模拟电子技术 晶体管.pptx

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1、 半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节PN结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。Home内容简介第1页/共83页Home1.半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导 体：109cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。Next2.半导体的晶体结构 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。1第2页/共83页3.本征半导体 本征半导体：化学成

2、分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图所示。HomeNextBack2 ：受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（见图1.1.2）。本征激发(热激发）第3页/共83页 电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中：ni=pi （ni自由电子的浓度；pi空

3、穴的浓度）。空穴：共价键中的空位。HomeNextBack3 K1常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为1.7610-6 K-3/2/cm3；T热力学温度；EGO禁带宽度，硅为1.21eV，锗为0.785eV；k波耳兹曼常数，8.63 10-5 eV/K。（e单位电荷，eV=J）第4页/共83页HomeNextBack 载流子：能够参与导电的带电粒子。：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。半导体中载流子的移动4 （1）两种载

4、流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定；（2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。第5页/共83页4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。HomeNextBack ：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。P型半导体5第6页/共

5、83页HomeNextBack 受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。：既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正电。此说法正确吗？思考题6第7页/共83页 ：在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。N型半导体HomeNextBack

6、 施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。7第8页/共83页 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。掺杂 对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下:T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:ni=pi=1.41010/cm3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:ni=51016/cm3 本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相

7、差106/cm3。HomeNextBack8第9页/共83页小 结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本征半导体 本征激发、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子HomeNextBack9第10页/共83页二.PN结的单向导电性 正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。一.PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图所示。5.PN结 HomeNextBack10第11页/

8、共83页1.PN结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。其示意图如 图所示。HomeNextBack112.PN结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。其示意图如 图所示。3.PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。第12页/共83页HomeNextBack三.PN结的特性曲线 1.PN结的V-I 特性表达式式中，IS 反向饱和电流；n 发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为12；VT 温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:VT=

9、kT/q=0.026V=26mV13第13页/共83页2.PN结的正向特性HomeNextBack 死区电压Vth硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。导通电压Von硅材料为0.60.7V左右；锗材料为0.20.3V左右。Is=10-8AVT=26mVn=2死区电压导通电压图1.1.9 PN结的正向特性14第14页/共83页3.PN结的反向特性HomeNextBack 反向电流：在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流IR 即为反向饱和电流IS，基本保持不变。反向电流受温度的影响大。-IS图1.1.10 PN结的反向特性锗管硅管15第15页/共83页4.PN结的反向

10、击穿特性HomeNextBack 反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。图1.1.11 PN结的反向击穿特性VBR16第16页/共83页HomeNextBack 反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，形成

11、载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了PN结的齐纳击穿。17第17页/共83页四.PN结的电容效应HomeNextBack 1.势垒电容Cb图1.1.12 势垒电容示意图18 PN结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电

12、容称之为势垒电容Cb。当PN结加反向电压时，Cb明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。第18页/共83页2.扩散电容Cd图1.1.13 扩散电容示意图HomeNextBack19 PN结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。结电容Cj=Cb+Cd 反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。第19页/共83页小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡

13、PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PN结的特性曲线：正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿 PN结的电容效应：势垒电容、扩散电容HomeBack20第20页/共83页HomeNext11.半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。一.点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 图1.2.1 二极管的结构示意图第21页/共83页HomeNext二.面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面

14、接触型图1.2.1 二极管的结构示意图Back2第22页/共83页HomeNext三.平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(c)平面型图1.2.1 二极管的结构示意图阴极引线阳极引线PNP 型支持衬底Back3第23页/共83页HomeNext四.二极管的图形符号Back图1.2.2 二极管的符号k阴极阳极a2.半导体二极管的V-I特性 二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。在此不再赘述。4第24页/共83页HomeNextBac

15、k图1.2.3 半导体二极管图片5第25页/共83页3.半导体二极管的参数 (1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和 最大反向工作电压VR(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)最高工作频率fM图1.2.4 二极管的高频等效道路HomeNextBack6(6)结电容Cj ：如何用万用表的“”档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思考题第26页/共83页74.二极管的等效模型电路（1）理想模型图1.2.5 二极管的理想等效模型正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关。HomeNextBack第27页/共83页HomeNext（2）恒压降模型B

16、ack 正偏时：uD=Uon,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关和恒压源的串联。图1.2.6 二极管的恒压降等效模型8第28页/共83页HomeNext（3）折线型模型Back 正偏时：uD=iDrD+UTH;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。9图1.2.7 二极管的折线型等效模型第29页/共83页HomeNext（4）小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。Back即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图1.2.8 二极管的小信号等效模型10第30页/共83页HomeNext115.

