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1、第第 1 1 章章半导体半导体器件器件2021/3/111 半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 载流子运动方式及形成电流载流子运动方式及形成电流 PNPN结与晶体二极管结与晶体二极管 PNPN结的基本原理结的基本原理 晶体二极管晶体二极管 晶体二极管电路晶体二极管电路第一章 目录2021/3/112 晶体三极管晶体三极管 晶体三极管的结构与符号晶体三极管的结构与符号 晶体管的放大原理晶体管的放大原理 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 场效应晶体管场效应晶体管 结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFETJFET）
2、绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（IGFETIGFET） 场效应管的参数及特点场效应管的参数及特点 第一章 目录（续）2021/3/1131.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2021/3/114v 半导体半导体1.1.1 本征半导体半导体 108cm:绝缘体 介于导体和绝缘体之间:半导体纯净而不含杂质的半导体本征半导体本征半导体: :常用半导体材料：Si、Ge、GaAs2021/3/115v 共价键结构共价键结构1.1.1 本征半导体半导体 每个原子和相邻的4个原子相互补足8个电子，形成稳定结构。 硅硅(Si)锗锗(Ge)半导体的原子结构半导体的原子结构: :2021/3/116硅和锗的原子
3、结构和共价键结构 2021/3/117v本征本征激发激发与与复合复合1.1.1 本征半导体半导体 激发：价电子获取外能由束缚状态变为自由状体的过程（热）温度 光核辐射激发一对载流子电子空穴（带正电）2021/3/118本征激发产生电子空穴对本征激发产生电子空穴对2021/3/119热敏性热敏性 半导体的电阻率随着温度的上升而明显地下降 1.1.1 本征半导体半导体光敏性光敏性 半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降2021/3/1110 复合复合：激发后的自由电子释放能量，重新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失的过程。 1.1.1 本征半导体半导体v本征本征激发激发与与复合复合载流子的密度
4、复合2021/3/11111.1.1 本征半导体半导体v本征半导体中的载流子密度本征半导体中的载流子密度热热(T)(T)载流子密度复合激发载流子密度热平衡T=300K Si温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。2021/3/1112v 半导体掺杂性半导体掺杂性 半导体掺杂后其电阻率大大地下降。掺杂后的半导体称作杂质半导体。杂质半导体。 1.1.1 本征半导体半导体2021/3/1113小结小结（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电
5、子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。2021/3/1114（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。（5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。小结小结2021/3/1115v杂质半导体分杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类1.1.2 杂质半导体半导体 结构图结构图本征半导体+施主杂质= N型半导体vN型半导体( ( ( (五价元素五价元素五价元素五价元素) ) ) )2021/3/1116 N型半导体的共价键结构 2021/3/1117电子 正离子 杂质原子电离 电子 空穴 热激发1.1.2 杂质半导体半导体 N N型半导体中的多数载
6、流子型半导体中的多数载流子( (即即多子多子） 为为电子电子。空穴空穴为少数载流子（即为少数载流子（即少子少子）2021/3/1118v P P型半导体型半导体 结构图结构图1.1.2 杂质半导体半导体本征半导体+受主杂质= P型半导体( ( ( (三价元素三价元素三价元素三价元素) ) ) )2021/3/1119 P型半导体共价键结构 2021/3/1120空穴 负离子 杂质原子电离 空穴 电子 热激发 P P型半导体中的多数载流子型半导体中的多数载流子( (多子多子） 为为空穴空穴。电子电子为少数载流子（即为少数载流子（即少子少子）1.1.2 杂质半导体半导体2021/3/1121v 漂
7、移运动和漂移电流漂移运动和漂移电流 1.1.3 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 漂移电流大小与电场强度成正比漂移电流大小与电场强度成正比漂漂移移运运动动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。漂漂移移电电流流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。2021/3/1122v 扩散运动及扩散电流扩散运动及扩散电流1.1.3 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比扩散运动扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。2021/3/112
