电子技术中常用半导体器件.ppt

第二篇电子技术基础 第6章电子技术中常用半导体器件 第7章基本放大电路 第8章集成运算放大器 第9章组合逻辑电路 第10章触发器和时序逻辑电路 第11章存储器 第12章数 模和模 数转换器 第一篇 2004年9月 制作曾令琴 主编曾令琴 半导体基本概念二极管单 双极刑三极管 电子技术中常用半导体器件 主要授课内容 第5章 第6章电子技术中常用半导体器件 6 1半导体的基本知识 6 3特殊二极管 6 4双极型二极管 6 5单极型三极管 6 2半导体二极管 第1页 物质按导电能力的不同可分为导体 半导体和绝缘体3类 日常生活中接触到的金 银 铜 铝等金属都是良好的导体 它们的电导率在105S cm 1量级 而像塑料 云母 陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体 它们的电导率在10 22 10 14S cm 1量级 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体 它们的电导率在10 9 102S cm 1量级 自然界中属于半导体的物质有很多种类 目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体 主要有硅 Si 锗 Ge 和砷化镓 GaAs 等 6 1半导体的基本知识 第3页 1 通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率 例如 室温30 C时 在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质 称掺杂 其电导率会增加几百倍 2 温度可明显地改变半导体的电导率 利用这种热敏效应可制成热敏器件 但另一方面 热敏效应使半导体的热稳定性下降 因此 在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施 3 光照不仅可改变半导体的电导率 还可以产生电动势 这就是半导体的光电效应 利用光电效应可制成光敏电阻 光电晶体管 光电耦合器和光电池等 光电池已在空间技术中得到广泛的应用 为人类利用太阳能提供了广阔的前景 半导体之所以得到广泛的应用 是因为它具有以下特性 1 半导体的独特性能 第3页 由此可以看出 半导体不仅仅是电导率与导体有所不同 而且具备上述特有的性能 正是利用这些特性 使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展 2 本征半导体与杂质半导体 1 天然的硅和锗提纯后形成单晶体 称为本征半导体 一般情况下 本征半导体中的载流子浓度很小 其导电能力较弱 且受温度影响很大 不稳定 因此其用途还是很有限的 硅和锗的简化原子模型 这是硅和锗构成的共价键结构示意图晶体结构中的共价键具有很强的结合力 在热力学零度和没有外界能量激发时 价电子没有能力挣脱共价键束缚 这时晶体中几乎没有自由电子 因此不能导电 第3页 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时 某些共价键中的价电子因热激发而获得足够的能量 因而能脱离共价键的束缚成为自由电子 同时在原来的共价键中留下一个空位 称为 空穴 本征半导体中产生电子 空穴对的现象称为本征激发 显然在外电场的作用下 半导体中将出现两部分电流 一是自由电子作定向运动形成的电子电流 一是仍被原子核束缚的价电子 不是自由电子 递补空穴形成的空穴电流 共价键中失去电子出现空穴时 相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来 使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴 这个空穴又可被相邻原子的价电子填补 再出现空穴 如右图所示 在半导体中同时存在自由电子和空穴两种载流子参与导电 这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别 第3页 在纯净的硅 或锗 中掺入微量的磷或砷等五价元素 杂质原子就替代了共价键中某些硅原子的位置 杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键 剩下的一个价电子处在共价键之外 很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子 同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子 这个正离子固定在晶体结构中 不能移动 所以它不参与导电 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子 因此与本征激发不同 它不会产生空穴 由于多余的电子是杂质原子提供的 故将杂质原子称为施主原子 掺入五价元素的杂质半导体 其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度 因此称为电子型半导体 也叫做N型半导体 在N型半导体中 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 不能移动的离子带正电 2 杂质半导体 相对金属导体而言 本征半导体中载流子数目极少 因此导电能力仍然很低 在如果在其中掺入微量的杂质 将使半导体的导电性能发生显著变化 我们把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体 