17、二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20VID+VD-R 10K+VDD20V+Von(a)原电路(b)理想模型电路(c)恒压降模型电路图1.2.9 例1.2.1的电路图解：（1）理想模型，VD=0，则（2）恒压降模型，VD=0.7V，则例 求图（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压VD。第31页/共83页HomeNext（2）二极管限幅电路Back解：请观看仿真波形!ID+vo-R 10K+vi20V图1.2.10 例1.2.2 电路图VREF 例1.2.2 如图1.2.10 所示电路。试画出VRE

18、F分别为0、10V时的波形。其中vi=10sintV。（3）二极管开关电路 例1.2.3 如图1.2.11 所示电路。试求VI1、VI2为0和+5V时V0的值。R 10KV0Vcc+5V图1.2.11 例1.2.3 电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 12第32页/共83页HomeNext（1）稳压二极管的伏安特性Back 稳定电压VZ 稳定电流IZ（IZmin、IZmin）额定功耗PZM 动态电阻rZ 温度系数图1.2.12 稳压管的 伏安特性136.稳压二极管（2）稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压

19、二极管稳压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图所示。第33页/共83页HomeNext（3）稳压二极管构成的稳压电路Back14 例 设计如图所示稳压管稳压电路，已知VO=6V，输入电压VI 波动10%，RL=1k。图1.2.13 稳压管稳压电路解：（1）选择DZ：查手册，选择DZ 为2CW13，VZ=(56.5V)，IZmax=38mA,IZmin=5mA第34页/共83页HomeNextBack15（2）选择限流电阻R：第35页/共83页HomeNext（1）发光二极管Back 外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。167.其

20、它类型的二极管（2）光电二极管 工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流在530mA之间，电流越大，发光越强。图1.2.14 其它二极管（3）变容二极管（4）激光二极管（5）隧道二极管和肖特基二极管第36页/共83页HomeBack作业：P6667：1.31.1117小小 结结 本讲主要介绍了以下基本内容：半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。半导体二极管的特性：与PN结基本相同。半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型 应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基

21、本方法 简要介绍了其它类型的二极管。第37页/共83页HomeNext11.双极性晶体管的结构及类型 双极性晶体管的结构如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。图1.3.1 三极管结构示意图 发射极Emitter 基极Base集电极Collector第38页/共83页HomeNext2Back 结构特点：（1）基区很薄，且掺杂浓度很低；（2）发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；（3）集电结的结面积很大。上述结构特点构成了晶体管具有放大作用的内部条件。图1.3.2 三极管外形图双极性晶体管的常见外形图如图1.3.2所示。第39页/共83页HomeNext32.晶体管的电流放大作用B

22、ack（1）晶体管具有放大作用的外部条件 发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管，VC VB VE；对于PNP管，VE VB VC。（2）晶体管内部载流子的运动（如图所示）发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子 以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(Bipolar Junction Transistor)。第40页/共83页HomeNext4Back（3）晶体管的电流分配关系根据传输过程可知 IC=InC+ICBOIB=IB-ICBO通常 IC ICBOIE=IB+IC 为共基直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓

23、度有关，与外加电压无关。一般 =0.90.99图1.3.4晶体管的电流分配关系第41页/共83页HomeNext5Back根据IE=IB+IC IC=InC+ICBO且令ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）是共射直流电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 当输入为变化量（动态量）时，相应的电流放大倍数为交流电流放大倍数：第42页/共83页HomeNext63.晶体管的共射特性曲线Back（1）输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const(b)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下

24、IB减小，特性曲线右移。(a)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。vCE=0V vCE 1V图1.3.6+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCERbRc图1.3.5第43页/共83页HomeNext7Back（2）输出特性曲线（图）饱和区：iC明显受vCE控制，该区域内，vCE=VCES0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏

