资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,半导体器件,1.1,半导体的特性,1.2,半导体二极管,1.3,双极型三极管,(,BJT,),1.4,场效应三极管,1.1,半导体的特性,1.,导体：,电阻率, 10,9,cm,物质。如橡胶、塑料等。,3.,半导体：,导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅,(,Si,),和锗,(,Ge,),。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,硅原子结构,图 硅原子结构,(,a,),硅的原子结构图,最外层电子称,价电子,价电子,锗原子也是,4,价元素,4,价元素的原子常常用,+ 4,电荷的正离子和周围,4,个价电子表示。,+4,(,b,),简化模型,本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 单晶体中的共价键结构,当温度,T,= 0,K,时，半导体不导电，如同绝缘体。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,图 本征半导体中的,自由电子和空穴,自由电子,空穴,若,T,，将有少数价电子克服共价键的束缚成为,自由电子,，在原来的共价键中留下一个空位,空穴。,T,自由电子,和,空穴,使,本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1.,半导体中两种载流子,带负电的,自由电子,带正电的,空穴,2.,本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为,电子,-,空穴对。,3.,本征半导体中,自由电子,和,空穴,的浓度,用,n,i,和,p,i,表示，显然,n,i,=,p,i,。,4.,由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。,在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.,载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,杂质半导体,杂质半导体有两种,N,型半导体,P,型半导体,一、,N,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的,5,价,杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成,N,型半导体,(,或称电子型半导体,),。,常用的,5,价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入,5,价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有,5,个价电子，其中,4,个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即,n,p,。,电子称为多数载流子,(,简称多子,),，,空穴称为少数载流子,(,简称少子,),。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,自由电子,施主原子,图,1.1.4,N,型半导体的晶体结构,二、,P,型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的,3,价,杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成,P,型半导体,。,+3,空穴浓度多于电子浓度，即,p,n,。,空穴为多数载流子,，电子为少数载流子。,3,价杂质原子称为,受主原子。,受主原子,空穴,图,P,型半导体的晶体结构,说明：,1.,掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.,杂质半导体总体上保持电中性。,4.,杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.,杂质半导体,载流子的数目,要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(,a,),N,型半导体,(,b,),P,型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,1.2,半导体二极管,PN,结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为,P,型半导体，另一侧掺杂成为,N,型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，,称为,PN,结,。,P,N,PN,结,图,PN,结的形成,一、,PN,结中载流子的运动,耗尽层,空间电荷区,P,N,1.,扩散运动,2.,扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成,多数载流子的扩散运动。, PN,结，耗尽层。,图,P,N,3.,空间电荷区产生内电场,P,N,空间电荷区,内电场,U,D,空间电荷区正负离子之间电位差,U,D,电位壁垒,；,内电场,；内电场阻止多子的扩散,阻挡层,。,4.,漂移运动,内电场有利于少子运动,漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,阻挡层,图,(,b,),5.,扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；,随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；,当扩散电流与漂移电流相等时，,PN,结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米,几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即,扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒,U,D,，硅材料约为,(,0.6 0.8,),V,锗材料约为,(,0.2 0.3,),V,。,二、,PN,结的单向导电性,1.,PN,外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,外电场方向,内电场方向,空间电荷区,V,R,I,空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。