第二章 常用半导体器件原理

模拟电子技术基础12.1半导体物理基础导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108~1020

·m。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)

半导体的导电能力随掺杂、温度和光照等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。2.1.1半导体与绝缘体、导体的区别22.1.2本征半导体纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。

硅和锗都是四价元素，硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表。由于原子呈中性，在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。3(1-4)共价键中的两个电子被束缚在共价键中，称为束缚电子。共价键中的束缚电子是不能导电的。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键的结合力使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+44(1-5)在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子,即载流子(Carrier)

，它没有导电能力，相当于绝缘体。本征半导体共价键中的价电子接受外界能量激发，获得足够的能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为，叫本征激发。本征激发产生电子-空穴对。

如:在常温下，由于获得热能，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子(Freeelectron)

(带负电），同时共价键上留下一个空位，称为空穴(Hole)（带正电）。空位－空穴是一个带正电的粒子其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体体中运动，从而和自由电子一样可以参加导电。载流子、自由电子和空穴

自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合。5本征激发共价键二种载流子复合6本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。

分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度(cm-3)

其中

T为绝对温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度，硅原子为1.21eV，锗为0.78eV；k=8.6310-5eV/K为玻尔兹曼常数；A0为常数。

本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高,因此本征半导体的导电能力越强。2.1.3N型半导体和P型半导体

本征半导体的导电能力很弱。人工少量掺杂某些元素的原子，可显著提高半导体的导电能力，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。

7一、N型半导体（Negative负）

在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度。这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，磷原子称为施主原子。多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴

热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度ni的平方，所以少子空穴的浓度pn为

自由电子浓度(杂质浓度)少子浓度与温度关系极大多余电子磷原子8二、P型半导体（Positive正）

在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子

而少子--自由电子的浓度np为环境温度也明显影响np的取值。空穴浓度(掺杂浓度)92.1.4漂移电流和扩散电流

半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。

半导体电流半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。102.2PN结

在同一片半导体基片上，通过掺杂工艺，一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。2.2.1PN结的形成多子扩散

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11

空间电荷区：又称为耗尽区或势垒区。空间电荷区中没有载流子在掺杂浓度不对称的PN结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。122.2.2

PN结的单向导电特性一、正向偏置的PN结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强，漂移运动减弱正向电流二、反向偏置的PN结反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱，漂移运动加强反向电流正向电流扩散运动加强，漂移运动减弱正向电流扩散运动加强，漂移运动减弱耗尽区变窄正向电流扩散运动加强，漂移运动减弱正向偏置耗尽区变窄正向电流扩散运动加强，漂移运动减弱13

PN结的单向导电特性：

PN结只需要较小的正向电压，就能产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变(指数特性)

而在反偏时，少子只能提供很小很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。142.2.3PN结的击穿特性当PN结上的反向电压足够大时，反向电流急增，这种现象称为PN结的击穿。发生反向击穿时的电压UBR称为反向击穿电压

雪崩击穿：反偏的PN结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对新的自由电子和空穴，连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的PN结中。齐纳击穿：在重掺杂的PN结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。

一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；UBR<5V时为齐纳击穿；UBR介于5-7V时，两种击穿都有。

PN结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护PN结不受损坏。PN结击穿152.2.4PN结的电容特性

PN结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明PN结具有电容效应。一、势垒电容CT0为u=0时的CT，与PN结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n为变容指数，取值一般在1/3~6之间。当反向电压u绝对值增大时，CT将减小。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容16二、扩散电容

PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当PN结正偏时，CD远大于CT，即Cj

CD；反偏的PN结中，CT远大于CD，则Cj

CT。ＰＮ结正偏时，扩散进P区的电子在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电压、电流越大，积累的电荷越多。这样所产生的电容就是扩散电容172.3晶体二极管2.3.1二极管的伏安特性一一指数特性IS为反向饱和电流，q为电子电量(1.60