杂质半导体可以分为N型和P型两大类 N型半导体 第3页 不论是N型半导体还是P型半导体 虽然都有一种载流子占多数 但晶体中带电粒子的正 负电荷数相等 仍然呈电中性而不带电 应注意 P型半导体 在P型半导体中 由于杂质原子可以接收一个价电子而成为不能移动的负离子 故称为受主原子 掺入三价元素的杂质半导体 其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度 因此称为空穴型半导体 也叫做P型半导体 在硅 或锗 晶体中掺入微量的三价元素杂质硼 或其他 硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时 将因缺少一个价电子而形成一个空穴 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时 就有可能填补这个空穴 使硼原子得电子而成为不能移动的负离子 而原来的硅原子共价键则因缺少一个电子 出现一个空穴 于是半导体中的空穴数目大量增加 空穴成为多数载流子 而自由电子则成为少数载流子 第3页 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场 称为内电场 它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用 所以空间电荷区又称为阻挡层 同时 内电场对少数载流子起推动作用 把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 3 PN结 P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件 通常是在N型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质 使其变为P型或N型半导体 在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结 PN结是构成各种半导体器件的基础 左图所示的是一块晶片 两边分别形成P型和N型半导体 为便于理解 图中P区仅画出空穴 多数载流子 和得到一个电子的三价杂质负离子 N区仅画出自由电子 多数载流子 和失去一个电子的五价杂质正离子 根据扩散原理 空穴要从浓度高的P区向N区扩散 自由电子要从浓度高的N区向P区扩散 并在交界面发生复合 耗尽 形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域 这就是PN结 又叫耗尽层 第3页 空间电荷区 PN结中的扩散和漂移是相互联系 又是相互矛盾的 在一定条件 例如温度一定 下 多数载流子的扩散运动逐渐减弱 而少数载流子的漂移运动则逐渐增强 最后两者达到动态平衡 空间电荷区的宽度基本稳定下来 PN结就处于相对稳定的状态 PN结的形成演示 根据扩散原理 空穴要从浓度高的P区向N区扩散 自由电子要从浓度高的N区向P区扩散 并在交界面发生复合 耗尽 形成载流子极少的正负空间电荷区 如上图所示 也就是PN结 又叫耗尽层 P区 N区 空间电荷区 第3页 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 促使 阻止 第3页 扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾 扩散使空间电荷区加宽 促使内电场增强 同时对多数载流子的继续扩散阻力增大 但使少数载流子漂移增强 漂移使空间电荷区变窄 电场减弱 又促使多子的扩散容易进行 当漂移运动达到和扩散运动相等时 PN结便处于动态平衡状态 可以想象 在平衡状态下 电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流 同样 空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等 即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流 且二者方向相反 在无外电场或其他因素激发时 PN结处于平衡状态 没有电流通过 空间电荷区的宽度一定 由于空间电荷区内 多数载流子或已扩散到对方 或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了 即多数载流子被耗尽了 所以空间电荷区又称为耗尽层 其电阻率很高 为高阻区 扩散作用越强 耗尽层越宽 PN结具有电容效应 结电容是由耗尽层引起的 耗尽层中有不能移动的正 负离子 各具有一定的电量 当外加电压使耗尽层变宽时 电荷量增加 反之 外加电压使耗尽层变窄时 电荷量减小 这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时 就形成了电容效应 第3页 3 PN结的单向导电性 PN结具有单向导电的特性 也是由PN结构成的半导体器件的主要工作机理 PN结外加正向电压 也叫正向偏置 时 如左下图所示 正向偏置时外加电场与内电场方向相反 内电场被削弱 多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动 N区的电子不断扩散到P区 P区的空穴也不断扩散到N区 形成较大的正向电流 这时称PN结处于导通状态 第3页 P端引出极接电源负极 N端引出极电源正极的接法称为反向偏置 反向偏置时内 外电场方向相同 因此内电场增强 致使多子的扩散难以进行 即PN结对反向电压呈高阻特性 反偏时少子的漂移运动虽然被加强 但由于数量极小 反向电流IR一般情况下可忽略不计 此时称PN结处于截止状态 