,图,P,N,在,PN,结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻,R,。,2.,PN,结,外加反向电压,(,反偏,),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流,I,；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,空间电荷区,图 反相偏置的,PN,结,反向电流又称,反向饱和电流,。,对温度十分敏感,，,随着温度升高，,I,S,将急剧增大,。,P,N,外电场方向,内电场方向,V,R,I,S,综上所述：,当,PN,结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，,PN,结处于,导通状态,；当,PN,结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，,PN,结处于,截止状态,。,可见，,PN,结具有,单向导电性,。,二极管的伏安特性,将,PN,结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从,P,区和,N,区分别焊出两根引线作正、负极。,二极管的结构：,(,a,),外形图,半导体二极管又称晶体二极管。,(,b,),符号,图 二极管的外形和符号,半导体二极管的类型：,按,PN,结结构,分：,有点接触型和面接触型二极管。,点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。,面接触型二极管,PN,结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,按用途划分：,有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分：,有硅二极管、锗二极管等。,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，,I,=,f,(,U,),之间的关系曲线,。,60,40,20, 0.002, 0.004,0,0.5,1.0,25,50,I,/ mA,U,/ V,正向特性,硅管的伏安特性,死区电压,击穿电压,U,(BR),反向特性, 50,I,/ mA,U,/ V,0.2,0.4, 25,5,10,15,0.01,0.02,锗管的伏安特性,0,图 二极管的伏安特性,1.,正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫,死区电压,。范围称,死区。死区电压,与材料和温度有关，硅管约,0.5 V,左右，锗管约,0.1 V,左右。,正向特性,死区电压,60,40,20,0,0.4,0.8,I,/ mA,U,/ V,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2.,反向特性, 0.02, 0.04,0,25,50,I,/ mA,U,/ V,反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,反向饱和电流,这种现象称,击穿,，对应电压叫,反向击穿电压,。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,击穿电压,U,(BR),3.,伏安特性表达式,(,二极管方程,),I,S,：反向饱和电流,U,T,：温度的电压当量,在常温,(,300 K,),下，,U,T,26 mV,二极管加反向电压，即,U,U,T,，则,I,-,I,S,。,二极管加正向电压，即,U, 0,，且,U,U,T,，则,，可得 ，说明电流,I,与电压,U,基本上成指数关系。,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,二极管的主要参数,1.,最大整流电流,I,F,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2.,最高反向工作电压,U,R,工作时允许加在二极管两端的反向电压值,。通常将击穿电压,U,BR,的一半定义为,U,R,。,3.,反向电流,I,R,通常希望,I,R,值愈小愈好。,4.,最高工作频率,f,M,f,M,值主要 决定于,PN,结结电容的大小。,结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,二极管的电容效应,当二极管上的电压发生变化时，,PN,结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1.,势垒电容,是由,PN,结的空间电荷区变化形成的。,(,a,),PN,结加正向电压,（,b,),PN,结加反向电压,-,N,空间,电荷区,P,V,R,I,+,U,N,空间,电荷区,P,R,I,+,-,U,V,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于,PN,结,宽度,l,随外加电压,U,而变化，因此,势垒电容,C,b,不是一个常数,。其,C,b,=,f,(,U,),曲线如图示。,：半导体材料的介电比系数；,S,：结面积；,l,：耗尽层宽度。,O,U,C,b,图,1.2.8,2.,扩散电容,C,d,Q,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，,P,区中的电子浓度,n,p,(,或,N,区的空穴浓度,p,n,),分布曲线如图中曲线,1,所示。,x,= 0,处为,P,与,N,区的交界处,当电压加大，,n,p,(,或,p,n,),会升高，如曲线,2,所示,(,反之浓度会降低,),。,O,x,n,P,Q,1,2,Q,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,Q,正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程,扩散电容效应。,图,综上所述：,PN,结总的结电容,C,j,包括势垒电容,C,b,和扩散电容,C,d,两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为,C,j,C,d,；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为,C,j,C,b,。