第四章常用半导体器件原理

1、第四章 常用半导体器件原理第四章 常用半导体器件原理 本章主要研究半导体器件：晶体二极管、双极型晶体管和场效应管的结构、工作原理、特性和应用电路。 4.1 半导体物理基础 4.2 PN结 4.3 晶体二极管 4.4 双极型晶体管 4.5 场效应管 第四章 常用半导体器件原理4.1 半导体的物理基础物质导电性导体绝缘体半导体 具有良好的导电性：大多数金属、电解液和电离气体。 对电信号起阻断作用：玻璃、橡胶等，电阻率一般为108 1020m 导电能力介于导体和绝缘体之间，且与温度、光照和掺杂等因素有关。第四章 常用半导体器件原理纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。价电子:原子最外层轨道上的四个电子，

2、很大程度上决定了原子的物理化学性质，每个价电子带一个单位的负电荷。原子呈电中性。 + 4 带 一 个 单 位 负 电 荷 的 价 电 子 最 外 层 轨 道 带 四 个 单 位 正 电 荷 的 原 子 核 部 分 + 1 4 + 3 2 硅 原 子 简 化 模 型 锗 原 子 图 4 .1 .1 硅 和 锗 的 原 子 模 型 (b ) (c) (a ) 一、本征半导体第四章 常用半导体器件原理本征半导体的空间晶格结构 本征激发本征激发：在外界加热、光照或者电击时，部分价电子吸收足够的能量而脱离原子核成为自由电子，在共价键处留下一个空位，即空穴的过程。激发产生成对的电子空穴，本征半导体的电子空

3、穴数相等共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。 本征半导体的导电性很差。本征半导体的空间晶格结构如图第四章 常用半导体器件原理 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 图 4.1.4 价 电 子 反 向 递 补 运 动 相 当 于空 穴 移 动 空 穴 移 动 方 向 价 电 子 移 动 方 向 图 4.1.5 复 合 消 失 一 对 自 由电 子 和 空 穴 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 电 子 载流子载流子：激发产生的带负电的自由电子和带正电的空穴，二者均参与导电。 复合复合：自由电子和空穴在移动中相结合，并释放能量，从而消失一对载流子的过程。第四章 常用半

4、导体器件原理设在某一温度的动态平衡下，自由电子的浓度为 ni，空穴的浓度为 pi，则：kTEiiGeTApn22/300其中：T 为热力学温度（K）EG0 为T=0K时的禁带宽度，硅为1.21eV 锗为0.78eVk=8.63 10-5eV/K 为玻尔兹曼常数A0=3.78 1016cm-3 K-3/2（硅）A0=1.76 1016cm-3 K-3/2（锗）第四章 常用半导体器件原理二、N型半导体和P型半导体杂质半导体：少量掺杂可显著提高本征半导体的导电性。1、N型半导体在本征半导体中掺入五价元素的原子，如磷，砷，锑等。 键外电子受到小的能量激发就会成为自由电子，由此，每加入一个五价原子，就形

5、成一个自由电子。第四章 常用半导体器件原理多数载流子(多子)：自由电子少数载流子(少子)：空穴N型半导体呈现电中性：施主正离子起平衡作用型半导体呈现电中性：施主正离子起平衡作用DnNn 自由电子浓度 nn 近似等于施主原子的掺杂浓度 ND：掺杂后空穴的浓度为：D2n2nNnnnpii载流子浓度 ni对温度敏感，pn随环境的改变而明显变化。第四章 常用半导体器件原理2、P 型半导体本征半导体中掺杂三价元素，如硼、铝、铟等。 室温，P型半导体每掺杂一个杂质原子，就提供一个空穴，P型半导体中空穴的浓度大量增加。多数载流子(多子)：空穴少数载流子(少子)：自由电子占P型半导体呈电中性：受主负离子起到平