PN结的 正偏导通 反偏阻断 称为其单向导电性质 这正是PN结构成半导体器件的基础 第3页 半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别 金属导体中只有一种载流子 自由电子参与导电 半导体中有两种载流子 自由电子和空穴参与导电 而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制 杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子 若掺杂的是五价元素 则由于多电子形成N型半导体 多子是电子 少子是空穴 如果掺入的是三价元素 就会由于少电子而构成P型半导体 P型半导体的共价键结构中空穴多于电子 且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补 因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式 所以多子是空穴 少子是电子 N型半导体中具有多数载流子电子 同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 空穴对 因此整块半导体中正负电荷数量相等 呈电中性而不带电 第3页 2 半导体在热 或光照等 作用下产生电子 空穴对 这种现象称为本征激发 电子 空穴对不断激发产生的同时 运动中的电子又会 跳进 另一个空穴 重新被共价键束缚起来 这种现象称为复合 即复合中电子空穴对被 吃掉 在一定的温度下 电子 空穴对的产生和复合都在不停地进行 最终处于一种平衡状态 平衡状态下半导体中载流子浓度一定 1 半导体中的少子虽然浓度很低 但少子对温度非常敏感 即温度对半导体器件的性能影响很大 而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度 所以基本上不受温度影响 4 PN结的单向导电性是指 PN结的正向电阻很小 因此正向偏置时电流极易通过 同时PN结的反向电阻很大 反向偏置时电流基本为零 问题探讨 3 空间电荷区的电阻率很高 是指它的内电场总是阻碍多数载流子 电流 的扩散运动作用 由于这种阻碍作用 使得扩散电流难以通过 也就是说 空间电荷区对扩散电流呈现高阻 第3页 6 2半导体二极管 1 二极管的结构和类型 一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来 就构成了半导体二极管 简称二极管 接在P型半导体一侧的引出线称为阳极 接在N型半导体一侧的引出线称为阴极 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类 点接触型二极管PN结面积很小 因而结电容小 适用于高频几百兆赫兹下工作 但不能通过很大的电流 主要应用于小电流的整流和高频时的检波 混频及脉冲数字电路中的开关元件等 面接触型二极管PN结面积大 因而能通过较大的电流 但其结电容也小 只适用于较低频率下的整流电路中 参看二极管的实物图 第3页 2 二极管的伏安特性 二极管的电路图符号如右图所示 1 正向特性 二极管外加正向电压较小时 外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力 PN结仍处于截止状态 反向电压大于击穿电压时 反向电流急剧增加 正向电压大于死区电压后 正向电流随着正向电压增大迅速上升 通常死区电压硅管约为0 5V 锗管约为0 2V 2 反向特性 外加反向电压时 PN结处于截止状态 反向电流很小 显然二极管的伏安特性不是直线 因此属于非线性电阻元件 导通后二极管的正向压降变化不大 硅管约为0 6 0 8V 锗管约为0 2 0 3V 温度上升 死区电压和正向压降均相应降低 第3页 普通二极管被击穿后 由于反向电流很大 一般都会造成 热击穿 热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿 这两种击穿不会从根本上损坏二极管 而热击穿将使二极管永久性损坏 热击穿问题 3 二极管的主要参数 1 最大整流电流IDM 指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压URM 二极管运行时允许承受的最高反向电压 3 反向电流IR 指管子未击穿时的反向电流 其值越小 则管子的单向导电性越好 4 二极管的应用举例 二极管应用范围很广 主要是利用它的单向导电性 常用于整流 检波 限幅 元件保护以及在数字电路中用作开关元件等 第3页 讨论 PN结击穿现象包括哪些 击穿是否意味着二极管的永久损坏 反向电压增加到一定大小时 通过二极管的反向电流剧增 这种现象称为二极管的反向击穿 反向击穿电压一般在几十伏以上 高反压管可达几千伏 反向击穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型 雪崩击穿 PN结反向电压增加时 空间电荷区内电场增强 通过空间电荷区的电子和空穴 在内电场作用下获得较大能量 它们运动时不断地与晶体中其它原子发生碰撞 通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子 空穴对 这种现象称为碰撞电离 新产生的电子 空穴对与原有的电子和空穴一样 在电场作用下 也向相反的方向运动 重新获得能量 再通过碰撞其它原子 又产生电子 空穴对 从而形成载流子的倍增效应 当反向电压增大到某一数值 载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样 