,C,b,和,C,d,值都很小，通常为几个皮法,几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压管,工作于反向击穿区,。,I/,mA,U/,V,O,+,正向,+,反向,U,(,b,),稳压管符号,(,a,),稳压管伏安特性,+,I,图 稳压管的伏安特性和符号,稳压管的参数主要有以下几项：,1.,稳定电压,U,Z,3.,动态电阻,r,Z,2.,稳定电流,I,Z,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。,I,I,Z,，只要不超过额定功耗即可。,r,Z,愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，,r,Z,值愈小。,I,Z,= 5 mA,r,Z,16,I,Z,= 20 mA,r,Z,3 ,I,Z,/mA,4.,电压温度系数,U,稳压管的参数主要有以下几项：,稳压管电流不变时，环境温度每变化,1 ,引起稳定电压变化的百分比。,(,1,),U,Z, 7 V,U, 0,；,U,Z, 4 V,，,U, 0,；,(,2,),U,Z,在,4 7 V,之间，,U,值比较小，性能比较稳定。,2CW17,：,U,Z,= 9 10.5 V,，,U,=,0.09,%/,2CW11,：,U,Z,= 3.2 4.5 V,，,U,=,-,(,0.05 0.03,),%/,(,3,),2DW7,系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。,2DW7,系列稳压管结构,(,a,),2DW7,稳压管外形图,(,b,),内部结构示意图,管子内部包括,两个温度系数相反的二极管对接,在一起。,温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，,使,1,、,2,两端之间的电压随温度的变化很小。,例：,2DW7C,，,U,=,0.005,%/,图,2DW7,稳压管,5.,额定功耗,P,Z,额定功率决定于稳压管允许的温升。,P,Z,=,U,Z,I,Z,P,Z,会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出,I,ZM,，,I,ZM,=,P,Z,/,U,Z,例,求通过稳压管的电流,I,Z,等于多少？,R,是限流电阻，其值是否合适？,I,Z,VD,Z,+20 V,R,= 1.6 k,+,U,Z,= 12 V,-,I,ZM,= 18 mA,例题电路图,I,Z,I,ZM,，电阻值合适。,解,VD,Z,R,使用稳压管需要注意的几个问题：,图 稳压管电路,U,O,I,O,+,I,Z,I,R,U,I,+,1.,外加,电源的正极接管子的,N,区,，电源的,负极接,P,区,，保证管子工作在反向击穿区；,R,L,2.,稳压管,应,与,负载电阻,R,L,并联,；,3.,必须限制流过稳压管的电流,I,Z,，不能超过规定值,，以免因过热而烧毁管子。,1.3,双极型三极管,(,BJT,),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(,Bipolar Junction Transistor,),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：,NPN,和,PNP,型。,主要以,NPN,型为例进行讨论。,图 三极管的外形,三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图三极管的结构,(,a,),平面型,(,NPN,),(,b,),合金型,(,PNP,),N,e,c,N,P,b,二氧化硅,b,e,c,P,N,P,e,发射极，,b,基极，,c,集电极。,平面型,(,NPN,),三极管制作工艺,N,c,SiO,2,b,硼杂质扩散,e,磷杂质扩散,磷杂质扩散,磷杂质扩散,硼杂质扩散,硼杂质扩散,P,N,在,N,型硅片,(,集电区,),氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成,P,型,(,基区,),，再在,P,型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成,N,型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：,在,N,型锗片,(,基区,),两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与,N,型锗接触，冷却后形成两个,P,型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,图 三极管结构示意图和符号,(,a,),NPN,型,e,c,b,符号,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极,c,基极,b,发射极,e,N,N,P,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极,c,发射极,e,基极,b,c,b,e,符号,N,N,P,P,N,图,1.3.3,三极管结构示意图和符号,(,b,),PNP,型,三极管的放大作用,和载流子的运动,以,NPN,型三极管为例讨论,图三极管中的两个,PN,结,c,N,N,P,e,b,b,e,c,表面看,三极管若实现放大，必须从,三极管内部结构,和,外部所加电源的极性,来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,N,N,P,e,b,c,N,N,N,P,P,P,1.,发射区高掺杂。,2.,基区做得很薄,。通常只有几微米到几十微米，而且,掺杂较少,。,三极管放大的外部条件,：外加电源的极性应使,发射结处于正向偏置,状态，而,集电结处于反向偏置,状态。,3.,集电结面积大。,b,e,c,R,c,R,b,三极管中载流子运动过程,I,E,I,B,1.,发射,发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区,形成发射极电流,I,E,(,基区多子数目较少，空穴电流可忽略,),。,2.,复合和扩散,电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流,I,bn,，,复合掉的空穴由,V,BB,补充,。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图 三极管中载流子的运动,b,e,c,I,E,I,B,R,c,R,b,三极管中载流子运动过程,3.,收集,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电流,I,cn,。