6、衡作用型半导体呈电中性：受主负离子起到平衡作用第四章 常用半导体器件原理空穴浓度 pp 近似等于受主原子的掺杂浓度 NA：ApNp 自由电子的浓度 np 为：A22pNnpnnipi电子电流 In ：自由电子的定向移动形成， 与电子的运动方向相反。空穴电流 Ip ：空穴的定向移动形成， 与空穴的运动方向相同3 飘移电流和扩散电流第四章 常用半导体器件原理pnIII半导体中的电流 I 为：载流子的定向移动的推动力：1）飘移电流：电场作用下形成的电流。取决于载流子浓度、迁移率和电场强度。 2）扩散电流：浓度梯度的驱使下形成的电流。取决于载流子浓度梯度的大小。第四章 常用半导体器件原理总结：1 N型

7、半导体：掺杂五价元素形成，自由电子是多子 P型半导体：掺杂三价元素形成，空穴是多子2 掺杂显著改变半导体内载流子的浓度，形成多子与少子。多子浓度近似为掺杂浓度，温度变化对其影响很小； 少子浓度主要由本征激发决定，掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，少子浓度明显变化。 3 半导体中存在两种电流：飘移电流和扩散电流。第四章 常用半导体器件原理 PN结：P型半导体和N型半导体的交界面处会形成一个很薄的具有特殊物理性质的薄层。PN结是构成半导体器件的基本单元。4.2 PN 结 一、PN结的形成 P型和N型半导体的结合面处形成空穴和电子的浓度差，引起多子的扩散运动。P区的空穴会向N区扩散，并在N区被电子

8、复合。而N区中的电子向P区扩散，并在P区被空穴复合。在交界面两侧形成由等量的受主负离子和施主正离子构成的空间电荷区，如图所示。第四章 常用半导体器件原理PNPN空间电荷区内电场UB多子的扩散运动形成的内建电场多子扩散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡第四章 常用半导体器件原理 空间电荷区内没有载流子，也称为耗尽区(层)。内电场对扩散有阻挡作用，又称为阻挡区或势垒区。 如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边。 NP +耗尽区PN +耗尽区第四章 常用半导体器件原理二 P

9、N结的单向导电特性结的单向导电特性耗尽区内电场UUB URE1、PN结加正向电压 PN结正向偏置：使P区电位高于N区电位的接法，如图耗尽层特点：扩散电流大于飘移电流，而形成电路中的正向电流。2、耗尽层变窄1、两端电压：UB-U3、多子浓度梯度增加， 内建电场减弱第四章 常用半导体器件原理 2、PN结加反向电压 PN结反向偏置：使P区电位低于N区电位，如图耗尽区特点：1、两端的电位差：UB+U2、耗尽层加宽。3、多子的浓度梯度减少，内部电场加强漂移电流大于扩散电流，在电路中形成反向电流。第四章 常用半导体器件原理 3、PN结的单向导电性 正偏：UB很小，较小的正向电压产生较大的正向电流，正向电流

10、随正向电压的微小变化发生显著变化。 反偏时，少子只能提供很小的反向电流，且基本不随反向电压而变化。三、三、PN结的击穿特性结的击穿特性击穿：反向电压足够大时引起反向电流急剧增加的现象 1、雪崩击穿 反偏的PN结中，电场作用产生的高能少子碰撞中性原子的价电子产生电子空穴对。后者被电场加速而产生类似的碰撞激发，载流子剧增，反向电流急剧增大的现象。第四章 常用半导体器件原理 高能少子：电场下的长距离运动，但长距离增加了碰撞的几率，因此雪崩击穿一般发生在轻掺杂的PN结中。 反向电压在重掺杂的PN结中形成很强的电场。强电场将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，从而使反向电流急剧

11、增大的现象。对硅材料的PN结雪崩击穿：UBR7V齐纳击穿：UBR 5V UBR介于57V时，两种击穿都有。 2、齐纳击穿(场致击穿)第四章 常用半导体器件原理 四、PN结的电容特性 PN结的电容效应： PN结存贮的电荷的特性。 PN结电容：势垒电容和扩散电容。1、势垒电容（类似平板电容） P区 N区 耗尽区 |u| P区 N区 耗尽区 |u| (a) (b) 图 4.2.5 耗尽区中存贮电荷的情况 (a) u增大时存贮电荷减少；(b) u减小时存贮电荷增加 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 第四章 常