25、，集电结反偏。图1.3.7第44页/共83页HomeNext84.晶体管的主要参数Back（1）直流参数(a)共射直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const图1.3.8第45页/共83页HomeNext9Back(c)极间反向电流(i)集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。图1.3.9(b)共基直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE 第46页/共83页 (ii)集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO=（1+）ICBO HomeNext10Back 基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。图1.3.10ICEO图1.3

26、.11第47页/共83页HomeNextBack（2）交流参数(a)共射交流电流放大系数(b)共射交流电流放大系数 当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。11图1.3.12第48页/共83页HomeNextBack（3）极限参数(a)集电极最大允许电流ICM(b)最大集电极耗散功率PCMPCM=iCvCE=const (c)反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO基极开路时C极和E极间的击穿电压。其关系为：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO12图1.3.13第49页/共83页Home

27、NextBack 由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。13图1.3.14 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区第50页/共83页HomeNext5.温度对晶体管特性及参数的影响Back（1）温度对ICBO 的影响(a)ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的；(b)温度升高10oC，ICBO增加约一倍;(c)硅管的ICBO 比锗管小得多，所以受温度的影响也小得多。（2）温度对输入特性 的影响 温度升高1oC，VBE 减小约22.5mV，具有负的温度系数。若VBE 不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。14T=60o

28、C T=20oC图1.3.15第51页/共83页HomeNextBack（3）温度对输出特性的影响 温度升高，IC增大，增大。温度每升高1oC，要增加 0.5%1.0%15图1.3.16第52页/共83页HomeNext6.光电三极管Back 光电三极管依照光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能等效于一只光电二极管与一只晶体管相连。如图所示。16图1.3.17图1.3.18第53页/共83页HomeNext思考题Back17 1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？3.为什么说BJT是电流控制型器件？

29、例 题 例 图所示各晶体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。试确定晶体管的类型（NPN/PNP、硅/锗），并说明x、y、z 代表的电极。图1.3.19第54页/共83页HomeNextBack18提示：（1）晶体管工作于放大状态的条件：NPN管：VC VBVE，PNP管：VEVBVC；（2）导通电压：硅管|VBE|=0.60.7V，硅管|VBE|=0.20.3V，第55页/共83页HomeNextBack19 例 已知NPN型硅管T1 T4 各电极的直流电位如表所示，试确定各晶体管的工作状态。晶体管晶体管T1T2T3T4VB/V0.71-10VE/V00.3-1.70VC/V50.7015

30、工作状态工作状态提示：NPN管（1）放大状态：VBE Von,VCE VBE;（2）饱和状态：VBE Von,VCE VBE;（3）截止状态：VBE Von表放大饱和放大截止第56页/共83页HomeNextBack20 例1-7 图所示电路中，晶体管为硅管，VCES=0.3V。求：当VI=0V、VI=1V 和VI=2V时VO=?图1.3.20 解：(1)VI=0V时，VBE Von，晶体管截止，IC=IB=0，VO=VCC=12V。第57页/共83页HomeNextBack21(3)VI=2V时：(2)VI=1V时：第58页/共83页HomeBack作业：P6769：1.121.19小小 结

31、结 本讲主要介绍了以下基本内容：双极性晶体管的结构和类型：NPN、PNP 晶体管的电流放大作用和电流分配关系 晶体管具有放大作用的内部条件 晶体管具有放大作用的外部条件 IE=IB+IC=(1+)IB，IC=IB，晶体管的特性及参数 VBE、Von 晶体管的三个工作状态 温度对晶体管参数的影响 简要介绍了光电三极管。22第59页/共83页Home1.场效应管的特点和分类 Next1N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)（2）分类（1）特点 利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极

32、型晶体管）；输入阻抗高（1071012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。第60页/共83页2.结型场效应管2（1）结型场效应管的结构（如图所示）HomeNextBack 源极S漏极D栅极G符号P型区N型导电沟道图第61页/共83页3（2）结型场效应管的工作原理（如图所示）HomeNextBack vDS=0时，vGS 对沟道的控制作用 当vGS0时，PN结反偏，|vGS|耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP 0。vGS=(VGS(off)0)的某一固定值时，vDS对沟道