,其能量来自外接电源,V,CC,。,I,C,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成,反向,饱和电流,，,用,I,CBO,表示,。,I,CBO,图 三极管中载流子的运动,b,e,c,e,R,c,R,b,三极管的电流分配关系,I,Ep,I,CBO,I,E,I,C,I,B,I,En,I,Bn,I,Cn,I,C,=,I,Cn,+,I,CBO,I,E,=,I,Cn,+,I,Bn,+,I,Ep,=,I,En,+,I,Ep,一般要求,I,Cn,在,I,E,中占的比例,尽量大。而二者之比称,直流电流放大系数,，即,一般可达,0.95 0.99,三个极的电流之间满足节点电流定律，即,I,E,=,I,C,+,I,B,代入,(,1,),式，得,其中：,共射直流电流放大系数。,上式中的后一项常用,I,CEO,表示，,I,CEO,称穿透电流。,当,I,CEO,I,C,时，忽略,I,CEO,，则由上式可得,共射直流电流放大系数 近似等于,I,C,与,I,B,之比。 一般 值约为几十,几百。,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,I,B,/mA,-,0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05,I,C,/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91,I,E,/,mA,0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.96,1.,任何一列电流关系符合,I,E,=,I,C,+,I,B,，,I,B,I,C, 0,时的输入特性曲线,当,U,CE, 0,时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,U,CE,U,BE,，三极管处于放大状态。,*,特性右移,(,因集电结开始吸引电子,),O,I,B,/,A,U,CE, 1,时的输入特性具有实用意义。,I,B,U,CE,I,C,V,CC,R,b,V,BB,c,e,b,R,C,V,+,V,+,A,+,+,mA,U,BE,*,U,CE,1 V,，特性曲线重合。,图 三极管共射特性曲线测试电路,图 三极管的输入特性,二、输出特性,图,NPN,三极管的输出特性曲线,I,C,/,mA,U,CE,/V,100 A,80A,60 A,40 A,20 A,I,B,= 0,O,5 10 15,4,3,2,1,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,截止区,放,大,区,饱和区,放,大,区,1.,截止区,I,B,0,的区域。,两个结都处于反向偏置。,I,B,= 0,时，,I,C,=,I,CEO,。,硅管约等于,1,A,，锗管约为几十,几百微安。,截止区,截止区,2.,放大区：,条件：,发射结正偏,集电结反偏,特点,：,各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,I,C,/,mA,U,CE,/V,100 A,80A,60 A,40 A,20 A,I,B,=0,O,5 10 15,4,3,2,1,放,大,区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放,大,区,放,大,区,对,NPN,管,U,BE, 0,，,U,BC, 0,U,BC, 0,。,特点,：,I,C,基本上不随,I,B,而变化，在饱和区三极管失去放大作用。,I,C,I,B,。,当,U,CE,=,U,BE,，即,U,CB,= 0,时，称,临界饱和,，,U,CE,U,BE,时称为,过饱和,。,饱和管压降,U,CES, 0.4 V,(,硅管,),，,U,CES,0. 2 V,(,锗管,),饱和区,饱和区,饱和区,三极管的主要参数,三极管的连接方式,I,C,I,E,+,C,2,+,C,1,V,EE,R,e,V,CC,R,c,(,b,),共基极接法,V,CC,R,b,+,V,BB,C,1,T,I,C,I,B,C,2,R,c,+,(,a,),共发射极接法,图,NPN,三极管的电流放大关系,一、电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,1.,共射电流放大系数,2.,共射直流电流放大系数,忽略穿透电流,I,CEO,时，,3.,共基电流放大系数,4.,共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流,I,CBO,时，,和,这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,二、反向饱和电流,1.,集电极和基极之间的反向饱和电流,I,CBO,2.,集电极和发射极之间的反向饱和电流,I,CEO,(,a,),I,CBO,测量电路,(,b,),I,CEO,测量电路,I,CBO,c,e,b,A,I,CEO,A,c,e,b,小功率锗管,I,CBO,约为几微安；硅管的,I,CBO,小，有的为纳安数量级。,当,b,开路时，,c,和,e,之间的电流。,值愈大，则该管的,I,CEO,也愈大。,图 反向饱和电流的测量电路,三、 极限参数,1.,集电极最大允许电流,I,CM,当,I,C,过大时，三极管的,值要减小。在,I,C,=,I,CM,时，,值下降到额定值的三分之二。,2.,集电极最大允许耗散功率,P,CM,过,损,耗,区,安,全,工,作,区,将,I,C,与,U,CE,乘积等于规定的,P,CM,值各点连接起来，可得一条双曲线。,I,C,U,CE,P,CM,为过损耗区,I,C,U,CE,O,P,CM,=,I,C,U,CE,安,全,工,作,区,安,全,工,作,区,过,损,耗,区,过,损,耗,区,图 三极管的安全工作区,3.,极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,U,(BR)CEO,：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,U,(BR)CBO,：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区,同时要受,P,CM,、,I,CM,和,U,(BR)CEO,限制。,过电压,I,C,U,(BR)CEO,U,CE,O,过,损,耗,区,安,全,工,作,区,I,CM,过流区,图 三极管的安全工作区,PNP,型三极管,放大原理与,NPN,型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与,NPN,正好相反。