12、用半导体器件原理dSUuCdudQCnBTT)1 (0CT0为外加电压u=0时的CT值，与PN结的结构、掺杂浓度等有关；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。 当反向电压 u 绝对值增大时，CT 将减小。第四章 常用半导体器件原理2、扩散电容pppnnnnp0np0pnpQpQnQnQ第四章 常用半导体器件原理KIuQQuQCpnDN结的结电容：Cj= CT + CD 当外加电压变化量为u时，电子和空穴的浓度变化如图中实线所示，引起的电子和空穴的变换量分别为Qp和 Qn，从而在N区和区存储的总电荷为Q Qp Qn，用扩散电容表示这种电容效应。正偏时以CD为

13、主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主， Cj CT，其值通常为几至几十pF。第四章 常用半导体器件原理二极管的结构和电路符号如图：4. 晶体二极管DuDi一、二极管的伏安特性曲线一、二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性与PN结的伏安特性很接近，仅在于阴线的接触电阻、P区的体电阻和区的体电阻以及表面漏电流造成二者稍有差异。第四章 常用半导体器件原理 一般用结的电流方程描述二极管的伏安特性：11TDDuuSkTquSDeIeIiDiDuTDuuSDeIi )on(Du击穿Is：反向饱和电流，取决于半导体材料、制作工艺和温度等。C106119 .q /qkTuT室温下为第

14、四章 常用半导体器件原理导通电压UD(on) ：正向电压小于导通电压，正向电流很小，当超过时，正向电流明显变化。 室温下，硅管UD(on) =(0.50.6)V，锗管UD(on) =(0.10.2)V。正偏二极管在小电流时，电流与电压为指数关系，电流较大时，P区、N区体电阻和引线接触电阻的作用增强，电流、电压近似呈线性关系。反偏时，对小功率管，未击穿时反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安，可近似认为零。、二极管的导通、截止与击穿二极管对直流和低频信号有很好的单向性。第四章 常用半导体器件原理、二极管的管压降DuDiERVDRiEuDD电路DiDuDQU)(onDUDQIRE/

15、伏安特性曲线负载线Q伏安特性曲线电路负载特性导通时二极管的伏安特性近似垂直，因此认为二极管的导通时二极管的伏安特性近似垂直，因此认为二极管的压降为二极管的导通电压。压降为二极管的导通电压。第四章 常用半导体器件原理 二极管的电阻：直流电阻和交流电阻 1）直流电阻RD RD：二极管端直流电压UD与流过的直流电流 ID之比DQDQDIUR 正向的RD随工作电流增大而减小。二极管的直流电阻RD不同的Q点具有不同的直流电阻RD。RD的几何意义：Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。第四章 常用半导体器件原理 2）交流电阻rD rD：Q点的电压与电流的微变量之比QDiur交流电阻rD与工作电流IDQ成

16、反比，并与温度有关。DQTUUSTIUeIUTDQ/),(DQDQIUQui由二极管的电流方程有：QUuSTQQDTeIUdiduiur/ rD的几何意义：Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。交流电阻rD第四章 常用半导体器件原理)()V(26mImrDQD 结论：结论：二极管伏安特性是非线性，交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。当二极管的端电压为u=UDQ+u，其电流iDDDDQDQDruRUiIi室温下(T=300K):第四章 常用半导体器件原理 二、二、 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响测试结果： 温

17、度每升高1，UD(on)减小约22.5mV。 测试结果：温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时， IS =IS1；温度为T2时， IS =IS2，则10/ )(12122TTSSIIT本征激发少子浓度IS 热电压UT TDuue综合：T，反向饱和电流IS作用明显，总体正向电流增加。温度升高，雪崩击穿电压增加，而齐纳击穿电压下降。第四章 常用半导体器件原理 二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。 三、三、 晶体二极管的近似伏安特性和简化电路模型晶体二极管的近似伏安特性和简化电路模型0DrIII0Di