8、31.2 PNPN结与晶体二极管结与晶体二极管 2021/3/1124v PNPN结的形成结的形成1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理空间电荷区空间电荷区/ /耗尽层耗尽层内建电场内建电场2021/3/1125扩散交界处的浓度差P区的一些空穴向N区扩散N区的一些电子向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN 结动态平衡1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理抑制扩散抑制扩散2021/3/11261.2.1 PNPN结基本原理结基本原理 U U阻止多子继续阻止多子继续扩散，同时有利少扩散，同时有利少子定向漂移子定向漂移U：势垒电压U= 0.60.8
9、V 0.20.3V空间电荷区空间电荷区/ /耗尽层耗尽层U内建电场内建电场2021/3/1127小结小结n 载流子的扩散运动和漂移运动既互 相联系又互相矛盾。n 漂移电流=扩散电流时，PN结形成且 处于动态平衡状态。 PN结没有电流 通过。n 掺杂越重，结宽越窄。 2021/3/1128v PNPN结特性结特性 单向导电性 击穿特性 电容特性1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理2021/3/1129加偏压时加偏压时的耗尽层的耗尽层UUU合成电场合成电场PNPNPNPN结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压1.2.1 PN1.2.1 PN结基本原理结基本原理 PN PN结外加正向电
10、压时，结外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得变窄，这使得P P区和区和N N区能区能越过这个势垒的越过这个势垒的多数载流多数载流多数载流多数载流子子子子数量大大增加，形成较数量大大增加，形成较大的大的扩散电流扩散电流扩散电流扩散电流。 未加偏压时的耗尽层未加偏压时的耗尽层v 单向导电性 PN结呈现为小电阻 结宽变窄 PN PN PN PN结正向导通状态结正向导通状态结正向导通状态结正向导通状态2021/3/1130 PN结外加正向电压 2021/3/1131加反向偏压加反向偏压时的耗尽层时的耗尽层UU+U合成电场合
11、成电场PNPNPNPN结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压1.2.1 PN1.2.1 PN结基本原理结基本原理 PN PN外加反向电压时，内建外加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，电场被增强，势垒高度升高，这就使得多子扩散运动很难进这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零，而行，扩散电流趋于零，而少子少子少子少子更容易产生更容易产生漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动 。 未加偏压时的耗尽层未加偏压时的耗尽层流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。结宽增加。该状态称为PN结反向截止状态。2021/3/1132 PN结外加反向电压 2021/3/113
12、3n PN结加正向电压时，正向扩散电流 远大于漂移电流，PN结导通；PN结 加反向电压时，仅有很小的反向饱 和电流IS,考虑到IS0，则PN结截止。n PN结正向导通、反向截止的特性称 PN结的单向导电特性。n 外电压可改变结宽。 小结小结2021/3/1134 击穿击穿概念：概念： PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加的现象。1.2.1 PNPN结基本原理结基本原理v 击穿特性击穿特性 击穿电压击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz)击穿分类：击穿分类： 雪崩击穿齐纳击穿2021/3/11351.2.1 PNPN结基本原理结基本原理雪崩击穿:反向电压内建电场漂移少子碰撞中
13、性原子产生新的电子空穴对反向电流特点： Uz6V2021/3/11361.2.1 PNPN结基本原理结基本原理利用PN结击穿特性可以制作稳压管。特点： UzIOM易导致二极管过热失效晶体二极管晶体二极管 ( (主要参数主要参数: :续续) )极限参数极限参数最高反向工作电压URM:允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压最大允许功耗PDM :实际功耗PDM 时易导致二极管过热损坏2021/3/1152 晶体二极管晶体二极管v 特殊二极管特殊二极管稳压管稳压管V-A特性及符号2021/3/1153晶体二极管晶体二极管( (特殊二极管特殊二极管: :续续) )稳压管主要参数稳定电压UZ：即PN结击
14、穿电压稳定电流IZ ：Izmin IZ IZmax动态电阻rZ ：定义rZ =u/i rZ，则稳压性能越好额定功耗PZ ：实际功耗超过PZ易使稳压管损坏2021/3/1154晶体二极管晶体二极管( (特殊二极管特殊二极管: :续续) )稳压管等效电路Ur为门限电压 反向运用 正向运用稳压管等效电路稳压管等效电路2021/3/1155变容二极管变容二极管 晶体二极管晶体二极管( (特殊二极管特殊二极管: :续续) )(a)符号 (b)特性 变容二极管变容二极管利用利用PNPN结的结的势垒电容势垒电容效应制作效应制作 变容二极管变容二极管必须工作于反偏状态。必须工作于反偏状态。2021/3/115
