低频电子电路-第2章 半导体受控器件基础

《低频电子电路》----------人民邮电出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材授课：曾浩2.3元器件的模型研究与仿真的工程意义2.2场效应管的电量制约关系2.1双极型晶体管的电量制约关系第二章半导体受控器件基础关注PN结的相互影响，以及制造要求对导电特性影响关注结构对导电特性影响关注仿真模型对电路分析的重要价值第二章半导体受控器件基础2.1双极型晶体管的电量制约关系第二章半导体受控器件基础第二章半导体受控器件基础鉴于晶体管与场效应管原理及电路的相似性，先了解晶体管导电原理，再了解场效应管的导电特性。因半导体PN结的复杂性提高，非线性导电的区域特性更为复杂。NPP+P+P+N概述

晶体管结构及电路符号发射极E基极BPNN+集电极C发射极E基极BNPP+集电极CBCEBCE发射结集电结第二章半导体受控器件基础

晶体管的特点1）发射区高掺杂。2）基区很薄。3）集电结面积大。第二章半导体受控器件基础发射结正偏，集电结正偏。饱和情况：发射结反偏，集电结反偏。截止情况：

注意：晶体管的导电特点是以内部结构保证为前提，外部电压范围差异为条件而变化的。由于结构和掺杂的不同，反向工作情况的特性不如放大或击穿情况突出，因此该情况几乎不被利用。发射结正偏，集电结反偏。放大或击穿情况：发射结反偏，集电结正偏。反向工作情况：2.1.1晶体管的导电原理第二章半导体受控器件基础

晶体管的伏安特性外部测试电路第二章半导体受控器件基础1.

放大或击穿情况（导电原理）PNN+-+-+V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE=iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB=iEp+iBB

-ICBO=iEp+(iEn-iCn)-ICBO=iE

-iC发射结正偏，集电结反偏。放大或击穿情况：第二章半导体受控器件基础

发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度>>基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射区向基区的多子发射效率。

窄基区的作用：保证发射区的多子到达集电结。基区很薄：可减少基区的复合机会，保证发射区来的绝大部分载流子能扩散到集电结边界。

集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。第二章半导体受控器件基础共基极直流电流传输方程BCEBTICIE直流电流传输系数：直流电流传输方程：共发射极直流电流传输方程ECBETICIB直流电流传输方程：其中：第二章半导体受控器件基础

的物理含义：β

表示，基极电流iB

对集电极正向受控电流iCn的控制能力。

若忽略ICBO，则：ECBETICIB

称β为共发射极电流放大系数。第二章半导体受控器件基础ICEO的物理含义：

ICEO指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。

∵

iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0

因此：第二章半导体受控器件基础

晶体管特性典型实测曲线晶体管的集电极电流

iC

，主要受正向发射结电压vBE控制，而与反向集电结电压vCE近似无关。第二章半导体受控器件基础

放大区（VBE

0.7V，

VCE>0.3V）特点条件发射结正偏集电结反偏VCE

曲线略上翘具有正向受控作用满足IC=

IB+ICEO说明IC/mAVCE/V0VAWBEBC基区宽度调制效应第二章半导体受控器件基础上翘原因—基区宽度调制效应（VCE

IC略

）上翘程度—取决于厄尔利电压VA

击穿区特点：vCE增大到一定值时，集电结反向击穿，iC急剧增大。集电结反向击穿电压，随iB的增大而减小。注意：iB

=

0时，击穿电压为V(BR)CEOiE

=

0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEO第二章半导体受控器件基础2.

饱和情况（导电原理）发射结正偏，集电结正偏。饱和情况：通常，饱和压降VCE(sat)

硅管VCE(sat)

0.3V锗管VCE(sat)

0.1V第二章半导体受控器件基础

饱和模式直流简化电路模型若忽略饱和压降，晶体管输出端近似短路。特点：条件：发射结正偏，集电结正偏。iC不但受iB控制，也受vCE影响。vCE略增，iC显著增加。第二章半导体受控器件基础

若忽略反向饱和电流，三极管IB

0，IC

0。即晶体管工作于截止模式时，相当于开关断开。ECBETICIB共发射极直流简化电路模型ECBEIC

0IB

03.