18、Du)on(DUDr1III0DiDu)on(DU0DrIII0DiDu0)on(DU二极管的近似伏安特性特性第四章 常用半导体器件原理 二极管的简化电路模型(on)DDUu (on)DDUu (on)DUIII(on)DU(on)DDUu(on)DDUu III0Du0DuIII第四章 常用半导体器件原理例4.3.1 如图，计算二极管中的电流ID。UD(on)=0.6V, rD0。V6 EV6 E1R2R2kk 1VDDIV6 EV6 E1R2R2kk 1V6 . 0A1I2IDI解：4V.56.06)on(DAUEUmA1 .1102121RURUEIIIAAD第四章 常用半导体器件原理四

19、、稳压二极管稳压二极管 击穿后，特性曲线更陡峭， IZ很大范围 (IZmin IZ IZmax)内变化时，两端电压几乎不变，即稳压UZ。DiDu0ZUminZImaxZIZUDuDiZiIZ 太小稳压效果差，太大使得管耗过大，甚至烧坏 PN 结。工作电流 IZ 满足： IZmin IZ 0.7V 时，u o=u i-0.7Vu i 0 ，u o= u iu i 0 ，u o= -(R2/R1) u iu i 0-+uiuoR1R2Au i uo时，uo10,二极管导通，电容C充电，A1为电压跟随器， uo= uC ui ， uo随ui增大。当 ui uo时，uo10，二极管截止，A1为电压比较

20、器， uo= uC保持不变。tuo ui ui uo 0 第四章 常用半导体器件原理4.4 双极型晶体管三极管：由三层杂质半导体构成的有源器件双极型晶体管的结构和符号N+P N ebc发射区基区集电区发射结集电结NPN型三极管bceP+N P ebc发射区基区集电区发射结集电结PNP型三极管bec第四章 常用半导体器件原理晶体管的结构特点晶体管的结构特点: 发射区相对基区中掺杂(即e结为PN+结)；基区很薄(零点几到数微米)；集电结面积大于发射结面积。一、晶体管的工作原理(以NPN型晶体管为例)放大状态：直流偏置保证发射结正偏，集电结反偏晶体管内载流子的定向运动分为三个阶段1 发射区向基区注入

21、电子 2 电子在基区边扩散边复合3 扩散到集电结的电子被集电区收集 第四章 常用半导体器件原理 晶体管内载流子的运动和各极电流cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN+电子注入电流IEN空穴注入电流IEP复合电流IBN反向饱和电流IBN1 发射区向基区注入电子 2 电子在基区边扩散边复合3 扩散到集电结的 电 子 被 集电区收集 收集电流ICN第四章 常用半导体器件原理 1、发射区向基区注入电子：多子扩散为主 2、基区中自由电子边扩散变复合 基区中的非平衡少子自由电子扩散至集电结，在扩散中与空穴复合而形成复合电流IBN；基区很薄且不是重掺杂，因此绝大部

22、分自由电子扩散至集电结。 3、集电区收集自由电子 a) 发射区电子越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN； b)基区空穴注入发射区，形成空穴注入电流IEP。 基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度， IEP UBE(on)，晶体管导通，进入饱和或放大区, 此时 uBE UBE(on)，否则进入截止。PNP晶体管：uBE UBE(on)，晶体管导通，进入饱和或放大区。第四章 常用半导体器件原理三、 晶体管的近似伏安特性和简化直流模型NPN晶体管近似伏安特性曲线iC/mA0uCE/VIIIIIIuCE(sat)iC/mA0uCE/VuBE(on)iC/mA0uCE/VIIIIIIuCE(sat)i

