模拟电子技术基础简明教程第三版杨素行.pptx

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1、1.1半导体的特性半导体的特性1.导体：电阻率 109 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。第1页/共90页硅原子结构图图 硅原子结构硅原子结构(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)简化模型第2页/共90页本征半导体本征半导体 +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

2、结构为共价键结构。价电子共价键图图 单晶体中的共价键结构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。第3页/共90页+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴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。第4页/共90页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

3、i 和 pi 表示，显然 ni=pi。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。第5页/共90页杂质半导体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。第6页/共90页 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

4、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)。第7页/共90页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图图 1.1.4N 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构第8页/共90页二、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。受主原子空穴图图 P 型半导体的晶体结构型半导

5、体的晶体结构第9页/共90页说明：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 型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第10页/共90页1.2半导体二极管半导体二极管PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 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。PNPN结图图 PN 结的形成结的形成第11页/共9

6、0页一、PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.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。图图 PN第12页/共90页3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差 UD 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。阻挡层图图(b)第13页/共90页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。

7、即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为(0.2 0.3)V。第14页/共90页二、二、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性1.PN 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VRI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。图图 PN第15页/共90页在 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 PN 结结外加反向电压(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

8、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。第16页/共90页空间电荷区图图 反相偏置的反相偏置的 PN 结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，IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS第17页/共90页综上所述：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。第18页/共90页二极管的伏安特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

9、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)符号图图 二极管的外形和符号二极管的外形和符号第19页/共90页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。第20页/共90页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。604020

10、0.002 0.00400.5 1.02550I/mAU/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 50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性0图图 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第21页/共90页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。正向特性正向特性死区电压60402000.4 0.8I/mAU/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。第22页/共90页2.反向特性 0.02 0.0402

11、550I/mAU/V反向特性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)第23页/共90页3.伏安特性表达式(二极管方程)IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300 K)下，UT 26 mV二极管加反向电压，即 U UT，则 I IS。二极管加正向电压，即 U 0，且 U UT，则，可得 ，说明电流 I 与电压 U 基本上成指数关系。第24

12、页/共90页结论：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。第25页/共90页二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IF 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 UR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 UBR 的一半定义为 UR。3.反向电流 IR通常希望 IR 值愈小愈好。4.最高工作频率 fMfM 值主要 决定于 PN 结结电容的大

13、小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。第26页/共90页二极管的电容效应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PVRI+UN空间电荷区PRI+UV第27页/共90页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 Cb不是一个常数。其 Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介

14、电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.8第28页/共90页2.扩散电容 Cd 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 np(或 N 区的空穴浓度 pn)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，np(或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12 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。图图 第29页/共90页综上所述：PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电

15、容 Cd 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 Cj Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和 Cd 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。第30页/共90页稳压管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/mAU/VO+正向 +反向 U(b)稳压管符号(a)稳压管伏安特性+I图图 稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号第31页/共90页 稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压 UZ3.动态电阻 rZ2.稳定电流 IZ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

16、考电流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ 值愈小。IZ=5 mA rZ 16 IZ=20 mA rZ 3 IZ/mA第32页/共90页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)UZ 7 V,U 0；UZ 4 V，U 0；(2)UZ 在 4 7 V 之间，U 值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ =9 10.5 V，U =0.09%/2CW11：UZ =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

17、压源中。第33页/共90页 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%/图图 2DW7 稳压管稳压管第34页/共90页5.额定功耗 PZ额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ=UZIZPZ 会转化为热能，使稳压管发热。电工手册中给出 IZM，IZM=PZ/UZ 例 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？IZVD

18、Z+20 VR=1.6 k+UZ=12 V IZM=18 mA例题电路图例题电路图IZ IZM，电阻值合适。解 第35页/共90页VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：图图 稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+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；RL2.稳压管应与负载电阻 RL 并联；3.必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。第36页/共90页1.3双极型三极管双极型三极管(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

19、极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。图图 三极管的外形三极管的外形第37页/共90页三极管的结构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。图三极管的结构图三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNPe 发射极，b基 极，c 集电极。第38页/共90页平面型(NPN)三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散ePN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

20、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。第39页/共90页图图 三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(a)NPN 型ecb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 eNNP第40页/共90页集电区集电结基区发射结发射区集电极 c发射极 e基极 bcbe符号NNPPN图图 1.3.3三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号(b)PNP 型第41页/共90页三极管的放大作用三极管的放大作用和载流子的运动和载流子的运动以 NPN 型三极管为例讨论图三极管中的两个图三极管中的两个 PN 结结cN

21、NPebbec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。不具备放大作用第42页/共90页三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1.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。第43页/共90页becRcRb三极管中载流子运动过程I EIB1.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 IE(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 Ib

22、n，复合掉的空穴由 VBB 补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。图图 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动第44页/共90页becI EI BRcRb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 Icn。其能量来自外接电源 VCC。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ICBO表示。ICBO图图 三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动第45页/共90页beceRcRb三极管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBO IE=ICn+IBn+IEp=IEn+

23、IEp一般要求 ICn 在 IE 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第46页/共90页三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IB代入(1)式，得其中：共射直流电流放大系数。第47页/共90页上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称穿透电流。当 ICEO IC 时，忽略 ICEO，则由上式可得共射直流电流放大系数 近似等于 IC 与 IB 之比。一般 值约为几十 几百。第48页/共90页三极管的电流分配关系一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.