突然使反向电流急剧增大 发生二极管的雪崩击穿 齐纳击穿 在加有较高的反向电压下 PN结空间电荷区中存一个强电场 它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子 空穴对 形成较大的反向电流 发生齐纳击穿需要的电场强度约为2 10V cm 这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到 因为杂质浓度大 空间电荷区内电荷密度也大 因而空间电荷区很窄 电场强度可能很高 致使PN结产生雪崩击穿 齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏 第3页 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管 其实物图 图符号及伏安特性如图所示 当反向电压加到某一数值时 反向电流剧增 管子进入反向击穿区 图中UZ稳压管的稳定电压值 6 3特殊二极管 1 稳压管 稳压管实物图 由图可见 稳压管特性和普通二极管类似 但其反向击穿是可逆的 不会发生 热击穿 而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直 即反向电压基本不随反向电流变化而变化 这就是稳压二极管的稳压特性 稳压管图符号 稳压管的稳压作用 电流增量 I很大 只会引起很小的电压变化 U 曲线愈陡 动态电阻rz U I愈小 稳压管的稳压性能愈好 一般地说 UZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小 低于这个电压时 rz随齐纳电压的下降迅速增加 使低压稳压管的稳压性能变差 稳压管的稳定电压UZ 低的为3V 高的可达300V 稳压二极管在工作时的正向压降约为0 6V 第3页 注意 稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R 使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内 稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流值 以保证管子不会造成热击穿 稳压管的主要参数 1 稳定电压UZ 反向击穿后稳定工作的电压 2 稳定电流IZ 工作电压等于稳定电压时的电流 3 动态电阻rZ 稳定工作范围内 管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比 即 rZ UZ IZ 4 耗散功率PZM和最大稳定电流IZM 额定耗散功率PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗 IZM是指稳压管允许通过的最大电流 二者关系可写为 PZM UZIZM 讨论 回顾二极管的反向击穿时特性 当反向电压超过击穿电压时 流过管子的电流会急剧增加 击穿并不意味着管子一定要损坏 如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流 就能保证管子不因过热而烧坏 在反向击穿状态下 让流过管子的电流在一定的范围内变化 这时管子两端电压变化很小 利用这一点可以达到 稳压 的效果 第3页 2 发光二极管 单个发光二极管实物 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件 发光二极管和普通二极管一样 管芯由PN结构成 具有单向导电性 左图所示为发光二极管的实物图和图符号 发光二极管是一种功率控制器件 常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件 单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等 3 光电二极管 光电二极管也和普通二极管一样 管芯由PN结构成 具有单向导电性 光电二极管的管壳上有一个能射入光线的 窗口 这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭 入射光通过透镜正好射在管芯上 问题讨论 利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的 因为稳压管的正向特性与普通二极管相同 正向电阻非常小 工作在正向导通区时 正向电压一般为0 6V左右 此电压数值一般变化不大 第3页 6 4双极型三极管 6 4 1双极型晶体管的基本结构和类型 双极型晶体管是由两个背靠背 互有影响的PN结构成的 在工作过程中两种载流子都参与导电 所以全名称为双极结型晶体管 双极结型晶体管有三个引出电极 人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管 晶体管的种类很多 按照频率分 有高频管 低频管 按照功率分 有小 中 大功率管 按照半导体材料分 有硅管 锗管等等 但是从它的外形来看 晶体管都有三个电极 常见的晶体管外形如图所示 从晶体管的外形可看出 其共同特征就是具有三个电极 这就是 三极管 简称的来历 第3页 由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体的管子称为NPN管 还有一种与它成对偶形式的 即两块P型半导体中间夹着一块N型半导体的管子 称为PNP管 晶体管制造工艺上的特点是 发射区是高浓度掺杂区 基区很薄且杂质浓度底 集电结面积大 这样的结构才能保证晶体管具有电流放大作用 基极 发射极 