33、的控制作用 当vDS=0时，iD=0；vDS iD，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。第62页/共83页4HomeNextBack 当vGD VGS(off)时，vGS对iD的控制作用 当vGD=vGS-vDS vGS-VGS(off)0，导电沟道夹断，iD 不随vDS 变化；但vGS 越小，即|vGS|越大，沟道电阻越大，对同样的vDS，iD 的值越小。所以，此时可以通过改变vGS 控制iD 的大小，iD与vDS 几乎

34、无关，可以近似看成受vGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。综上分析可知：(a)JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管；(b)JFET 栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；(c)JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；(d)预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。第63页/共83页5HomeNextBack（3）结型场效应管的特性曲线转移特性 输出特性 VP图1.4.3夹断区第64页/共83页3.绝缘栅型场效应管6HomeNextBackIGFET（Insulated

35、Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD0，为耗尽型管。（一）N沟道增强型MOS管（其结构和符号如图所示）图1.4.4第65页/共83页7（1）N沟道增强型MOS管的工作原理HomeNextBack vDS=0时，vGS 对沟道的控制作用 当vDS=0且vGS0时，因SiO2的存在，iG=0。但g极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥P型衬底靠近g极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。如图所示。当vGS=0时，漏-源之间是两个背靠背的PN

36、结，不存在导电沟道，无论 vDS 为多少，iD=0。图1.4.5第66页/共83页 当vGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称之为反型层，构成了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图所示。图1.4.6 使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压VGS(th)。vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。8HomeNextBack vGSVGS(th)的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用 当vDS=0时，iD=0；vDS iD，同时使靠近漏极处的耗尽层变窄。当vDS增加到使vGD=VGS(th)时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时

37、vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。如图所示。第67页/共83页图1.4.79HomeNextBack（2）N沟道增强型MOS管的特性曲线与电流方程 N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图所示，与JFET一样，可分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。第68页/共83页10HomeNextBack转移特性 输出特性 VGS(th)图 1.4.8夹断区2VGS(th)第69页/共83页HomeNextBack（二）N沟道耗尽型MOS管（其结构和符号如图所示）图1.4.9 与 N沟道增强型MOS管不同的是，N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子

38、，所以，即使在vGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就会产生iD。11第70页/共83页HomeNextBack 若vDS为定值，而vGS 0，vGS iD；若vGS VGS(off)，且为定值，则iD 随vDS 的变化与N沟道增强型MOS管的相同。但因VGS(off)0（或vDS0），则该管为N沟道；vGS0，故为JFET（耗尽型）。(b)iD0（或vDS0），则该管为P沟道；vGS0（或vDS0），则该管为N沟道；vGS可正、可负，故为耗尽型MOS管。提示：场效应管工作于恒流区：（1）N沟道增强型MOS管：VDS0,VGSVGS(th)0；P沟道反

39、之。（2）N沟道耗尽型MOS管：VDS0,VGS可正、可负，也可为0；P沟道反之。（3）N沟道JFET：VDS0,V GS0；P沟道反之。第78页/共83页HomeNextBack19图例图 例 电路如图所示，场效应管的输出特性如图所示。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。第79页/共83页HomeNextBack20 (c)当uI=10V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故uO=uDS=VDD-iD Rd=18-28=2V，uDS-VGS(th)=2-6=-4V，显然小于uGS=10V时的预夹断电压，故假设不成立，管子工作于可变电阻区。此时，R

40、dsuDS/iD=3V/1mA=3k，故 解:(a)当uI=2V 时，uI=uGS|VGS(off)|=4V，所以 vOmax=VDD-4V=12 4=8V，故 RL=vO/IDSS=(08V)/4mA=(02)k。例 电路如图所示，场效应管的夹断电压VGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS=4mA。为使场效应管工作于恒流区，求RL的取值范围。第81页/共83页22HomeBack作业：P6970：1.20,1.221.24小小 结结 本讲主要介绍了以下基本内容：场效应管的结构和类型 场效应管的工作原理 场效应管的特性曲线 场效应管的主要参数 场效应管与晶体管的比较第82页/共83页感谢您的观看。第83页/共83页