,图 三极管外加电源的极性,(,a,),NPN,型,V,CC,V,BB,R,C,R,b,N,N,P,+,+,u,o,u,i,(,b,),PNP,型,V,CC,V,BB,R,C,R,b,+,+,u,o,u,i,PNP,三极管电流和电压实际方向。,U,CE,U,BE,+,+,I,E,I,B,I,C,e,b,C,U,CE,U,BE,(,+,),(),I,E,I,B,I,C,e,b,C,(,+,),(),PNP,三极管各极电流和电压的规定正方向。,PNP,三极管中各极电流实际方向与规定正方向一致。,电压,(,U,BE,、,U,CE,),实际方向与规定正方向相反。计算中,U,BE,、,U,CE,为负值；输入与输出特性曲线横轴为,(,-,U,BE,),、,(,-,U,CE,),。,1.4,场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为,场效应管,，也称,单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件,(,一种载流子导电,),；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,D,S,G,N,符号,结型场效应管,一、结构,图,N,沟道结型场效应管结构图,N,型沟道,N,型硅棒,栅极,源极,漏极,P,+,P,+,P,型区,耗尽层,(,PN,结,),在漏极和源极之间加上一个正向电压，,N,型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是,N,型的，称,N,沟道结型场效应管,。,P,沟道场效应管,图,P,沟道结型场效应管结构图,N,+,N,+,P,型沟道,G,S,D,P,沟道场效应管是在,P,型硅棒的两侧做成高掺杂的,N,型区,(,N,+,),，,导电沟道为,P,型,，多数载流子为空穴。,符号,G,D,S,二、工作原理,N,沟道结型场效应管,用改变,U,GS,大小来控制漏极电流,I,D,的。,G,D,S,N,N,型沟道,栅极,源极,漏极,P,+,P,+,耗尽层,*,在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流,I,D,减小，反之，漏极,I,D,电流将增加。,*,耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1.,设,U,DS,= 0,，,在栅源之间加负电源,V,GG,，改变,V,GG,大小。观察耗尽层的变化。,I,D,= 0,G,D,S,N,型沟道,P,+,P,+,(,a,),U,GS,= 0,U,GS,= 0,时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,U,GS,由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当,U,GS,=,U,P,，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压,U,P,为负值。,I,D,= 0,G,D,S,P,+,P,+,N,型沟道,(,b,),U,GS, 0,，在栅源间加负电源,V,GG,，观察,U,GS,变化时耗尽层和漏极,I,D,。,U,GS,= 0,，,U,DG,，,I,D,较大。,G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DD,V,GG,U,GS, 0,，,U,DG, 0,时，耗尽层呈现楔形。,(,a,),(,b,),G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DD,V,GG,U,GS, |,U,P,|,I,D,0,夹断,G,D,S,I,S,I,D,P,+,V,DD,V,GG,P,+,P,+,(,1,),改变,U,GS,，,改变了,PN,结中电场，控制了,I,D,，故称场效应管；,(,2,),结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使,PN,反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(,c,),(,d,),三、特性曲线,1.,转移特性,(,N,沟道结型场效应管为例,),O,U,GS,I,D,I,DSS,U,P,图 转移特性,U,GS,= 0,，,I,D,最大；,U,GS,愈负，,I,D,愈小；,U,GS,=,U,P,，,I,D,0,。,两个重要参数,饱和漏极电流,I,DSS,(,U,GS,= 0,时的,I,D,),夹断电压,U,P,(,I,D,= 0,时的,U,GS,),U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图,1.4.5,特性曲线测试电路,+,mA,1.,转移特性,O u,GS,/,V,I,D,/mA,I,DSS,U,P,图,1.4.6,转移特性,2.,漏极特性,当栅源 之间的电压,U,GS,不变时，漏极电流,I,D,与漏源之间电压,U,DS,的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,I,DSS,/V,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,U,GS,= 0V,-,1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,6,-,7,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：,可变电阻区、恒流区和击穿区。,2.,漏极特性,U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图,1.4.5,特性曲线测试电路,+,mA,图,(,b,),漏极特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,U,DS,=,常数,I,D,/,m,A,0,-,0.5,-,1,-,1.5,U,GS,/V,U,DS,= 15 V,5,I,D,/,mA,U,DS,/,V,0,U,GS,= 0,-,0.4 V,-,0.8 V,-,1.2 V,-,1.6 V,10,15,20,25,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达,10,7,以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 在漏极特性上用作图法求转移特性,绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为,金属,-,氧化物,-,半导体场效应管,，或简称,MOS,场效应管,。