集电极 晶体管有两个结 晶体管有三个区 晶体管有三个电极 第6章 结论 三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件 6 4 2晶体管的电流分配与放大作用 左图所示为验证三极管电流放大作用的实验电路 这种电路接法称为共射电路 其中 直流电压源UCC应大于UBB 从而使电路满足放大的外部条件 发射结正向偏置 集电极反向偏置 改变可调电阻RB 基极电流IB 集电极电流IC和发射极电流IE都会发生变化 由测量结果可得出以下结论 晶体管电流放大的条件 晶体管内部 a 发射区杂质浓度 基区 集电区 b 基区很薄 晶体管外部 发射结正偏 集电结反偏 1 IE IB IC 符合KCL定律 2 IC IB 为管子的流放大系数 用来表征三极管的电流放大能力 3 IC IB 第6章 晶体管的电流放大原理 1 发射区向基区扩散电子的过程 由于发射结处于正向偏置 发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区 并不断从电源补充进电子 形成发射极电流IE 2 电子在基区的扩散和复合过程 由于基区很薄 其多数载流子空穴浓度很低 所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区空穴复合 剩下的绝大部分都能扩散到集电结边缘 实验表明 IC比IB大数十至数百倍 因而IB虽然很小 但对IC有控制作用 IC随IB的改变而改变 即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化 表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用 这就是三极管的电流放大作用 3 集电区收集从发射区扩散过来的电子过程 由于集电结反向偏置 可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区 从而形成较大的集电极电流IC 第6章 6 4 3晶体管的特性曲线 1 输入特性曲线 晶体管的输入特性与二极管类似 死区电压 UCE 1V 原因是b e间加正向电压 这时集电极的电位比基极高 集电结为反向偏置 发射区注入基区的电子绝大部分扩散到集电结 只有一小部分与基区中的空穴复合 形成IB 与UCE 0V时相比 在UBE相同的条件下 IB要小的多 从图中可以看出 导通电压约为0 5V 严格地说 当UCE逐渐增加时 IB逐渐减小 曲线逐渐向右移 这是因为UCE增加时 集电结的耗尽层变宽 减小了基区的有效宽度 不利于空穴的复合 所以IB减小 不过UCE超过1V以后再增加 IC增加很少 因为IB的变化量也很小 通常可以忽略UCE变化对IB的影响 认为UCE1V时的曲线都重合在一起 第6章 1 放大区 发射极正向偏置 集电结反向偏置 2 截止区 发射结反向偏置 集电结反向偏置 3 饱和区 发射结正向偏置 集电结正向偏置 2 输出特性曲线 iB 0 uBE 0 uCE uBE 第6章 6 4 4晶体管的主要参数 1 电流放大倍数 iC iB2 极间反向电流iCBO iCEO iCEO 1 iCBO3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 下降到额定值的2 3时所允许的最大集电极电流 2 反向击穿电压U BR CEO 基极开路时 集电极 发射极间的最大允许电压 基极开路时 集电极与发射极之间的最大允许电压 为保证晶体管安全工作 一般应取 3 集电极最大允许功耗PCM 晶体管的参数不超过允许值时 集电极所消耗的最大功率 第6章 学习与探讨 晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的 因为发射区的掺杂质浓度很高 集电区的掺杂质浓度较低 这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和 如果互换作用显然不行 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时 UCE UBE 集电结也处于正偏 这时内电场大大削弱 这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子 因此在相同的基极电流IB时 集电极电流IC比放大状态下要小很多 可见饱和区下的电流放大倍数不再等于 N型半导体中具有多数载流子电子 同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子 空穴对 因此整块半导体中正负电荷数量相等 呈电中性而不带电 第6章 6 5单极型三极管 单极型三极管只有一种载流子 多数载流子 参与导电而命名之 单极型三极管又是利用电场控制半导体中载流子运动的一种有源器件 因此又称之为场效应管 目前场效应管应用得最多的是以二氧化硅作为绝缘介质的金属 氧化物 半导体绝缘栅型场效应管 这种场效应管简称为CMOS管 与双极型晶体管相比 单极型三极管除了具有双极型晶体管体积小 重量轻 寿命长等优点外 还具有输入阻抗高 动态范围大 热稳定性能好 抗辐射能力强 制造工艺简单 便于集成等优点 近年来场效应管的发展得非常迅速 很多场合取代了双极型晶体管 特别时大规模集成电路 大都由场效应管构成 场效应管实物图 第6章 1 MOS管的基本结构 根据场效应管结构和工作原理的不同 一般可分为两大类 结型场效应管和绝缘栅场效应管 结型场效应N沟道管结构图及电路图符号 结型场效应P沟道管结构图及电路图符号 第6章 绝缘栅型场效应管中 