管子才导通, ,空穴导电空穴导电。2.2.p p沟道耗尽型沟道耗尽型mosmos管管的夹断电压的夹断电压u ugs(off)gs(off)0 0 u ugsgs 可在正、负值的一定范围内实现对可在正、负值的一定范围内实现对i id d的控制的控制，漏漏- -源之间应加负电源电压源之间应加负电源电压。s sg gd db bp p沟道沟道s sg gd db bp p沟道沟道长沙理工大学计算机通

44、信工程学院制作种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 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长沙理工大学计算机通信工程学院制作种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线绝缘绝缘栅型栅型n 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型p 沟

45、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 长沙理工大学计算机通信工程学院制作1.4.31.4.3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. 1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 i idssdss2. 2. 夹断电压夹断电压 u up p 或或u ugs(off)gs(off)3. 3. 开启电压开启电压 u ut t 或或u ugs(th)gs(th)4. 4. 直流输入电阻直

46、流输入电阻 r rgsgs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 10107 7 以上，以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于绝缘栅场效应管更高，一般大于 10109 9 。长沙理工大学计算机通信工程学院制作二、交流参数二、交流参数1. 1. 低频跨导低频跨导 g gmm2. 2. 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 u ugsgs 对漏极电流对漏极电流

47、i id d 的控的控制作用。制作用。常数dsgsdmuuig单位：单位：i id d 毫安毫安(ma)(ma)；u ugsgs 伏伏(v)(v)；g gm m 毫西门子毫西门子(ms)(ms) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 c cgsgs、c cgdgd、c cdsds。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。一般为几个皮法。长沙理工大学计算机通信工程学院制作三、极限参数三、极限参数2.2.漏源击穿电压漏源击穿电压 u u(br)ds(br)ds3. 3. 栅源击穿电压栅源击穿电压u u(b

48、r)gs(br)gs当漏极电流当漏极电流 i id d 急剧上升产生击穿时的急剧上升产生击穿时的 u uds ds 。栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流，击穿将会损坏管子击穿将会损坏管子。1. 1.最大漏极电流最大漏极电流i idmdm长沙理工大学计算机通信工程学院制作例例电路如图电路如图1.4.14所示，其中管子所示，其中管子t的输出特性曲的输出特性曲线如图线如图1.4.15所示。试分析所示。试分析ui为为0v、8v和和10v三种情况下三种情况下uo分别为多少伏？分别为多少伏？ 图图1.4.14图图1.4.15分析：分析：n沟道增强型沟道增

49、强型mos管，开启电压管，开启电压ugs(th) 4v长沙理工大学计算机通信工程学院制作解解(1) ui为为0v ，即，即ugsui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 vdd 15v(2) ugsui8v时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区， id 1ma， u0 uds vdd - id rd 10v(3) ugsui10v时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区， id 2.2ma。因而。因而u0 15- 2.2*5 4v但是，但是， ugs 10v时的预夹断电压为时的预夹断电压为uds= ugs ut=(10-4)v=6v可见

50、，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区长沙理工大学计算机通信工程学院制作从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得ugs 10v时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(d在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)kiurddsds3)1013(3所以输出电压为所以输出电压为vvrrruddddsds6 . 50长沙理工大学计算机通信工程学院制作晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构npn型、型、pnp型型结型耗尽型结型耗尽型 n沟道沟道 p沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 n沟道沟道 p沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 n沟道沟道 p沟道沟道c与与e一般不可倒置使用一

51、般不可倒置使用d与与s有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源cccs()电压控制电流源电压控制电流源vccs(gm)1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较长沙理工大学计算机通信工程学院制作温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小较小输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和 超大规模集成超大规模集成晶体管晶体

52、管场效应管场效应管长沙理工大学计算机通信工程学院制作小小 结结第第 4 章章长沙理工大学计算机通信工程学院制作一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子空穴空穴两两 种种半导体半导体n 型型 ( (多电子多电子) )p 型型 ( (多空穴多空穴) )二极管二极管单向单向正向电阻小正向电阻小( (理想为理想为 0) )，反向电阻大反向电阻大( ( ) )。)1e (dsd tuuii)1e ( , 0dsdd tuuiiu0 , 0sd iiu长沙理工大学计算机通信工程学院制作2. 二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 ( (大信号状

53、态采用大信号状态采用) )udid正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型ud(on)正偏电压正偏电压 ud(on) 时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源ud(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开ud(on) = (0.6 0.8) v估算时取估算时取 0.7 v硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3) v0.2 v长沙理工大学计算机通信工程学院制作三、两种半导体放大器件三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管双极型半导体三极管( (

54、晶体三极管晶体三极管 bjt) )单极型半导体三极管单极型半导体三极管( (场效应管场效应管 fet) )两种载流子导电两种载流子导电多数载流子导电多数载流子导电晶体三极管晶体三极管1. 形式与结构形式与结构npnpnp三区、三极、两结三区、三极、两结2. 特点特点基极电流控制集电极电流并实现基极电流控制集电极电流并实现放大放大长沙理工大学计算机通信工程学院制作放放大大条条件件内因：发射区载流子浓度高、内因：发射区载流子浓度高、 基区薄、集电区面积大基区薄、集电区面积大外因：外因：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏3. 电流关系电流关系ie = ic + ibic = ib + ic

55、eo ie = (1 + ) ib + iceoie = ic + ibic = ib ie = (1 + ) ib 长沙理工大学计算机通信工程学院制作4. 特性特性ic / mauce /v100 a80 a60 a40 a20 aib = 0o 3 6 9 124321o0.4 0.8ib / aube / v60402080死区电压死区电压( (uth) )：0.5 v ( (硅管硅管) ) 0.1 v ( (锗管锗管) )工作电压工作电压( (ube(on) ) ) ：0.6 0.8 v 取取 0.7 v ( (硅管硅管) ) 0.2 0.3 v 取取 0.3 v ( (锗管锗管) )饱饱和和区区截止区截止区长沙理工大学计算机通信工程学院制作ic / mauce /v100 a80 a60 a40 a20 aib = 0o 3 6 9 124321放大区放大