ch4半导体二极管、三极管和场效应管

1、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、稳压管的原理。二极管的单向导电性、稳压管的原理。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结结绝缘体导电能力0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi4. PN结的电流方程结的电流方程4.1 PN4.1 PN结结下

2、一页前一页第 1-21 页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结结下一页前一页第 1-22 页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)

3、 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结结下一页前一页第 1-23 页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CD当外加正向电压不当外加正向电压不同时，同时，PN结两侧堆结两侧堆积的非平衡少子的积的非平衡少子的数量及浓度梯度也数量及浓度梯度也不同，这就相当电不同，这就相当电容的充放电过程容的充放电过程。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL平衡少子平衡少子：PN结处于平衡时的少子。结处于平衡时的少子。非平衡少子非平衡少子：外加正向电压时，从外加正向电压

4、时，从P区扩散到区扩散到N区的空区的空穴和从穴和从N区扩散到区扩散到P区的自由电子区的自由电子。4.1 PN4.1 PN结结下一页前一页第 1-24 页退出本章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结结下一页前一页第 1-25 页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

5、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 二极管二极管 = 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前一页第 1-27 页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

6、 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前一页第

7、1-29 页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：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前一页第 1-30 页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

8、击穿电压UBR 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 IRR 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 fMM 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前一页第 1-31 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作1 1

9、、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前一页第 1-32 页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. 910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.

10、32mA，试分别用理想模型和，试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前一页第 1-33 页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

11、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管下一页前一页第 1-34 页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，UR

12、EF=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下一页前一页第 1-35 页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

13、二极管下一页前一页第 1-36 页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 uOO的波形。的波形。4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管uiuoDR下一页前一页第 1-37 页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-

14、0.7VuOuitt下一页前一页第 1-38 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作&L=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前一页第 1-39 页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

15、工作稳压二极管工作在反向击穿区在反向击穿区4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页前一页第 1-40 页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，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳

16、定工作最小稳定工作 电流电流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前一页第 1-41 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作RLUOIDZIRUOUR如图所示电路，若负载发生变化引起输出减小，可如图所示电路，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。利用该电路实现稳压作

17、用。4.2 4.2 半导体二极管半导体二极管下一页前一页第 1-42 页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前一页第 1-44 页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 符号符号下一页前一页第 1-45

18、页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作BECNNP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前一页第 1-46 页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 EIB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发射区的电子越过发射结扩散到基区扩散到基区，基区的空穴扩散基区的空穴

19、扩散到发射区到发射区形成发射极电流形成发射极电流 I IE E ( (基区多子数目较少，空穴电流基区多子数目较少，空穴电流可忽略可忽略) )。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，复合掉的复合掉的空穴由空穴由 V VBBBB 补充。补充。多数电子在基区继续扩散，到达多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。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前一页第 1-47 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作

20、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。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 V VCCCC 。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前一页第 1-48 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程

21、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 双极型晶体管双极型晶体管下一页前一页第 1-49 页退出

22、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 C2 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前一页第 1-

23、50 页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

24、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前一页第 1-52 页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(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.1V。4.3 4.3 双极型

25、晶体管双极型晶体管 i iB B=f f( (u uBEBE) ) U UCECE=const=const下一页前一页第 1-53 页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 4.3 双极型晶体管双极型晶体管iC=f(uCE) IB=const下一页前一页第 1-54 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作IC(mA )

26、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前一页第 1-55 页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 : 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

27、下一页前一页第 1-57 页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 00，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前一页第 1-62 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作例：例： =50=50， U USCSC =12V=12V， R RB B =70k=70k ， R RC C =6k=6k 当当U USBSB = -2V= -2V，2V2V，5V5V时，晶体管的静态工作点时，晶体管的静态工作点QQ位位于哪个区？于哪个区？1） USB = -

28、2V时：时：IB=0 ， IC=0Q位于截止区位于截止区 4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管解：解：RCICUCEIBUSCRBUSBCBE下一页前一页第 1-63 页退出本章长沙理工大学计算机通信工程学院制作2）USB =5V时时: :IB IBmax， Q位于饱和区。位于饱和区。(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关的关系，晶体管饱和失真）系，晶体管饱和失真）mA061070705.RUUIBBESBB4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管RCICUCEIBUSCRBUSBCBE例：例： =50=50， U USCSC =12V=12V， R RB B =70k

29、=70k ， R RC C =6k=6k 当当U USBSB = -2V= -2V，2V2V，5V5V时，晶体管的静态工作点时，晶体管的静态工作点QQ位于哪个区？位于哪个区？ICMAX (USCUCES)/RC (120.3)/6 1.95(mA)下一页前一页第 1-64 页退出本章IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA长沙理工大学计算机通信工程学院制作IB IBmax (=1.95mA) ， Q位于放大区。位于放大区。3）USB =2V时：时：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC4.3 4.3 双极型晶体管双极型晶体管RCIC

30、UCEIBUSCRBUSBCBE例：例： =50=50， U USCSC =12V=12V， R RB B =70k=70k ， R RC C =6k=6k 当当U USBSB = -2V= -2V，2V2V，5V5V时，晶体管的静态工作点时，晶体管的静态工作点QQ位于哪个区？位于哪个区？下一页前一页第 1-65 页退出本章IBMAX ICMAX/ 1.95/50=0.039 mA长沙理工大学计算机通信工程学院制作6V20K200K1.5KS1VABC例：例： 电路如图所示，电路如图所示， =50=50，当开关，当开关S S分别接到分别接到ABCABC三个触点时，三个触点时，判断三极管的工作状