24、01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961.任何一列电流关系符合 IE=IC+IB，IB IC 0 时的输入特性曲线当 UCE 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。UCE UBE，三极管处于放大状态。*特性右移(因集电结开始吸引电子)OIB/AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV+V+A+mAUBE*UCE 1 V，特性曲线重合。图图 三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路图图 三极管的输入特性三极管的输入特性第54页/共9

25、0页二、输出特性图图 NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321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IB 0 的区域。两个结都处于反向偏置。IB=0 时，IC=ICEO。硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。截止区截止区第55页/共90页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IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 5 10 154321放大区集电极电流和

26、基极电流体现放大作用，即放大区放大区对 NPN 管 UBE 0，UBC 0 UBC 0。特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。I C IB。当 UCE=UBE，即 UCB=0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0.2 V(锗管)饱和区饱和区饱和区第57页/共90页三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc(b)共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+(a)共发射极接法图图 NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系一、电流放大系数是表征管子放

27、大作用的参数。有以下几个：第58页/共90页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 ICEO 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 ICBO 时，和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：第59页/共90页二、反向饱和电流1.集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOceb AICEO Aceb 小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 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 ICEO 也愈大。

28、图图 反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路第60页/共90页三、极限参数1.集电极最大允许电流 ICM 当 IC 过大时，三极管的 值要减小。在 IC=ICM 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 PCM过损耗区安全 工 作 区 将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区ICUCEOPCM=ICUCE安全 工 作 区安全 工 作 区过损耗区过损耗区图图 三极管的安全工作区三极管的安全工作区第61页/共90页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

29、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 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。过电压ICU(BR)CEOUCEO过损耗区安全 工 作 区ICM过流区图图 三极管的安全工作区三极管的安全工作区第62页/共90页PNP 型三极管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。图图 三极管外加电源的极性三极管外加电源的极性(a)NPN 型VCCVBBRCRb N NP+uoui(b)PNP 型VCCVBBRCRb+uoui第63页/共90页 PNP 三极管电流和电

30、压实际方向。UCEUBE+IEIBICebCUCEUBE(+)()IEIBICebC(+)()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(UBE、UCE)实际方向与规定正方向相反。计算中UBE、UCE 为负值；输入与输出特性曲线横轴为(UBE)、(UCE)。第64页/共90页1.4场效应三极管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。第65页/共90页DSG

31、N符号结型场效应管结型场效应管一、结构图图 N 沟道结型场效应管结构图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。第66页/共90页P 沟道场效应管图图 P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD 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GDS第67页/共90页二、工作原理 N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的

32、。GDSNN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 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。第68页/共90页1.设UDS=0，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当 UGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UP 为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道 (b)UGS 0，在栅源间加负电源 VGG

33、，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)第70页/共90页GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UP|,ID 0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID，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)第71页/共90页三、特性曲线1.转移特性(N 沟道结型场效应管为例)O UGSIDIDSSUP图图 转移特性

34、转移特性UGS=0，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS=UP，ID 0。两个重要参数饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的 ID)夹断电压 UP(ID=0 时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA第72页/共90页1.转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.漏极特性当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即 结型场效应管转移特性曲线的近似公式：第73页/共90页IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6

35、-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UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA图图(b)漏极特性漏极特性第74页/共90页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。UDS=常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS/VUDS=15 V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高

36、的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图图 在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性第75页/共90页绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 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 109 以上。类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第76页/共90页一、N 沟道增强型 MOS 场效应管1.结构P 型衬底N+N+BGSDSiO2源极 S漏极 D衬底引线 B栅极 G图图 N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的

37、结构示意图场效应管的结构示意图第77页/共90页2.工作原理 绝缘栅场效应管利用 UGS 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 ID。工作原理分析(1)UGS=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。SBD图图 1.4.9第78页/共90页(2)UDS=0，0 UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS UGS UT，UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，I

38、D 因而基本不变。a.UDS UTP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区第80页/共90页DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图图 UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UT第81页/共90页3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区 可变电阻区UGS UT 时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT 2UTIDOUGS/VID/

39、mAO图图(a)图图(b)第82页/共90页二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管P型衬底N+N+BGSD+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 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSS图图 MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V43215101520图图 特性曲线特性曲线第84页/共90页场效应管的主要参数场效应管的

40、主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压 UP3.开启电压 UT4.直流输入电阻 RGS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 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。第85页/共90页二、交流参数1.低频跨导 gm2.极间电容 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为

41、几个皮法。第86页/共90页三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压 U(BR)DS3.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 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS 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。第87页/共90页种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+

42、UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO第88页/共90页种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS=0V+_ _IDUDSo o+第89页/共90页感谢您的观看。第90页/共90页