目前常用的是以二氧化硅SiO2作为金属铝栅极和半导体之间的绝缘层 简称MOS管 它有N沟道和P沟道两类 而每一类又分增强型和耗尽型两种 所谓增强型就是UGS 0时 漏源之间没有导电沟道 即使在漏源之间加上一定范围内的电压 也没有漏极电流 反之 在UGS 0时 漏源之间存在有导电沟道的称为耗尽型 左图是N沟道增强型MOS管的结构图 一块杂质浓度较低的P型硅片作为衬底B 在其中扩散两个N 区作为电极 分别称为源极S和漏极D 半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅 SiO2 绝缘层 在漏源极间的绝缘层上再制造一层金属铝 称为栅极G 这就构成了一个N沟道增强型MOS管 显然它的栅极与其它电极间是绝缘的 栅极 漏极 源极 二氧化硅绝缘层 P型硅衬底 第6章 N沟道增强型MOS管图符号 P沟道增强型MOS管图符号 2 MOS管的工作原理 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的 大多数管子在出厂前已连接好 且N沟道增强型MOS管不存在原始沟道 因此 当UGS 0时 增强型MOS管的漏源之间相当于有两个背靠背的PN结 所以即使在D S间加上电压 无论UDD的极性如何 总有一个PN结处于反偏状态 因此场效应管不能导通 ID 0 UGS 怎样才能产生导电沟道呢 耗尽层 导电沟道 在G S间加正电压 即栅极 衬底间加UGS 与源极连在一起 由于二氧化硅绝缘层的存在 故没有电流 但是金属栅极被充电而聚集正电荷 P型衬底中的多子空穴被正电荷构成的电场排斥向下运动 在表面留下带负电的受主离子 形成耗尽层 随着G S间正电压的增加 耗尽层加宽 当UGS增大到一定值时 衬底中的少子电子被正电荷吸引到表面 在耗尽层和绝缘层之间形成了一个N型薄层 这个反型层构成了漏源之间的导电沟道 这时的UGS称为开启电压UT UGS继续增加 衬底表面感应电子增多 导电沟道加宽 但耗尽层的宽度却不再变化 即用UGS的大小可以控制导电沟道的宽度 第6章 由上述分析可知 N沟道增强型MOS管在UGS UT时 导电沟道不能形成 ID 0 这时管子处于截止状态 当UGS UT时 导电沟道开始形成 此时若在漏源极间加正向电压UDD 就会有漏极电流ID产生 管子开始导通 UGS UT时 随着UGS的增大 导电沟道逐渐变宽 沟道电阻渐小 漏极电流ID渐大 这种漏极电流ID随栅极电位UGS的变化而变化的关系 称为MOS管的压控特性 MOS管输出电流受输入电压控制的特性 3 MOS管使用注意事项 显然 MOS管是一种受电压控制的电流放大部件 P衬底应接低电位 N衬底应接高电位 当源极电位很高或很低时 应与衬底相连 通常漏极和源极可以互换 若出厂时源极和衬底相连 应注意漏 源极则不能对调 MOS管的栅源电压不能接反 但可在开路状态下保存 MOS管的衬底应与电路中最低电位相连 应特别注意 MOS在不使用时栅极不能悬空 务必将各电极短接 焊接MOS管时 应断电后再焊 第6章 场效应管的源极S 栅极G 漏极D分别对应于晶体管的发射极e 基极b 集电极c 它们的作用相似 场效应管是电压控制电流器件 场效应管栅极基本上不取电流 而晶体管工作时基极总要取一定的电流 所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下 应该选用场效应管 而在允许取一定量电流时 选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数 场效应管是多子导电 而晶体管则是既利用多子 又利用少子 由于少子的浓度易受温度 辐射等外界条件的影响 因而场效应管比晶体管的温度稳定性好 抗辐射能力强 在环境条件 温度等 变化比较剧烈的情况下 选用场效应管比较合适 场效应管的源极和衬底通常是连在一起时 源极和漏极可以互换使用 耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负 灵活性比晶体管强 而晶体管的集电极与发射极互换使用时 其特性差异很大 值将减小很多 与双极型晶体管相比 场效应管的噪声系数较小 所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管 也可以选特制的低噪声晶体管 但总的来说 当信噪比是主要矛盾时 还应选用场效应管 场效应管和晶体管都可以用于放大或可控开关 但场效应管还可以作为压控电阻使用 而且制造工艺便于集成化 具有耗电少 热稳定性好 工作电源电压范围宽等优点 因此在电子设备中得到广泛的应用 单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较 第6章 1 双极型三极管和单极型三极管的导电机理有什么不同 为什么称晶体管为电流控件而称MOS管为电压控件 检验学习结果 2 当UGS为何值时 增强型N沟道MOS管导通 3 在使用MOS管时 为什么栅极不能悬空 4 晶体管和MOS管的输入电阻有何不同 双极型三极管有多子和少子两种载流子同时参与导电 单极型三极管只有多子参与导电 晶体管的输出电流IC受基极电流IB的控制而变化 因此称之为电流控件 MOS管的输出电流ID受栅极电位UGS的控制而变化 所以称为电压控件 当UGS UT时 增强型N沟道MOS管开始导通 随着UGS的增加 沟道加宽 ID增大 由于二氧化硅层的原因 使MOS管具有很高的输入电阻 在外界电压影响下 栅极易产生相当高的感应电压 造成管子击穿 所以MOS管在不使用时应避免栅极悬空 务必将各电极短接 晶体管的输入电阻rbe一般在几百欧 千欧左右 相对较低 而MOS管的输入电阻极高 一般认为栅极电流通不过为零 第6章