10-19C)；UT=kT/q，称为热电压，在室温27℃即300K时，UT=26mV。一、二极管的导通，截止和击穿当uD>UD(on)时，iD明显增大，二极管导通，UD(on)称为导通电压(死区电压)；uD<0时，二极管是截止的；当反向电压足够大时，二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。18二、二极管的管压降

当电源电压E变化时，负载线平移到新的位置，ID有比较大的变化，而UD变化不大，仍然近似等于UD(on)，所以认为UD(on)是导通二极管的近似管压降(硅管约0.6---0.7v,锗管约0.2---0.3v)。三、二极管的电阻交流电阻直流电阻19RD

和rD随工作点的位置变化而改变2.3.2温度对二极管伏安特性的影响T增大；

Is增大，T增大10度，Is增大一倍。减小，雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。202.3.3二极管的近似伏安特性和简化电路模型21【例2.3.1】电路如图(a)所示，计算二极管中的电流ID。已知二极管的导通电压UD(on)=0.6V，交流电阻rD近似为零。解：可以判断二极管处于导通状态，将相应的电路模型代入，得到图(b)。节点A的电压UA

=E

-I1R1

=-I2R2

=-E

+UD(on)

=-5.4，解得I1

=5.7mA，I2

=5.4mA，于是ID

=I1

+I2

=11.1mA。22工作电流IZ可以在IZmin到IZmax的较大范围内调节，两端的反向电压成为稳定电压UZ。IZ应大于IZmin以保证较好的稳压效果。同时，外电路必须对IZ进行限制，防止其太大使管耗过大，甚至烧坏PN结，如果稳压二极管的最大功耗为PM，则IZ应小于IZmax=PM/UZ。2.3.4稳压二极管23工作条件：IZmin<IZ<IZmax1、Vi=Vimin，RL=RLMin时IZ最小：

IZDZILRLV0ViR24工作条件：IZmin<IZ<IZmax2、Vi=Vimax，RL=RLMax时IZ最大：结论：

IZDZILRLV0ViR25［例2.3.2］稳压二极管电路如图所示，稳定电压UZ=6V。当限流电阻R=200时，求工作电流IZ

和输出电压UO；当R=11k时，再求IZ

和UO。

1.当R=200

时，稳压二极管DZ处于击穿状态2.当R=11k

时，DZ处于截止状态，IZ

=0解:首先要判断稳压二极管能否击穿,方法是假设稳压管断开,看UO是否大于UZ.262.3.5其它二极管2.光电二极管3.发光二极管（LED）4.肖特基二极管1.变容二极管27(1-28)二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。

左图为变容二极管的代表符号，

右图是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能5-300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。1.变容二极管28(1-29)管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。将光能转化为电能。在光照下，耗尽区激发出大量的电子、空穴对，加反偏电压，形成反向电流，且随光照强度的增加而上升。2.光电二极管29(1-30)有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。发光亮度与正向工作电流成正比，典型值10mA3.发光二极管（LED）30(1-31)肖特基势垒二极管（也叫热载子二极管）在机械构造上与点接触二极管很相似，但它比点接触二极管要耐用，而且功率也更大。这种形式的电路是威廉姆·肖特基（WilliamSchottky）在1938年研究多数载流子的整流现象时提出的。4.肖特基二极管31“肖特基势垒”是一种量子力学势垒，形成于金属和半导体的界面处。反向偏置电压增加时势垒也增加，正向偏置时势垒减少（或者接近消失）。反向偏置时半导体材料的电子没有足够的能量越过势垒，所以此时没有电流。当正向偏置时，势垒减少直至电子可以穿过它，从半导体流入金属区域。肖特基二极管为一个整流元件，广泛应用于混频器和检波电路中。双平衡混频器（DBM）电路通常是由一组匹配的肖特基二极管组成。双平衡混频器可用于超外差接收和产生抑制载波的双边带信号，还可以用于相敏检波器。许多双平衡混频器工作到微波频谱的低端。32晶体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP92代表二极管，3代表三极管表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料P-普通管、V-微波管、W-稳压管、X-低频小功率管(f<3MHz,Pc<1W)、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、G-高频小功率管(f>3MHz,Pc<1W)、N-阻尼管、K-开关管、Y-体效应器件、D-低频大功率管(f<3MHz,Pc>1W)S-隧道管、U-光电器件、B-雪崩管、A-高频大功率管(f>3MHz,Pc>1W)T-半导体晶闸管(可控整流器)、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件用数字表示同一类型产品的序号332.3.6二极管应用电路举例