截止情况（导电原理）发射结反偏，集电结反偏。截止情况：第二章半导体受控器件基础IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10AiB

=

-ICBO近似为iB

≤-ICBO以下区域

通常，在工程上将截止区对应在IB≤0的曲线的区域。

基于安全考虑的PCM限制

基于性能一致性考虑

ICM的限制2.1.2晶体管特性的进一步描述第二章半导体受控器件基础2.1.2晶体管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM

最大允许集电极电流ICM（若IC>ICM

造成

）

反向击穿电压V(BR)CEO（若VCE>V(BR)CEO

管子击穿）VCE<V(BR)CEO

最大允许集电极耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PC>PCM

烧管）PC<PCM

要求IC

ICM第二章半导体受控器件基础

基于外加电量变化频率考虑的电容效应。

制造的精密水平和工艺限制，往往不能满足工程中对一批管子具有的同一性能要求，即管子存在分散性。注意：NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。第二章半导体受控器件基础

晶体管参数的温度特性

温度每升高1

C，∆

/

增大（0.5

1）%，即：

温度每升高1

C

，VBE(on)减小（2

2.5）mV,即：

温度每升高10

C

，ICBO增大一倍，即：

第二章半导体受控器件基础2.1.3晶体管应用举例与仿真模型基础

晶体管特性展现

第二章半导体受控器件基础处于放大区时，晶体管的大信号电压电流函数关系式：

数学模型（指数模型）

其中，IEBS指发射结反向饱和电流。第二章半导体受控器件基础

埃伯尔斯—莫尔模型是晶体管通用模型，它适用于任何工作模式。iE=iF-

RiRiC=

FiF

-iR

其中ECBiEiF

RiRiC

FiFiRiB第二章半导体受控器件基础

场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与晶体管主要区别：

场效应管输入电阻远大于晶体管输入电阻。

场效应管是单极型器件（晶体管是双极型器件）。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管第二章半导体受控器件基础2.2

场效应管2.2.1绝缘栅型（MOS）场效应管P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

MOSFET增强型（EMOS）

耗尽型（DMOS）

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。第二章半导体受控器件基础N+N+P+P+PUSGDN沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度第二章半导体受控器件基础第二章半导体受控器件基础

衬底U与源极S相连，在无外加电压下，D、S之间已有导电沟道存在，

vGS

的大小可以控制该导电沟道的大小。

N沟道DMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。PP+N+N+SGDU第二章半导体受控器件基础

栅极电压对沟道厚度的影响分析vGS=夹断电压VGS(off)，D、S之间已有导电沟道消失。第二章半导体受控器件基础

恒定

vGS下的

vGS

-

iD

关系曲线分析第二章半导体受控器件基础第二章半导体受控器件基础解析表达式：此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：VDS较小的非饱区时，iD与vDS之间呈近似线性关系：其中：W、l为沟道的宽度和长度。COX

（=/OX）为单位面积的栅极电容量。注意：非饱和区类似于晶体管的饱和区。第二章半导体受控器件基础若vGS等于零，记iD的为IDSS，称为饱和漏电流

处于饱和区时，管子具有正向受控作用，服从平方律关系，称为转移特性：第二章半导体受控器件基础若考虑沟道长度调制效应，则iD的修正方程：其中：称沟道长度调制系数，其值与沟道l有关。通常

=(0.005~0.03)V-1。VA为厄尔利电压，其值较大。对式第二章半导体受控器件基础

N沟道EMOSFET导电原理VGS

开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层n>>pVGS越大，反型层中n

越多，导电能力越强。PP+N+N+SGDUVDS-+PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS第二章半导体受控器件基础VDS对沟道的控制（假设VGS>VGS(th)

