电子线路基础第1章课件

第1章 常用半导体器件 第1章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.4 场效应管场效应管 第1章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10-4cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料;将很难导电、电阻率大于1010cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3109cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。第1章 常用半导体器件 用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从30升高到40时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30升高到100时，电阻率的增加还不到1倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为2.14105cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999，但它的电阻率却下降到0.2cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见，当半导体受热或掺入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件，利用掺杂特性制成的P结是各种半导体器件的主要组成部分。第1章 常用半导体器件 1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。1 本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。由图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见，将内层电子和原子核看成一个整体，称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。硅或锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。第1章 常用半导体器件 图1-1硅和锗的原子结构模型(a)硅；(b)锗；(c)原子简化模型第1章 常用半导体器件 硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶体即为本征半导体。硅或锗制成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引，而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起，这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构，如图1-2所示。第1章 常用半导体器件 图1-2硅和锗晶体共价键结构示意图第1章 常用半导体器件 2 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子在绝对零度（T=-273或T=0K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。但在室温下（T=27或T=300K），本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。第1章 常用半导体器件 图1-3电子-空穴对的产生和空穴的移动第1章 常用半导体器件 3 热平衡载流子的浓度热平衡载流子的浓度在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程，当温度一定时，两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热热平平衡衡状态。状态。半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的，并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据半导体物理中的有关理论，可以证明（1-1）第1章 常用半导体器件 式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.881016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2），T为热力学温度，k是玻尔兹曼常数（8.6310-5eV/K），Eg0是T=0K（即-273）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.785eV）。式（1-1）表明，本征半导体的载流子浓度和温度、材料有关。尽管本征半导体在室温情况下具有一定的导电能力，但是，本征半导体中载流子的数目远小于原子数目，因此本征半导体的导电能力是很低的。第1章 常用半导体器件 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 1 N型半导体型半导体在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。由于杂质原子有五个价电子，其中四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子形成共价键，还剩一个价电子，这个价电子不受共价键的束缚，只受原子核的吸引，在室温下，该价电子所获得的热能使它摆脱原子核的吸引而成为自由电子，则杂质原子因失去一个价电子而成为不能移动的杂质正离子，如图1-4所示。