23、C/mA0uCE/VIIIIIIuBE(on)PNP晶体管近似伏安特性曲线第四章 常用半导体器件原理截止区放大区饱和区BI晶体管的简化直流模型截止区放大区饱和区BINPN晶体管PNP晶体管第四章 常用半导体器件原理四、直流偏置下晶体管的工作状态分析1）根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。 若反偏或正偏电压小于|UBE(on)|，晶体管截止，IB、IC、IE均为零，外电路决定UBE、UCE和UCB。 2）若发射结的正偏电压达到|UBE(on)| ，则晶体管处于饱和或放大区，再判断集电结正偏还是反偏。集电结反偏，则为放大状态，UBE= UBE(on)，外电路决定IB，IC=IB，IE=IC

24、+IB，极电流和外电路计算UCB和UCE。 3）若集电结正偏，晶体管处于饱和状态，则UBE= UBE(on)， UCE= UCE(sat)， UCB= UCE- UBE，再由极间电压和外电路计算IB、IC和IE。第四章 常用半导体器件原理例4.4.1 晶体管电路如图。 UBE(on)=0.6V，=50。当输入电压Ui分别为0V、3V和5V，分析晶体管的工作状态。60k4kVIBIEICRBRCUCC12VUi解： 1、Ui=0V，晶体管截止IC=0，Uo=UCC-ICRC=12V2、Ui=3V，晶体管放大或饱和A40/ )(BonBEiBRUUI设晶体管放大，则：mA2BCII04 . 3)(

25、)(VURIUUUUonBECCCCBCCB3、Ui=5VVUCB27. 3晶体管饱和，Uo=UCE(sat)集电结反偏，晶体管处于放大状态，Uo=UC=4V。第四章 常用半导体器件原理例4.4.2 晶体管电路如图。 UBE(on)=-0.7V，=50。判断晶体管的工作状态，计算IB、IC和UCE。解：PNP型晶体管晶体管处于放大或饱和状态RCRB200k2kICIBIEUCC-12VRE2kEBonBEUUU)(EEBBCCRIRIU)(EBBBCCRIRIU)1 (0A4 .37BI0mA87. 1BCII074. 3)()(VRIURIUUUUBBCCCCCCBCCB集电结反偏，晶体管处

26、于放大A4 .37BImA87. 1CIV44. 4)(onBECBCEUUU第四章 常用半导体器件原理 利用晶体管的电流方程和极电流关系，运放的虚短和虚断。五、晶体管应用电路1、对数和反对数电路uiICR+-uouiICR+-uoTBEUuSCeIi SCTBEIiUuln)/ln(ToSCBEIIUuU)/ln(TSiRIUU)/ exp( BEoTSCUU-RIRIU)/ exp( iTSUu-RI对数和反对数电路是非线性电路，故不适用叠加原理。对数和反对数电路是非线性电路，故不适用叠加原理。第四章 常用半导体器件原理2、测量电路12o21RRUUUIIBCU1ICR1+-Uo+-VR2

27、IBU2121RUUIC2oRUIB晶体管的为：3、恒流源电路UCCR1-+12V1kIoVDZR2300V6ZUmA20/2ZoRUIIIEC第四章 常用半导体器件原理4.5 场 效 应 管一、结型场效应管 (Junction Field Effect Transistor 简称JFET)源极S栅极漏极GD导电沟道NP+P+PN结N沟道JFET及其符号源极S栅极漏极GD导电沟道PN+N+PN结P沟道JFET及其符号第四章 常用半导体器件原理1、工作原理SNP+P+DGUDS UGS=0 ，沟道最宽，IDmaxUGS IDUDS UGS SNP+P+DGIDUGS负增 ，沟道变窄，IDUDS

28、UGS SNP+P+DGID=0UGS=UGS(off) ，沟道断开UDS UGS SPN+N+DGIDUGS正增 ，沟道变窄，IDUDS UGS SPN+N+DGID=0UGS=UGS(off) ，沟道断开UGS=0 ，沟道最宽，IDmaxSPN+N+DGUDS UGS ID第四章 常用半导体器件原理结论：结论：a、栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化；b、不论N或P沟道，由于PN结反偏，栅极电流IG0， JFET输入阻抗很大。2、特性曲线uGS=0V-0.5V-1V-1.5V-2V-2.5VuDS/ViD/mA05101520uDS/V051015201234可变电阻区恒流区击