且保持不变）VDS很小时

→

VGD

VGS。此时W近似不变，即Ron不变。由图

VGD=VGS-VDS因此VDS

→ID线性。

若VDS

→则VGD

→近漏端沟道

→

Ron增大。此时Ron

→ID

变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第二章半导体受控器件基础

当VDS增加到使VGD=VGS(th)时→A点出现预夹断

若VDS继续

→A点左移→出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l

不变（即Ron不变）。因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS

→ID基本维持不变。

第二章半导体受控器件基础

特性曲线曲线形状类似晶体管输出特性。第二章半导体受控器件基础

若考虑沟道长度调制效应则VDS

→沟道长度l

→沟道电阻Ron略。因此

VDS

→ID略。由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲线形状类似晶体管输出特性。第二章半导体受控器件基础解析表达式：此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：其中：W、l为沟道的宽度和长度。COX

（=/OX）为单位面积的栅极电容量。注意：非饱和区相当于晶体管的饱和区。第二章半导体受控器件基础解析表达式：若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：

工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：可见，解析表达式与NDMOSFET管类似。第二章半导体受控器件基础MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。

晶体管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。

利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：第二章半导体受控器件基础

截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作区域。IG≈0，ID≈0

击穿区VDS增大到一定值时

漏衬PN结雪崩击穿

ID剧增。VDS

沟道l

对于l较小的MOS管

穿通击穿。第二章半导体受控器件基础

NEMOS管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS

=5V

转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/V012345

转移特性曲线中,ID=0时对应的VGS值,即开启电压VGS（th）。第二章半导体受控器件基础3.P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加电压极性相反、电流ID流向相反。不同之处：电路符号中的箭头方向相反。ID第二章半导体受控器件基础4四种MOS场效应管比较

电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)第二章半导体受控器件基础

饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型VDS极性取决于沟道类型N沟道：VDS>0，P沟道：VDS<0

VGS极性取决于工作方式及沟道类型增强型MOS管：

VGS

与VDS

极性相同。耗尽型MOS管：

VGS

取值任意。

饱和区数学模型与管子类型无关

第二章半导体受控器件基础

临界饱和工作条件

非饱和区（可变电阻区）工作条件|VDS|=|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

饱和区（放大区）工作条件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

非饱和区（可变电阻区）数学模型第二章半导体受控器件基础2.2.2结型场效应管

JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD第二章半导体受控器件基础

N沟道JFET管外部工作条件VDS>0(保证栅漏PN结反偏)VGS<0(保证栅源PN结反偏)JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第二章半导体受控器件基础

VGS对沟道宽度的影响|VGS|

阻挡层宽度

若|VGS|

继续

沟道全夹断使VGS=VGS(off)夹断电压若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型沟道宽度

沟道电阻Ron

第二章半导体受控器件基础VDS很小时

→

VGD

VGS由图

VGD=VGS-VDS因此VDS

→ID线性

若VDS

→则VGD

→近漏端沟道

→

Ron增大。此时Ron

→ID

变慢

VDS对沟道的控制（假设VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此时W近似不变即Ron不变第二章半导体受控器件基础

当VDS增加到使VGD=VGS(off)时→A点出现预夹断

若VDS继续

→A点下移→出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l

不变（即Ron不变）。因此预夹断后：VDS

→ID基本维持不变。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第二章半导体受控器件基础

利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。JFET工作原理：

综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。第二章半导体受控器件基础

NJFET输出特性

非饱和区(可变电阻区)特点：ID同时受VGS与VDS的控制。条件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)2.伏安特性曲线线性电阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第二章半导体受控器件基础

饱和区(放大区)特点：ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学模型：条件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)

在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。第二章半导体受控器件基础

截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS<VGS(off)IG≈0，ID=0

击穿区VDS增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V

造成

ID剧增。VGS越负则VGD越负