第1章 常用半导体器件 图1-4N型半导体结构示意图第1章 常用半导体器件 在N型半导体中，由于杂质原子产生自由电子的同时并不产生空穴，因此自由电子的浓度远大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。由于五价杂质原子能释放出电子，因此这类杂质原子称为施主原子。第1章 常用半导体器件 2P型半导体型半导体在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。由于杂质原子只有三个价电子，当杂质原子替代硅原子的位置后，杂质原子的三个价电子仅与相邻的三个硅原子的价电子形成共价键，与第四个相邻的硅原子不能构成完整的共价键而出现一个空位。这个空位极易接受其它硅原子共价键中的价电子，使杂质原子成为带负电的杂质负离子，同时硅原子的共价键中因缺少一个价电子而产生一个空穴，如图1-5所示。由于三价杂质原子所产生的空位起着接受电子的作用，因此称之为受主原子。在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素，使空穴浓度远大于自由电子浓度，因此空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。第1章 常用半导体器件 图1-5P型半导体结构示意图第1章 常用半导体器件 1.1.3 PN结结在一块完整的本征半导体硅或锗片上，利用不同的掺杂工艺，使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在它们的交界处便形成PN结。半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结；半导体三极管具有两个PN结；场效应管的基本结构也是PN结。第1章 常用半导体器件 1 PN结的形成结的形成在P型半导体和N型半导体的交界面，由于载流子浓度的差别，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域产生扩散运动。即P型区的多子(空穴)向N型区扩散，N型区的多子(自由电子)向P型区扩散，如图1-6（a）所示。扩散的结果是在交界面附近，P型区一侧由于失去空穴而留下了不能移动的杂质负离子，N型区一侧由于失去电子而留下了不能移动的杂质正离子。扩散到对方的载流子成为异型半导体中的少子而与该区的多子复合，这样，在交界面两侧就出现了由不能移动的杂质正负离子构成的空间电荷区，也就是PN结，如图1-6（b）所示。由于空间电荷区中的载流子已经复合掉或者说消耗尽了，因此空间电荷区又可称为耗尽层。随着多子扩散运动的进行，空间电荷区交界面两侧的离子电荷量增多，空间电荷区加宽，而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性。第1章 常用半导体器件 图1-6PN结的形成(a)载流子的扩散运动；(b)空间电荷区；(c)电位分布第1章 常用半导体器件 在空间电荷区里，由于杂质正负离子的极性相反，于是产生了由带正电的N型区指向带负电的P型区的电场，因为这个电场是由内部载流子扩散运动形成的，故称为内电场。在内电场的作用下，少数载流子产生漂移运动，N型区的少子(空穴)漂移到P型区，P型区的少子(自由电子)漂移到N型区。这样，从N型区漂移到P型区的空穴填补了原来交界面上P型区所失去的空穴，从P型区漂移到N型区的自由电子填补了原来交界面上N型区所失去的自由电子，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。显然，同类型载流子漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。由于内电场阻止多子的扩散运动、增强少子的漂移运动，因此又将这个空间电荷区称为阻挡层。第1章 常用半导体器件 当多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡时，由多子扩散运动所形成的扩散电流和少子的漂移运动所形成的漂移电流相等，且两者方向相反，此时，空间电荷区的宽度一定，PN结电流为零。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差Uho,如图1-6（c）所示。处于室温时，锗的Uho0.20.3V，硅的Uho0.50.7V。第1章 常用半导体器件 由上述分析可知，若P型和N型半导体的掺杂浓度不同，空间电荷区内正、负离子的宽度也将不同，P型区和N型区的掺杂浓度相等时，正离子区与负离子区的宽度也相等，称为对对称称PN结结；当两边掺杂浓度不等时，浓度高的一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不不对对称称PN结结。其中，P型区掺杂浓度大于N型区的称为P+N结；N型区掺杂浓度大于P型区的称为N+P结。第1章 常用半导体器件 2PN结的单向导电性结的单向导电性1）正向特性若PN结外加正向电压，即PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，则称PN结处于正向偏置，简称正正偏偏，如图1-7所示。此时，外加电压的方向与内电场方向相反，在外电场的作用下，N型半导体中性区中的自由电子向空间电荷区移动，与空间电荷区中的正离子中和，P型半导体中性区中的空穴向空间电荷区移动，与空间电荷区的负离子中和，而中性区失去的自由电子和空穴则由外电源源源不断地向N型区和P型区注入，结果是空间电荷区变窄，内电场减弱。由于多子的扩散运动大于少子的漂移运动，因此当外加电压增大到一定值以后，扩散电流将大大增加。可见，正向偏置时，PN结中的电流主要是由扩散运动所形成的扩散电流，它是两种多数载流子的电流之和，称为正向电流。