29、穿区UDG=-UGS(off)UGS=UGS(off)N沟道JFET输出特性iD/mAuDS/V0-5-10-15-20-1-2-3-4-UGS=UGS(off)击穿区恒流区可变电阻区UDG=-UGS(off)P沟道JFET输出特性第四章 常用半导体器件原理a、恒流区 当|uGS| | UGS(off) |时，工作点进入恒流流区，恒流区内 uGS 对 iD 的控制能力很强，二者为平方律关系。对固定的 uGS，uDS 变化时，iD 的改变很小。 当|uDG| | UGS(off) |时，在靠近漏极处，PN结变厚，导电沟道被局部夹断，称为预夹断。如图所示。UDS UGS SNP+P+DGIDN沟道

30、JFET预夹断UDS UGS SPN+N+DGIDP沟道JFET预夹断第四章 常用半导体器件原理 |uDS| 增大时，电压增量主要分布在局部预夹断区，对导电沟道的导电能力影响较小，因而 uDS 对 iD 的控制能力很弱。 当|uGS | | UGS(off) | 而 |uDG | | uGS(off) |，导电沟道被全部夹断，iD=0。b、可变电阻区 若|uDS| 足够大，PN结在靠近漏极的局部会被击穿，iD剧增，相应的区域称为击穿区。第四章 常用半导体器件原理 转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即 转移特性曲线CuGSDDSufi)(理论分析和实测结果表

31、明，iD与uGS符合平方律关系：JFET)(N )1 (2沟道GSoffGSDSSDUuIiuGS/ViD/mAIDSSuGS(off)0-1-2-31234N沟道JFETuGS/ViD/mAIDSSuGS(off)0-1-2-3-41 2 3P沟道JFET第四章 常用半导体器件原理二、绝缘栅场效应管 (MOSFET)栅极和导电沟道之间有一层很薄的SiO2绝缘体，比JFET有更高的输入阻抗，功耗低和集成度高而广泛应用。分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。栅极GBP+N衬底PN结P+源极S漏极D栅极GBN+P衬底PN结N+源极S漏极DSiO2绝缘层N沟道增强型MOSFET及其符号P沟道增

32、强型MOSFET及其符号第四章 常用半导体器件原理栅极GBN+P衬底PN结N+源极S漏极DSiO2绝缘层N沟道耗尽型MOSFET及其符号P沟道耗尽 型MOSFET及其符号栅极GBP+N衬底PN结P+源极S漏极D 增强型MOSFET在结构上不存在导电沟道，若在制作过程中，通过离子掺杂，利用离子电场对自由电子和空穴的吸引与排斥，在紧靠绝缘层的衬底表面形成与重掺杂同型的原始导电沟道，连通两个重掺杂区，得到耗尽层MOSFET。 第四章 常用半导体器件原理1、工作原理(增强型MOSFET)UGS=0，两PN结相反，虽然有漏极电压UDS，但ID=0UGS，且足够大时，衬底表面形成反型层PN，产生导电沟道,

33、 ID0,，此时的UGS称为开启电压UGS(th)。P衬底N+N+DGS+ +- -UGSUDSIDP衬底N+N+DGSUGSUDSIDN+N+DGSUGSUDSIDUGS ，沟道变宽，ID增大，UGS(th)对ID控制作用 UGS控制漏极电流ID。栅极电流IG=0(存在绝缘层) ，输入阻抗极大，源极电流IG和漏极电流ID相等，反偏的PN结IB=0。第四章 常用半导体器件原理 耗尽型场效应管中存在原始导电沟道，故N沟道耗尽型MOSFET在UGS=0时就存在ID=ID0。N衬底P+P+DGS+ +- -UGSUDSIDN衬底P+P+DGSUGSUDSIDP+P+DGSUGSUDSIDN衬底P沟道