一、整流电路

［例2.3.3］分析图(a)所示的二极管整流电路的工作原理，其中二极管D的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形如图(b)所示。

解：当ui>0.7V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui-0.7；当ui<0.7V时，D处于截止状态，等效成开路，所以uo=0。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图(b)所示，传输特性则如图(c)所示。电路实现的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到输出。

34［例2.3.4］分析图(a)所示的二极管桥式整流电路的工作原理，其中的二极管D1~D4为理想二极管，输入电压ui的波形如图(b)所示。

电路实现的是全波整流-----又称”绝对值电路。当ui>0时，D1和D2导通，而D3和D4截止,故uo=ui；当ui<0时，D1和D2截止，而D3和D4导通,故uo=-ui。35二、限幅电路［例2.3.5］二极管限幅电路如图(a)所示，其中二极管D的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形在图(b)中给出，作出输出电压uo的波形。

当ui>2.7V时，D导通，所以uo=2.7V；当ui<2.7V时，D截止，其支路等效为开路，uo=ui。于是得到uo的波形，如图(c)所示，该电路把ui超出2.7V的部分削去后输出，是上限幅电路。

首先判断二极管是导通或截止.36［例2.3.6］二极管限幅电路如图(a)所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on)=0.3V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形在图(b)中给出，作出输出电压uo的波形。

首先判断二极管是导通或截止.解：当ui<-2.3V时，D1导通，uo=-2.3V；当ui>-2.3V时，D1截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D1实现了下限幅；当ui>2.3V时，D2导通，uo=2.3V；当ui<2.3V时，D2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图(c)所示，该电路把ui超出2.3V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。

37三、电平选择电路

［例2.3.7］图(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2波形如图(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。

解:当t<T1时,D2比D1正偏压更大,则D2首先导通，uo=ui2=0，导致D2反偏而截止；反之，当T1<t<T2时,ui1=ui2=3V，则D2,D1均导通，uo=ui1=ui2=3V；当t>T3时,D1,D2也同时导通，uo=ui1=ui2=0。该电路完成低电平选择功能，

并实现了逻辑“与”运算。

382.4双极型晶体管

NPN型晶体管PNP型晶体管39(4-40)

结构特点：管芯结构剖面图发射极和集电极不能互换。1、发射区相对于基区掺杂浓度大；2、基区很薄;3、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大于发射结40(4-41)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结两种结构两个结三个区三个极

三种组态四种组合(状态)结构特点：41(4-42)开关工作

BE结BC结工作状态正偏正偏反偏反偏正偏反偏反偏正偏饱和截止放大倒置四种工作状态42(4-43)三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏43三、集电区收集自由电子

收集电流ICN

反向饱和电流ICBO2.4.1晶体管的工作原理一、发射区向基区注入电子

电子注入电流IEN，空穴注入电流IEP

二、基区中自由电子边扩散边复合

基区复合电流IBN

44(4-45)BECNNPEBRBECIE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN

，多数扩散到集电结。直流偏置发射结加正向电压集电结加反向电压

RC发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。IBN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。ICNIEN内部载流子的传输过程45(4-46)RCBECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOIBNICN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。IB=IBN-ICBOIB内部载流子的传输过程46(4-47)IB=IBN-ICBOIBBECNNPEBRBECIEICBOICNIC=ICN+ICBOIBNIEIEN

=IBN+ICNRC基区空穴向发射区的扩散形成IEP,可忽略。IEP内部载流子的传输过程47(4-48)以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。

双极型半导体三极管(BJT)