为了防止PN结因电流过大而损坏，通常在回路中串联一个电阻R，起限流作用。第1章 常用半导体器件 图1-7PN结外加正向电压时导通第1章 常用半导体器件 2）反向特性若PN结外加反向电压，即PN结的P区接电源的负极，N区接电源的正极，则称PN结处于反向偏置，简称反偏，如图1-8所示。此时，外加电压的方向与内电场方向相同，在外电场的作用下，P型区中的空穴和N型区中的自由电子离开PN结而使空间电荷区变宽，内电场加强，促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。此时，流过PN结的电流主要是少子的漂移电流，外电路电流方向与PN结正偏时的正向电流方向相反，称为反向电流，记为I。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很低，因此反向电流数值很小。在一定的温度下，当外加反向电压超过某个数值（约为零点几伏）后，反向电流将不再随着外加反向电压的增加而增大，故又称为反向饱和电流反向饱和电流（ReverseSaturationCurrent），用IS表示。第1章 常用半导体器件 综上所述，PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流，PN结呈导通状态；PN结反向偏置时，结电阻很大，回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。所以，PN结具有单向导电性。第1章 常用半导体器件 图1-8PN结外加反向电压时截止第1章 常用半导体器件 3）伏安特性PN结结的的伏伏安安特特性性就是流过PN结的电流与其上所加电压之间的关系。前面定性地讨论了PN结在外加正向电压和反向电压下电压与电流的关系，下面进一步借助数学方程式描述PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结两端的电压U和流过PN结的电流I之间的关系为(1-2)式中,IS为反向饱和电流；UT为温度电压当量，UT=kT/q，其中k为玻尔兹曼常数（即为1.3810-23J/K），q为电子电荷（约为1.610-19J）,T为PN结的绝对温度。对于室温T=300K来说，UT26mV。第1章 常用半导体器件 从式（1-2）可知，当PN结外加正向电压（U为正）时，I随着的增大而增大。若UUT，则可得下列近似式：即I随U按指数规律变化；当PN结外加反向电压（U为负），且|U|0UD2=6V-0V=6V0二极管接入后，VD2管承受的正向压降比VD1管高，VD2管优先导通，使Uo钳位在0V。此时，VD1管因承受反向电压而截止。经判断，电路中二极管VD1导通，VD2截止，输出电压Uo=0V。第1章 常用半导体器件 图1-18例1-1的电路第1章 常用半导体器件 1.2.5 稳压二极管稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。1 稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性与普通二极管类似。如前所述，二极管处于反向击穿区时，并不一定意味着管子损坏，只要限制流过管子的反向电流，二极管就不会因过热而烧毁。而且在反向击穿状态下，管子两端电压变化很小，具有恒压性能，利用二极管的这一特点可实现稳压作用，制成稳压管。稳压管在工作时，流过它的电流在IZminIZmax之间变化，在这个范围内，稳压管两端的反向电压变化很小，且工作安全。稳压管的伏安特性和符号如图1-19所示。第1章 常用半导体器件 图1-19稳压管的伏安特性和符号(a)伏安特性；(b)符号第1章 常用半导体器件 2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ：稳压管反向击穿后的稳定电压值。由于制造工艺的分散性，即使同一型号的稳压管，各个不同的管子稳压值UZ也有些差别。例如型号为2CW13的稳压管，稳定电压为5.55.6V。但对同一只管子，稳定电压UZ应是确定的。（2）稳定电流IDZ：稳压管正常工作时的参考电流。电流低于此值，稳压效果变差，甚至不起稳压作用；电流高于此值，只要不超过稳压管的额定功耗，稳压管可以正常工作，故也将IDZ记作IZmin。第1章 常用半导体器件（3）额定功耗PZM：稳压管允许的最大稳定电流IZM（或记作IZmax）和稳定电压UZ的乘积。稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。对于一只给定的稳压管，可通过手册上给出的PZM，根据IZM=PZM/UZ求得IZM。（4）动态电阻rz:稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=UZ/IDZ。r-z越小，稳压性能越好。对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。第1章 常用半导体器件（4）动态电阻rz:稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=UZ/IDZ。rz越小，稳压性能越好。对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。（5）温度系数：温度每变化1所引起的稳定电压的变化量，即=UZ/T。通常稳定电压低于4V的稳压管具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时，稳定电压值下降；稳定电压大于7V的稳压管具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时，稳定电压值上升；稳定电压在47V之间的稳压管，温度系数较小，说明管子的稳定电压受温度的影响小，性能比较稳定。第1章 常用半导体器件 在使用稳压管组成稳压电路时，应使外加电源的正极接管子的N区，负极接管子的P区，以保证稳压管工作在反向击穿区。