,特点：输入电阻可达,10,9,以上。,类型,N,沟道,P,沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,U,GS,= 0,时漏源间存在导电沟道称,耗尽型场效应管；,U,GS,= 0,时漏源间不存在导电沟道称,增强型场效应管。,一、,N,沟道增强型,MOS,场效应管,1.,结构,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,SiO,2,源极,S,漏极,D,衬底引线,B,栅极,G,图,N,沟道增强型,MOS,场效应管的结构示意图,2.,工作原理,绝缘栅场效应管利用,U,GS,来控制,“,感应电荷,”,的多少，改变由这些,“,感应电荷,”,形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流,I,D,。,工作原理分析,(,1,),U,GS,= 0,漏源之间相当于两个背靠背的,PN,结，无论漏源之间加何种极性电压，,总是不导电,。,S,B,D,图,1.4.9,(,2,),U,DS,= 0,，,0 ,U,GS,U,T,),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流,I,D,。,b.,U,DS,=,U,GS,U,T,，,U,GD,=,U,T,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.,U,DS,U,GS,U,T,，,U,GD,U,T,由于夹断区的沟道电阻很大，,U,DS,逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，,I,D,因而基本不变。,a.,U,DS,U,T,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,D,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,图,U,DS,对导电沟道的影响,(,a,),U,GD,U,T,(,b,),U,GD,=,U,T,(,c,),U,GD,U,T,3.,特性曲线,(,a,),转移特性,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,U,GS,U,T,时,),三个区：可变电阻区、恒流区,(,或饱和区,),、击穿区。,U,T,2,U,T,I,DO,U,GS,/V,I,D,/mA,O,图,1.4.12,(,a,),图,1.4.12,(,b,),二、,N,沟道耗尽型,MOS,场效应管,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,+,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,P,型衬底中,“,感应,”,负电荷，形成,“,反型层,”,。即使,U,GS,= 0,也会形成,N,型导电沟道。,+,+,U,GS,= 0,，,U,DS, 0,，产生较大的漏极电流；,U,GS, 0,；,U,GS,正、负、零均可。,I,D,/,m,A,U,GS,/V,O,U,P,(,a,),转移特性,I,DSS,图,MOS,管的符号,S,G,D,B,S,G,D,B,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,+1V,U,GS,=0,-,3 V,-,1 V,-,2 V,4,3,2,1,5,10,15,20,图 特性曲线,场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流,I,DSS,2.,夹断电压,U,P,3.,开启电压,U,T,4.,直流输入电阻,R,GS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在,10,7,以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于,10,9,。,二、交流参数,1.,低频跨导,g,m,2.,极间电容,用以描述栅源之间的电压,U,GS,对漏极电流,I,D,的控制作用。,单位：,I,D,毫安,(,mA,),；,U,GS,伏,(,V,),；,g,m,毫西门子,(,mS,),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括,C,GS,、,C,GD,、,C,DS,。,极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,1.,漏极最大允许耗散功率,P,DM,2.,漏源击穿电压,U,(BR)DS,3.,栅源击穿电压,U,(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。,漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流,I,D,急剧上升产生雪崩击穿时的,U,DS,。,场效应管工作时，栅源间,PN,结处于反偏状态，若,U,GS,U,(BR)GS,，,PN,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。,种 类,符 号,转移特性,漏极特性,结型,N,沟道,耗尽型,结型,P,沟道,耗尽型,绝缘,栅型,N,沟道,增强型,S,G,D,S,G,D,I,D,U,GS,= 0V,+,U,DS,+,+,o,S,G,D,B,U,GS,I,D,O,U,T,表,1-2,各类场效应管的符号和特性曲线,+,U,GS,=,U,T,U,DS,I,D,+,+,+,O,I,D,U,GS,= 0V,-,-,-,U,DS,O,U,GS,I,D,U,P,I,DSS,O,U,GS,I,D,/mA,U,P,I,DSS,O,种 类,符 号,转移特性,漏极特性,绝缘,栅型,N,沟道,耗尽型,绝缘,栅型,P,沟道,增强型,耗尽型,I,D,S,G,D,B,U,DS,I,D,_,U,GS,=0,+,_,_,O,I,D,U,GS,U,P,I,DSS,O,S,G,D,B,I,D,S,G,D,B,I,D,I,D,U,GS,U,T,O,I,D,U,GS,U,P,I,DSS,O,_,I,D,U,GS,=,U,T,U,DS,_,o,_,U,GS,= 0V,+,_,I,D,U,DS,o,+,
展开阅读全文