双极型的含义：两种载流子参与导电48晶体管的放大能力参数

共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：49晶体管各极电流关系

描述：描述：

50(4-51)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管各极电流方向512.4.2晶体管的伏安特性一、输出特性

放大区(发射结正偏，集电结反偏)共发射极交流电流放大倍数：共基极交流电流放大倍数：近似关系：

恒流输出和基调效应饱和区(发射结正偏，集电结正偏)

饱和压降

uCE(sat)

截止区(发射结反偏，集电结反偏)

各极电流绝对值很小52二、输入特性

当uBE大于导通电压UBE(on)时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下uBE近似等于UBE(on)，所以也可以认为UBE(on)是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE<UBE(on)时，晶体管进入截止状态。晶体管电流方程：53(4-54)符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量Ua大写字母、小写下标，表示正弦信号有效值。54(4-55)信号源负载模拟信号的放大共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；

是共射电流放大系数，一般

>>1三极管的三种组态55(4-56)信号源负载共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。

为共基电流放大系数，一般

=0.90.99三极管的三种组态56(4-57)信号源负载共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;IE=IB（1＋β）三极管的三种组态57(4-58)共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态三极管的三种组态582.4.3晶体管的近似伏安特性和简化直流模型近似伏安特性简化直流模型I——放大区II——饱和区III——截止区592.4.4直流偏置下晶体管的工作状态分析3．如果第2步判断集电结正偏，则晶体管处于饱和状态。这时UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)，UCB=UCE-UBE，再由这三个极间电压和外电路计算IB、IC和IE。

确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤：

1．根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。如果发射结反偏或正偏电压不到|UBE(on)|，则晶体管处于截止状态，IB、IC和IE均为零，再由外电路计算极间电压UBE、UCE和UCB；2．如果第1步判断发射结正偏电压达到|UBE(on)|，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断集电结是正偏还是反偏。如果集电结反偏，则晶体管处于放大状态，这时UBE=UBE(on)。根据外电路和UBE(on)计算IB，接下来IC=bIB，IE=IB+IC。再由这三个极电流和外电路计算UCE和UCB；60［例2.4.1］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on)=0.6V，=50。当输入电压UI分别为0V、3V和5V时，判断晶体管的工作状态，并计算输出电压UO。解：晶体管三个极电流的正方向如图中所示。当UI=0V时，晶体管处于截止状态，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；当UI=3V时，晶体管处于放大或饱和状态，假设晶体管处于放大状态，IB=[UI-UBE(on)]/RB

=40A，IC=bIB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以集电结反偏，假设成立，UO=UC=4V；当UI=5V时，计算得到UCB=-3.28V<0，所以晶体管处于饱和状态，UO=UCE(sat)

。

61［例2.4.2］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on)=-0.7V，=50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。解：图中晶体管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A<0，所以晶体管处于放大或饱和状态。IC=bIB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V<0，所以集电结反偏，晶体管处于放大状态，IB=-37.4A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。

62(4-63)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）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：场效应管是利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。时沟道不存在

时沟道存在

2.5场效应管

632.5场效应管

场效

应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。FET英文为（FieldEffectTransistor），简写成FET。642.5.1结型场效应管

2.5场效应管

电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向

65(4-66)S-----称为源极D-----称为漏极G-----称为栅极电路符号（N沟道）N型两侧高浓度扩散两个，形成，中间为导电沟道。两个引一个电极，N区引两电极S、D。2.5.1结型场效应管

66一、工作原理

饱和电流IDSS夹断电压UGS(off)

栅极电流IG

0输入阻抗很大UGS增大导电沟道变窄ID减小67二、输出特性恒流区(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS

-uGS|>|UGS(off)|)uGS和iD为平方率关系。预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱。可变电阻区(|uGS|

|UGS(off)|且

|uDG|<|UGS(off)|)

uDS的变化明显改变iD的大小。

截止区(|uGS|>|UGS(off)|)

iD

=068三、转移特性预夹断69(4-70)结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。702.5.2绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管记为MOSFET，根据结构上是否存在原始导电沟道，MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。