常用的稳压管稳压电路如图1-20所示。由图可见，稳压管并联在负载RL的两端，以使负载两端电压在Ui和RL变化时保持稳定。此外，为了保证稳压管正常工作时的反向电流在IZminIZmax之间，在电路中串联一个限流电阻R，只有当R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。第1章 常用半导体器件 图1-20稳压管稳压电路第1章 常用半导体器件 1.3 半导体三极管半导体三极管 1.3.1 三极管的结构及符号三极管的结构及符号根据组合方式不同，三极管有NPN和PNP两种类型，其结构示意图和电路符号如图1-21所示。图1-21(a)中，在一块晶片（硅片或锗片）上用不同的掺杂方式制造出三个掺杂区，依序称为发射区、基区和集电区，发射区和基区之间的PN结称为发发射射结结，基区和集电区之间的PN结称为集集电电结结。相对于三个区域分别引出三个电极，即发发射射极极e（Emitter）、基基极极b(Base)和集集电电极极c(Collector)，再加上某种形式的封装外壳，便构成三极管。第1章 常用半导体器件 图1-21三极管的结构示意图和电路符号(a)结构示意图；(b)电路符号第1章 常用半导体器件 图1-21（b）中发射极的箭头方向表示发射结正向导通时实际电流的方向。从图上看，三极管好像是两个反向串联的PN结。但是，把两个孤立的PN结例如两个二极管反向串联起来并不具有放大作用，而三极管作为一个放大器件具有特殊的内部结构。首先，发射区掺杂浓度很高，即发射结为N+P结或P+N结；其次，基区必须很薄；第三，集电结结面积很大，以利于收集载流子。两种三极管的工作原理是相似的，本节以NPN型硅管为例讲述三极管的工作原理、特性曲线和主要参数。第1章 常用半导体器件 1.3.2 三极管的工作原理三极管的工作原理1 三极管的三极管的PN结偏置结偏置为使三极管正常工作，必须给三极管的两个PN结加上合适的直流电压，或者说，两个PN结必须有合适的偏置。因为每个PN结可有两种偏置方式（正偏和反偏），所以两个PN结共有四种偏置方式，从而导致三极管有四种不同的工作状态，如表1.1所示。表表1.1 三极管的四种偏置方式三极管的四种偏置方式 发射结偏置方式发射结偏置方式 集电结偏置方式集电结偏置方式 三极管的工作状态三极管的工作状态 正偏正偏 反偏反偏 放大状态放大状态 正偏正偏 正偏正偏 饱和状态饱和状态 反偏反偏 反偏反偏 截止状态截止状态 反偏反偏 正偏正偏 倒置状态倒置状态 第1章 常用半导体器件 在模拟电子电路中，三极管常作为放大器件使用，因此三极管除具有放大作用的内部结构条件外，还必须有实现放大的外部条件，即保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。要实现发射结正偏、集电结反偏，对于NPN管三个电极的电位关系是：集电极电位UC最高，基极电位UB次之，发射极电位UE最低，即UCUBUE；对于PNP管正好相反，即UCUBUBB。第1章 常用半导体器件 第1章 常用半导体器件（1）发射结正向偏置，扩散运动形成发射极电流IE。由于发射结正向偏置，且发射区掺杂浓度高，因此发射区大量的自由电子扩散到基区，成为基区的非平衡少子，并形成电子电流IEN；同时，基区的多子(空穴)也扩散到发射区，形成空穴电流IEP，因此发射极电流IE为电子电流IEN和空穴电流IEP之和，即IE=IEN+IEP（1-7）由于发射结为N+P结，流过发射结的空穴电流和电子电流相比可以忽略不计，因此发射极电流IE主要是自由电子扩散运动所形成的电子电流IEN。第1章 常用半导体器件（2）部分非平衡少子与空穴复合形成基极电流IB。由于基区很薄，且掺杂浓度低，因此扩散到基区的自由电子只有极少部分与基区空穴复合，大部分作为基区的非平衡少子到达集电结。基区被复合掉的空穴由基极电源UBB源源不断地补充，从而形成基极电流IB。第1章 常用半导体器件（3）集电结反向偏置，漂移运动形成集电极电流IC。由于集电结反向偏置，且集电结面积大，因此漂移运动大于扩散运动，基区里到达集电结边缘的非平衡少子漂移到集电区，形成集电极电子电流ICN；同时，基区和集电区的平衡少子也进行漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。由此集电极电流IC为IC=ICN+ICBO式中，ICBO很小，近似分析中可忽略不计。（1-8）第1章 常用半导体器件 4 三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系上面分析了三极管处于放大状态时内部载流子的运动及各极电流的形成。从三极管的外部看，可将三极管视为一个节点，根据基尔霍夫电流定律有 IE=IB+IC（1-9）对于一个高质量的三极管，通常希望发射区的绝大多数自由电子能够到达集电区，即ICN在IE中占有尽可能大的比例。为了衡量集电极电子电流ICN所占发射极电流IE的比例大小，一般将ICN和IE的比值定义为共基直流电流放大系数，记作，即第1章 常用半导体器件（1-10）将式(1-10)代入式（1-8）可得（1-11）当ICBO1V以后的输入特性曲线基本重合。由于实际使用时，UCE通常都大于1V，因此一般选用UCE1V的那条特性曲线。第1章 常用半导体器件 2 输出特性曲线输出特性曲线输输出出特特性性曲曲线线是指在基极电流IB为某一固定值时，集电极电流iC同集电极与发射极之间的电压uCE之间的关系曲线。用函数表示为(1-26)对于每一个确定的IB，都有一条输出特性曲线，所以输出特性是一组曲线族，如图1-26所示。由图1-26可见，对应于不同的IB，各条特性曲线的形状基本相同，现取一条进行说明。