31、态。判断三极管的工作状态。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4.3 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集电极发射极间的穿透电流集电极发射极间的穿透电流I ICEOCEOICEO=（1+

32、 ）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=const3 3）特征频率）特征频率 f fT T 值下降到值下降到1 1的信号频率的信号频率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

33、3 3、 极限参数极限参数2 2）最大集电极电流）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 ICM

34、CM和和U UCEOCEO在输出特性曲线上可以确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。

35、比锗管的小得多。2 2）温度对输入特性的影响）温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场效应管：场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路

36、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沟道沟道P P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FETFE

37、T场效应管场效应管JFETJFET结型结型MOSFETMOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)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沟道称耗尽型场效应管；

38、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，的多少，改变由这些改变

39、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. U UDSDS=

40、= 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 型衬底型衬底NN+ +NN

41、+ +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) (c) U UGD

42、GD 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 iD D /mA /m

43、AOOi 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 = 0 = 0 也会形成也

44、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沟道增强型沟道增强型MOSM

45、OS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沟道沟道四、四、VMOSVMOS管管VMOSVMO

46、S管漏区散热面积大，管漏区散热面积大，可制成大功率管。可制成大功率管。长沙理工大学计算机通信工程学院制作D DS SG GNN符符号号1 1、结构、结构NN型型沟沟道道NN型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P P+ +P P+ +P P 型区型区耗尽层耗尽层(PN (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N N 型的，型的，称称 N N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。长沙理工大学计算机通信工程学院制作P P 沟道场效应管沟道场效应管NN+ +NN

47、+ +P P型型沟沟道道G GS SD D P P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N N 型区型区(N(N+ +) )，导电沟导电沟道为道为 P P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号G GD DS S长沙理工大学计算机通信工程学院制作2 2、结型场效应管工作原理、结型场效应管工作原理 N N 沟道结型场效应沟道结型场效应管用改变管用改变 U UGS GS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 I ID D 的。的。(VCCS)(VCCS)G GD DS SNNNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P P+ +P

48、 P+ +耗尽层耗尽层* *在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 I ID D 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 I ID D 电流将增加。电流将增加。 * *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。长沙理工大学计算机通信工程学院制作1) 1)当当U UDSDS = 0 = 0 时，时， u uGSGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用I ID D = 0 = 0G GD DS SNN型型沟沟道道P P+ +P P+ +

49、 (a) (a) U UGSGS = 0 = 0U UGSGS = 0 = 0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽U UGS GS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相应变窄。应变窄。当当 U UGSGS = = U UGSGS（Off)Off)，耗，耗尽层合拢，导电沟被尽层合拢，导电沟被夹断夹断. .I ID D = 0 = 0G GD DS SP P+ +P P+ +NN型型沟沟道道( (b) b) U UGS(off)GS(off) U UGSGS U UGSGS（Off)Off) ，i iD D 较大较大。G GD DS

50、 SP P+ +NNi iS Si iD DP P+ +P P+ +V VDDDDV VGGGG u uGSGS 0 U UGSGS（Off)Off) ，i iD D 变小。变小。G GD DS SNNi iS Si iD DP P+ +P P+ +V VDDDD注意：当注意：当 u uDSDS 0 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(a)(b)(b)u uGDGD u uGSGS u uDSDS 长沙理工大学计算机通信工程学院制作G GD DS SP P+ +NNi iS Si iD DP P+ +P P+ +V VDDDDV VGGGGu uGSGS 0, 0,u uGDG

51、D = = U UGS(off)GS(off), , ,沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断u uGSGS 0 , 0 ,u uGDGD u uGS(off)GS(off), ,夹断，夹断，i iD D几乎不变几乎不变G GD DS Si iS Si iD DP P+ +V VDDDDV VGGGGP P+ +P P+ +( (1) 1) 改变改变 u uGS GS ，改变了改变了 PN PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 i iD D ，故称场效应管；，故称场效应管； (2)(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN PN 反偏，栅极反偏，栅极 基本

52、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)(c)(d)(d)长沙理工大学计算机通信工程学院制作3.3.当当u uGDGD u uGS(off)GS(off), ,时，时， , , u uGS GS 对漏极电流对漏极电流i iD D的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导g gmm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)(VCCS)。在在u uGDGD u uGSGS u uDS DS u uGS(off)GS(off)情况下情况下, , 即

53、当即当u uDS DS u uGS GS - -u uGS(off)GS(off) 对应于不同的对应于不同的u uGSGS ，d-sd-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)(2)当当u uDSDS使使u uGDGD u uGS(off)GS(off)时，时，d-sd-s之间预夹断之间预夹断(3)(3)当当u uDSDS使使u uGDGD U U(BR)GS(BR)GS ，PN PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。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

54、例例电路如图电路如图1所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲线如图的输出特性曲线如图2所示。所示。试分析试分析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图图2分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th) 4VGSD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

55、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，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图图2长沙理工大

56、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)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噪声噪声

57、较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温度系数点度系数点输入电阻输入电阻 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静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 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

58、( (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iDO uDU (BR)I FURM正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)( (超过则击穿超过则击穿) )反向饱和电流反向饱和电流 IR ( (IS) )( (受温度影响受温度影响) )IS长沙理工大学计算机通信工程学院制作3. 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折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压