绝缘栅场效应管基片引线上的箭头向内为N沟道，向外为P沟道71一、工作原理

UGS=0ID＝0UGS>UGS(th)电场反型层导电沟道ID>0UGS控制ID的大小N沟道增强型MOSFET72N沟道耗尽型MOSFET在UGS

=0时就存在ID=ID0。UGS的增大将增大ID。当UGS

<0时，且|UGS|足够大时，导电沟道消失，ID

=0，此时的UGS为夹断电压UGS(off)

。

N沟道耗尽型MOSFET二、特性曲线

预夹断N沟道增强型MOSFET73n为导电沟道中自由电子运动的迁移率；Cox为单位面积的栅极电容；W和L分别为导电沟道的宽度和长度，W/L为宽长比。74N沟道耗尽型MOSFET75(4-76)关于场效应管符号的说明：N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。表示衬底在内部没有与源极连接。N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。N沟道结型MOS管。没有绝缘层。如果是P沟道，箭头则向外。762.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比

电路符号

特性曲线77

双极型晶体管场效应晶体管结构NPN型结型N沟道P沟道PNP型绝缘栅增强型

N沟道P沟道绝缘栅耗尽型

N沟道P沟道C、E一般不可倒置D、S一般可倒置载流子多子扩散、少子漂移多子漂移输入量电流电压控制CCCS(β)VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，并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双极型晶体管和场效应晶体管的比较78与双极型晶体管相比，场效应管具有如下特点：（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻(107-1012Ω)很大。（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；（5）场效应管的抗辐射能力强；（6）由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。79［例2.5.1］判断图中场效应管的工作状态。

=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)>-UGS(off)

，所以该场效应管工作在恒流区。图(b)中是P沟道增强型MOSFET，UGS=-5(V)<UGS(th)

，所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区，UDG=UDD-IDRD-UGS=4(V)>-UGS(th)

，所以该场效应管工作在可变电阻区。

解：图(a)中是N沟道JFET，UGS=0>UGS(off)

，所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区，且ID80NPN晶体管结型场效应管JEFT增强型NMOSEFT指数关系平方律关系81

场效应管和晶体管的主要区别包括：

1、晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。2、晶体管中主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力容易受外界因素如温度的影响。场效应管则依靠自由电子或空穴之一的多子在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。3、场效应管的源极和漏极结构对称，可以互换使用。晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体，但由于制作工艺不同，二者不能互换使用。82(4-83)BJT共射电路组成A.核心器件BJTB.偏置电路—提供放大外部条件C.输入、输出电路—vi的引入，vo引出83(4-84)放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。vivo输入输出参考点Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射电路组成84(4-85)使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和VBE。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL基极电源与基极电阻BJT共射电路组成85(4-86)集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射电路组成86(4-87)集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射电路组成87(4-88)耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F~50F作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射电路组成88(4-89)单电源供电可以省去Rb+VCCVBBRCC1C2TRLBJT共射电路组成89(4-90)Rb单电源供电+VCCRCC1C2TRLBJT共射电路组成90(4-91)习惯画法RLRCRb+VCCC1C2共射极基本放大电路VBBRLRCRbC1C2VCCBJT共射电路组成91(4-92)RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLUiUo分压式偏置电路BJT共射电路组成92(4-93)（1）自偏压电路vGSFET电路组成93(4-94)（2）分压式偏置电路FET电路组成94(4-95)Rb+VCCRCC1C2TICVBEVCE(IC,VCE)(IB,VBE)RLIB放大器件静态工作点的概念95(4-96)Q点：UGS、ID、UDSvGS=VDS=已知UP，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q点的

UGS、ID、UDS放大器件静态工作点的概念96(4-97)1BJT的小信号建模3共射极放大电路的小信号模型分析H参数的引出H参数小信号模型模型的简化H参数的确定（意义、思路）利用直流通路求Q点画小信号等效电路求放大电路动态指标输入电阻输出电阻2放大电路的主要性能指标增益2.6晶体三极管和场效应管的低频交流小信号简化模型97(4-98)建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由