第1章 常用半导体器件 图1-26NPN管的共射输出特性曲线第1章 常用半导体器件 在uCE较小时，集电结电场强度很小，对到达基区的电子吸引力不够，一旦uCE稍有增加，因此iC就跟着增大，iC受uCE影响较明显，曲线很陡；当uCE超过某一数值时，集电结的电场达到了足以将基区中的大部分非平衡少子拽到集电区的强度，所以，即使uCE再增大，也不会有更多的电子被收集过来，集电极电流iC基本恒定，特性曲线变得比较平坦。然而实际上，由于集电结上反向电压的增加，集电结加宽，相应地使基区宽度减小，这样在基区内载流子的复合减小，导致增大。那么，在IB不变的情况下，iC将随uCE的增大而增大，特性曲线略向上倾斜，这种现象称为基区宽度调制效应。第1章 常用半导体器件 根据上述输出特性曲线的特点，将三极管的工作范围划分为截止区、放大区和饱和区三个区域。1）截止区输出特性曲线族中，IB=0以下的区域称为截截止止区区。三极管工作在截止区时，发射结和集电结均处于反向偏置，IB=0，ICICEO。通常ICEO很小，因此在近似分析中可以认为三极管的集电极和发射极之间呈高阻态，iC0，三极管截止，相当于开关断开。第1章 常用半导体器件 2）放大区在图1-26中虚线以右，各条输出特性曲线较平坦的部分，称为放大区。三极管工作在放大区时，发射结为正偏，集电结为反偏。在放大区，各条特性曲线几乎平行，且间距也几乎相等，这表明集电极电流iC受基极电流IB控制，而与uCE无关。所以在放大区，三极管可视为一个受基极电流IB控制的受控恒流源，即=IC/IB=IC/IB=为一常数。第1章 常用半导体器件 3）饱和区在图1-26中虚线以左，uCE很小，输出特性曲线陡直上升，该区域称为饱饱和和区区。三极管工作在饱和区时，发射结和集电结均处于正向偏置，集电结收集电子的能力较小，IB增大时，iC增加很少，甚至不增大。从图1-26中可见，不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起，IB对iC失去控制作用，因此三极管没有放大作用，不能用来描述基极电流和集电极电流的关系。工程上定义，uCE=uBE即uCB=0时,三极管处于临界饱和；uCEU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEO综上所述，在三极管的输出特性曲线上，由PCM、ICM和U(BR)CEO所围成的区域是三极管的安全工作区，如图1-27所示。第1章 常用半导体器件 1.3.5 温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响由于半导体材料的热敏特性，三极管的参数几乎都与温度有关。在使用三极管时，主要考虑温度对ICBO、UBEO和三个参数的影响。1 温度对温度对ICBO的影响的影响ICBO是由三极管集电结反向偏置时平衡少子的漂移运动形成的。当温度升高时，由本征激发所产生的少子浓度增加，从而使ICBO增大。可以证明，温度每升高10，ICBO增加约1倍。通常硅管的ICBO比锗管的要小，因此硅管比锗管受温度的影响要小。第1章 常用半导体器件 2 温度对温度对UBEO的影响的影响UBEO是三极管发射结正向导通电压，它类似于PN结的导通电压Uon，具有负温度系数，即温度每升高1，UBEO将减小22.5mV。3 温度对温度对的影响的影响温度升高时，注入基区的载流子扩散速度加快，此时，在基区电子与空穴的复合数目减少，因而增大。实验表明，温度每升高1，将增加0.5%1.0%。第1章 常用半导体器件【例1-2】用直流电压表测得某放大电路中一个三极管的三个电极对地电位分别是：U1=3V，U2=9V，U3=3.7V，试判断该三极管的管型及各电位所对应的电极。解解 由三极管正常放大的工作条件可知，三极管正向偏置时，硅管的UBE0.7V，锗管的UBE0.2V；对于NPN型管,UCUBUE，对于PNP型管,UCUBUE。根据题中已给条件，U3和U1电位差为0.7V，可判断该管是硅管，且U3和U1所对应的电极一个是基极，一个是发射极，则U2所对应的电极一定是集电极c。又因为U2是三个电极电位中最高的电位，该管是NPN型管子。由U1U350V时，iC迅速增大，所以UCEO为50V。通过UCE=25V作垂线与PCM线相交，交点的纵坐标iC=3mA，所以PCM=iCuuCE=325=75mW。ICM在图中已标出，其值为5mA。第1章 常用半导体器件 1.4 场场 效效 应应 管管 1.4.1 结型场效应管结型场效应管 1 结构和符号结构和符号结型场效应管又分为N沟道JFET和P沟道JFET。在一块N型半导体两侧制作两个高掺杂的P型区，形成两个P+N结。将两个P型区连在一起，引出一个电极称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为漏极d和源极s，两个P+N结中间的N型区域称为导电沟道，故该结构是N沟道JFET。N沟道JFET的结构示意图和电路符号如图1-29（a）、（b）所示，符号上的箭头方向表示栅源之间P+N结正向偏置时，栅极电流的方向由P指向N。第1章 常用半导体器件 图1-29结型场效应管的结构示意图和符号(a)结构示意图；(b)N沟道JFET符号；(c)P沟道JFET符号第1章 常用半导体器件 2 工作原理工作原理JFET正常工作时，JFET的PN结必须加反偏电压。对于N沟道的JFET，在栅极和源极之间应加负电压（即栅源电压uGS0），以形成漏极电流iD。在外加电压uGS一定时，iD的大小由导电沟道的宽度决定。第1章 常用半导体器件 1）uGS对导电沟道的控制作用令uDS=0，即将漏极和源极短接，此时N沟道宽度仅受栅源电压uGS的影响。当uDS=0，且uGS=0时，P+N结耗尽层最窄，导电沟道最宽,如图1-30（a）所示。当|uGS|增大时，反向电压加大，耗尽层加宽，导电沟道变窄，如图1-30（b）所示，沟道电阻增大。当|uGS|增大到一定数值时，沟道两侧的耗尽层相碰，导电沟道消失，如图1-30（c）所示，沟道电阻趋于无穷大，称此时的uGS为夹夹断断电压电压，记作UGS(off)。N沟道的夹断电压UGS(off)是一个负值。