34、增强型MOSFET工作原理UGS导电沟道宽度ID。UGS | UGS(th) |，且|uDG| | UGS(th) | 而 |uDG | | UGS(th) |时，工作点进入可变电阻区。uDS的变化明显改变iD的大小。交流输出电阻rDS随着uGS的增大而减小。3)、截止区| uGS | | uGS(th) |，导电沟道尚未形成，iD=0。2)、可变电阻区AU1b、转移特性曲线( N沟道增强型MOSFET ) 增强型MOSFET在恒流区内，iD 与 UGS 呈平方律关系。2)(oxn)(2thGSGSDUuLWCi( N沟道增强型MOSFET ) 第四章 常用半导体器件原理N 沟道增强型MOSF

35、ET的转移特性uGS/ViD/mA02 4681234uGS（th）uGS/ViD/mA0-2-4-6-81234uGS（th）P 沟道增强型MOSFET的转移特性)1()(22)(oxnDSthGSGSDuUuLWCi n为沟道电子运动的迁移率；Cox为单位面积栅极电容； W和L 分别为导电沟道宽度和长度，W/L为宽长比。考虑 uDS 对 iD 的微弱作用，则为： 第四章 常用半导体器件原理耗尽型MOSFET的输出特性和转移特性曲线UDG=- -UGS(off)UGS=UGS(off)UGS=9V6V3V0V-3VuDS/ViD/mA051015201234恒流区可变电阻区击穿区截止区N沟道

36、耗尽型MOSFET3V0V-3V-6VUGS=-9ViD/mAuDS/VUGS=UGS(off)击穿区恒流区可变电阻区-5-10-15-200-1-2-3-4UDG=-UGS(off)截止区P沟道耗尽型MOSFET耗尽型MOSFET的输出特性第四章 常用半导体器件原理表示 uGS =0 时的漏极电流耗尽型MOSFET在恒流区内的电流方程为：2)off(D01GSGSDUuIiN 沟道耗尽型MOSFET)off(oxnD02GSULWCIuGS/ViD/mA03691234uGS（0ff）-6 -3uGS/ViD/mA036-9uGS（0ff）-6 -3-3-2-4-1耗尽型MOSFET的转移特

37、性第四章 常用半导体器件原理三、各种场效应管的比较及其与晶体管的比较1、各种场效应管的电路符号JFET型N沟道P沟道MOSFET增强型耗尽型第四章 常用半导体器件原理2、各种场效应管的特性曲线uGS0IDSS耗尽型N沟增强型N沟MOSJFETN沟道UGS(off)JFETP沟道UGS(off)UGS(th)UGS(th)耗尽型P沟道增强型MOSP沟道iDID0ID0输 出 特 性转 移 特 性增强MOSFET P沟道uD SiD0可变电阻区01234560123-1-2-3-3-4-5-6-7-8-9JFETP沟道耗尽-3-4-5-60-1-20123-1-2-33456789JFETN沟道耗

38、尽 增强UGSMOSFET N沟道UGS第四章 常用半导体器件原理3、场效应管和晶体管的比较 b、晶体管中导电主要靠基区中非平衡少子的扩散运动，导电能力易受外界因素（如温度）影响。场效应管只依靠多子的漂移运动导电，导电能力不易受环境影响。 c、场效应管的漏极和源极结构对称，可互换。晶体管中发射区和集电区是同型的半导体，但二者不能互换。 a、输入电阻：晶体管处于饱和或放大状态，存在一定的基极电流，输入电阻较小，在k量级。场效应管，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离栅极和导电沟道，栅极电流很小，输入电阻很大，大于107 。第四章 常用半导体器件原理NPN晶体管晶体管结型

39、场效应管结型场效应管JEFT增强型增强型NMOSEFT 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 22)Uu(LWCiGS(th)GSoxnD 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 21 GS(off)GSDSSDUuIiTUueIiiBESCE指数关系指数关系平方律关系平方律关系第四章 常用半导体器件原理四、场效应管的工作状态分析 通过直流偏置电路使场效应管的工作点分别位于恒流区、可变电阻区或截止区，从而实现不同的功能。UGS VSUGS(off) JFET或耗或耗 尽型尽