第1章 常用半导体器件 图1-30第1章 常用半导体器件 2）uDS对iD的影响当uGS一定时，若uDS=0，虽然存在导电沟道，但是多数载流子不会产生定向移动，所以漏极电流iD为零。当加上漏源电压uDS后，多数载流子自由电子在导电沟道上定向移动，形成了漏极电流iD，同时在导电沟道上产生了由漏极到源极的电压降。这样从漏极到源极的不同位置上，栅极与沟道之间的P+N结上所加的反向偏置电压是不等的，靠近漏端的P+N结上，反偏电压uGD=uGS-uDS最大，耗尽层最宽，沟道最窄；靠近源端的P+N结上，反偏电压uGS最小，耗尽层最窄，沟道最宽，导电沟道呈楔形，如图1-31（a）所示。由图可见，由于uDS的影响，导电沟道的宽度由漏极到源极逐渐变宽，沟道电阻逐渐减小。第1章 常用半导体器件 在uDS较小时，沟道靠近漏端的宽度仍然较大，沟道电阻对漏极电流iD的影响较小，漏极电流iD随uDS的增大而线性增加，漏-源之间呈电阻特性。随着uDS的增大，靠近漏端的耗尽层加宽，沟道变窄，如图1-31（b）所示，沟道电阻增大，iD随uDS的增大而缓慢地增加。当uDS的增加使得uGD=uGS-uDS=UGS(off)，即uDS=uGS-UGS(off)时，靠近漏端两边的P+N结在沟道中A点相碰，这种情况称为预夹断，如图1-31（c）所示。在预夹断处，uDS仍能克服沟道电阻的阻力将电子拉过夹断点，形成电流iD。第1章 常用半导体器件 当uDSuGS-UGS(off)以后，相碰的耗尽层扩大，A点向源端移动，如图1-31（d）所示。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，因此uDSuGS-UGS(off)的部分几乎全部降在相碰的耗尽层上，夹断点A与源极之间沟道上的电场基本保持在预夹断时的强度，iD基本不随uDS的增加而增大，漏极电流趋于饱和。若uDS继续增加，最终将会导致P+N结发生反向击穿，漏极电流迅速上升。第1章 常用半导体器件 图1-31第1章 常用半导体器件 综上分析，uGS和uDS对导电沟道均有影响，但改变uGS，P+N结的宽度发生改变，整个沟道宽度改变，沟道电阻改变，漏极电流跟着改变，所以漏极电流主要受栅源电压uGS的控制。由以上分析可得下述结论：(1)JFET栅极和源极之间的PN结加反向偏置电压，故栅极电流iG0，输入电阻很高；(2)JFET是一种电压控制型器件，改变栅源电压uGS，漏极电流iD改变；(3)预夹断前，iD与uDS呈线性关系；预夹断后，漏极电流iD趋于饱和。P沟道JFET正常工作时，其各电极间电压的极性与N沟道JFET的相反。第1章 常用半导体器件 3 特性曲线特性曲线1）输出特性曲线输输出出特特性性曲曲线线是指在栅源电压UGS为某一固定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系曲线，即（1-27）对应于一个uGS，就有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一特性曲线族，如图1-32所示。图中将各条曲线上uDS=uGS-UGS(off)的点连成一条虚线，该虚线称为预夹断轨迹预夹断轨迹。第1章 常用半导体器件 图1-32N沟道JFET输出特性曲线第1章 常用半导体器件 整个输出特性曲线可划分为四个区：(1)可变电阻区。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受uGS控制的可变电阻区。第1章 常用半导体器件(2)饱和区。饱和区又称为放大区或恒流区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。其特点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特性曲线是一族平行线。因此，在该区域iD可视为一个受电压uGS控制的电流源。JFET用作放大管时，一般就工作在这个区域。第1章 常用半导体器件(3)截止区。当uGSuGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。(4)击穿区。击穿区是当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域。该区产生的原因是：加在沟道中耗尽层的电压太高，使栅漏间的P+N结发生雪崩击穿而造成电流iD迅速增大。栅漏击穿电压记为U(BR)GD。通常不允许场效应管工作在击穿区，否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的uDS值称为漏漏源源击击穿穿电电压压，记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-U(BR)GD。由于PN结反向击穿电压总是一定的，因此uGS越小，出现击穿的uDS越小。第1章 常用半导体器件 2）转移特性曲线由于场效应管栅极输入电流近似为零，因此讨论输入特性是没有意义的。但是，场效应管是一种电压控制型器件，其栅源电压uGS可以控制漏极电流iD，故讨论uGS和iD之间的关系可以研究电压对电流的控制作用。所谓转转移移特特性性曲线,就是在漏源电压UDS为一固定值时，漏极电流和栅源电压之间的关系曲线，即第1章 常用半导体器件 转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。由于在饱和区内，不同uDS作用下iD基本不变，因此可以用一条转移特性曲线来表示饱和区内iD与uGS的关系。在输出特性曲线的饱和区中作一条垂直于横轴的垂线，如图1-33所示。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应管在UDS一定的条件下iD与uGS关系。把各交点的iD与uGS值画在iDuGS的直角坐标系中，连接各点便得到转移特性曲线。在工程计算中，饱和区里iD与uGS关系可用转移特性方程来描述，即(UGS(off)uGS0)（1-29）式中IDSS是uGS=0时的漏极电流，常称为饱和漏极电流饱和漏极电流。第1章 常用半导体器件 图1-33由输出特性曲线绘制转移特性曲线第1章 常用半导体器件【例1-4】结型场效应管共源电路如图1-34所示。已知管子的UGS(off)=-5V,试分析:（1）UGS=-7V,UDS=4V；（2）UGS=-3V,UDS=4V；（3）UGS=-3V,UDS=1V三种情况下,场效应管的工作状态。解解（1）因为UGS=-7VUGS(off)=-5V，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off)=-3-(-5)=2V，UDS=4V大于预夹断处的UDS值，故管子工作在饱和区。（3）因为UGS=-3VUGS(off)=-5V，且预夹断点的漏源电压UDS(预夹断)=UGS-UGS(off)=-3-（-5)=2V，UDS=1V小于预夹断处的UDS值，故管子工作在可变电阻区。第1章 常用半导体器件 第1章 常用半导体器件 1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅极与源极之间PN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是PN结反偏时总会有反向电流存在，而且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高，这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管。根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层，称为金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体场场效效应应管管（MOSFET,MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），简称MOS管管。这种场效应管输入电阻约为1081010，高的可达1015，并且制造工艺简单，便于集成。第1章 常用半导体器件 MOS管也有N沟道和P沟道两种类型，每类根据工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型。所谓耗耗尽尽型型,就是当uGS=0时，存在导电沟道，iD0，（JFET就属于此类）；所谓增增强强型型,就是uGS=0时，没有导电沟道，iD=0。P沟道和N沟道MOS管的工作原理相似，下面以N沟道MOS管为例来讨论其工作原理和特性。第1章 常用半导体器件 1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1)结构和符号N沟道增强型MOSFET的结构示意图如图1-35（a）所示。它以一块掺杂浓度较低的P型硅片为衬底，利用扩散工艺在衬底的上边制作两个高掺杂的N+型区，在两个N+型区表面喷上一层金属铝，引出两个电极，分别称为源极s和漏极d，然后在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在两个N+型区之间的绝缘层表面也喷上一层金属铝，引出一个电极称为栅极g。在衬底底部引出引线B，通常衬底与源极接在一起使用。这样栅极-SiO2绝缘层-衬底形成一个平板电容器，通过控制栅源电压改变衬底中靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流。第1章 常用半导体器件 图1-35第1章 常用半导体器件 2）工作原理正常工作时，N沟道MOSFET的栅源电压uGS和漏源电压uDS均为正值。当uGS=0时，漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道。此时，即使漏-源之间加上正电压，也肯定是一个PN结导通，一个PN结截止，因此不会有漏极电流iD。第1章 常用半导体器件 图1-36第1章 常用半导体器件 当uDS=0且uGS0时，由于SiO2绝缘层的作用，栅极电流为零。但是作为平板电容器，在SiO2绝缘层中产生一个由栅极指向衬底的电场，该电场排斥栅极附近P型衬底的空穴，使之剩下了不能移动的负离子区，形成耗尽层；同时把P型衬底内的少子电子吸引到衬底表面，如图1-36（a）所示；随着uGS增大，一方面耗尽层加宽，另一方面被吸引到衬底表面的电子增多，当uGS增大到一定数值时，在衬底表面形成了一个电子薄层，称为反型层，如图1-36（b）所示。这个反型层将两个N+型区相连，成为漏-源之间的导电沟道。通常将开始形成反型层所需的uGS值称为开启电压UGS（th）。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。第1章 常用半导体器件 当uGSUGS(th)后，若在漏-源之间加正向电压，将有漏极电流iD产生。当uDS较小时，iD随uDS的增大而线性上升。由于iD通过沟道形成自漏极到源极的电位差，因此加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道变化。靠近源端的电位最大，其值为uGS，相应沟道最深；靠近漏端电位最小，其值为uGD=uGS-uDS（1-30）相应沟道最浅，如图1-36（c）所示。当uGS一定时，随着uDS增大，uGD减小，靠近漏端的沟道深度也减小，直到uGD=UGS(th)，即uGS-uDS=UGS(th)或uDS=uGS-UGS(th)（1-31）第1章 常用半导体器件 时，靠近漏端的反型层消失，沟道在A点被夹断，称为预夹断，如图1-36（d）所示。如果uDS继续增大，夹断区域延长，如图1-36（e）所示。以后，由于uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，因此iD几乎不随uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD基本上由uGS控制。第1章 常用半导体器件 3）特性曲线图1-37N沟道增强型MOSFET的特性曲线(a)输出特性曲线；(b)转移特性曲线第1章 常用半导体器件 同JFET一样，输出特性曲线也分为四个区域，即可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区。在饱和区内，转移特性可近似地表示为（1-32）式中,IDO是uGS=2UGS(th)时的iD。第1章 常用半导体器件 2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET在制造MOSFET时，如果预先在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，那么即使uGS=0，在正离子的作用下，P型衬底表层也会被感应出反型层，形成N沟道，并与两个N+型区源区和漏区连接在一起，如图1-38（a）所示。只要在漏-源之间加正向电压就会产生漏极电流iD。第1章 常用半导体器件 图1-38N沟道耗尽型MOSFET结构示意图和耗尽型MOS管符号(a)结构示意图；(b)N沟道耗尽型MOS管符号；(c)P沟道耗尽型MOS管符号第1章 常用半导体器件 如果在栅-源之间加正电压，uGS所产生的外电场增强了正离子所产生的电场，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；如果在栅-源之间加负电压，uGS所产生的外电场削弱了正离子所产生的电场，吸引自由电子数量少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小；当uGS负到一定值时，导电沟道消失，iD=0，此时的uGS值称为夹夹断断电电压压UGS（off）。可见耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，改变uGS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流iD。由于这种管子的栅极和源极是绝缘的，因此栅极基本上无电流。第1章 常用半导体器件 3 P沟道沟道MOSFET与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压，当uGSUGS（th）时导电沟道才存在，管子导通，所以开启电压UGS（th）0，改变uGS可实现对漏极电流iD的控制。各种MOSFET的特性比较如表1.2所示。第1章 常用半导体器件 表表1.2 各种各种FET的特性比较的特性比较 第1章 常用半导体器件 表表1.2 各种各种FET的特性比较的特性比较 第1章 常用半导体器件【例1-5】有一只场效应管，不知道是什么类型的管子，通过实验测出它的输出特性如图1-39所示。试确定该管类型，并分别求出它的UGS（off）（或UGS（th）、IDSS、U（BR）DS的值。图1-39例1-5的输出特性曲线第1章 常用半导体器件 解解由图1-39可知，栅源电压uGS的极性可正、可负，漏源电压uDS为负极性，故题图特性曲线所示的管子是P沟道耗尽型MOSFET。由图可见UGS(off)=+3VU(BR)DS=-15VIDSS=-4mA第1章 常用半导体器件 1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1 直流参数直流参数（1）夹断电压UGS(off)：实际测试时，uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5A）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。（2）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5）时的uGS。它是增强型MOSFET的参数。第1章 常用半导体器件（3）饱和漏极电流IDSS：uGS=0,uGD大于夹断电压|UGS(off)|时所对应的漏极电流。（4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的RGS(DC)大于107，而MOSFET的RGS(DC)大于109。第1章 常用半导体器件 2 交流参数交流参数（1）低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量iD和引起它变化的微变量uGS之比，即（1-33）它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm愈大,表示uGS对iD的控制能力愈强。gm的单位是S（西门子）或mS。通常情况下它在十分之几至几mS的范围内。第1章 常用半导体器件 gm相当于转移特性上工作点的斜率。它的估算值可通过对式（1-29）和式（1-32）求导得到，即(1-34)(1-35)第1章 常用半导体器件（2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为13pF，而漏-源间极间电容Cds约为0.11pF。它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。第1章 常用半导体器件 3 极限参数极限参数（1）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。（2）漏源击穿电压U(BR)DS：管子进入恒流区后，使iD急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。（3）栅源击穿电压U(BR)GS：对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。