15、6光电二极管光电二极管工作于反偏状态反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。 光电二极管可用作光测量。晶体二极管晶体二极管( (特殊二极管特殊二极管: :续续) )发光二极管 发光二极管工作于正偏状态正偏状态。其发光强度随正向电流增大而增大。发光二极管主要用作显示器件。2021/3/1157 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法n图解法图解法n迭代法迭代法n折线化近似折线化近似2021/3/1158v 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法图解法图解法 i = f (u ) 晶体二极管晶体二极管2021/3/1159计算机辅助分析法（迭代法）计算机辅助分析法（迭代法）据电路列方
16、程组采用牛顿-拉夫森迭代算法迭代公式： 晶体二极管晶体二极管 ( (电路分析方法电路分析方法: :续续) )2021/3/1160晶体二极管晶体二极管 ( (电路分析方法电路分析方法: :续续) )折线化近似法理想特性曲线理想特性曲线只考虑门限的特性曲线只考虑门限的特性曲线考虑门限电压和正向导通电阻考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线的特性曲线仅考虑正、反向导通电阻的特仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线性曲线2021/3/1161 晶体二极管应用电路晶体二极管应用电路n门电路门电路n整流电路整流电路n限幅电路限幅电路2021/3/1162电路变化后（图c）: uO = -2.5V(c)v 晶体二
17、极管电路举例晶体二极管电路举例门电路门电路 晶体二极管晶体二极管例1：图a示二极管门电路（VD 理想）求：uO 解：uO = 02021/3/1163 整流电路 例2：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形 解：输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断晶体二极管晶体二极管 ( (电路举例电路举例: :续续) )；VD截止ui 0V解：2021/3/1164限幅电路 例3:限幅电路中VD 理想，求uO(t)并画出波形。 晶体二极管晶体二极管 ( (电路举例电路举例: :续续) )解：；VD截止截止 ui IEp ， 因此发射极电流 IE IEn 。 形成复合电流IBn，它是基极电
18、流IB 的一部分。形成ICn，构成集电极电流 IC 的主要成份。集电结两边少子定向漂移ICBO ,该电流对放大作用没有贡献且受温度影响很大，应设法减小。晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续发射区向基区注入电子集电区收集电子注入电子边扩散边复合2021/3/1176发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子( I IEnEn ) ： 发射极电流IE IEn 注入电子在基区边扩散边复合注入电子在基区边扩散边复合( I IBnBn ) ： 是基极电流IB 的一部分 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续集电区收集扩散来的电子集电区收集扩散来的电子 ( I Icncn ) ： I Ic
19、ncn构成集电极电流 IC 的主要成份 集电结两边少子定向漂移集电结两边少子定向漂移( I ICBOCBO ) ： I ICBOCBO对放大无贡献应设法减小晶体三极管又称为双极型三极管晶体三极管又称为双极型三极管 三极管放大应满足两方面条件：三极管放大应满足两方面条件：n 外部条件：外部条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏n 内部条件：内部条件： 基区薄基区薄 发射区重掺杂发射区重掺杂2021/3/1177 电流关系 发射极电流： IE = I Ibnbn + I Icncn 基极电流： IB = I Ibnbn- - I ICBOCBO 集电极电流： IC = I Icncn +
20、I ICBOCBO 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续2021/3/1178v 基区基区非平衡载流子非平衡载流子的密度分布的密度分布 指由发射区注入到基区的载流子非平衡载流子密度分布图 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续2021/3/1179定义：时有：v 电流分配关系电流分配关系 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续2021/3/1180 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续电流分配关系：穿透电流：穿透电流：2021/3/1181v 关于电流放大倍数的几点说明电流放大倍数的几点说明 手册上的 值是实测得到的 它们的大小与工作电流有关 这组电流关系也
21、适用于PNP管，但各极定义的电流方向相反 晶体三极管放大原理晶体三极管放大原理: :续续2021/3/1182v 共射接法共射接法输入特性曲线输入特性曲线晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线指uCE为参变量，iB随uBE变化的关系曲线特点：特点：特性曲线类似二极管特性曲线类似二极管V-AV-A特特性性u uCECE 增大时，特性曲线右移增大时，特性曲线右移u uCECE 1 1V V时曲线基本重合时曲线基本重合2021/3/1183 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线: :续续v 共射接法共射接法输出特性曲线输出特性曲线指iB为参变量，iC随uCE变化的关系曲线2021/3/1184曲线分为
22、四区：曲线分为四区：截止区截止区截止区截止区 放大区放大区 饱和区饱和区 击穿区击穿区截止区：截止区： 对应截止状态对应截止状态:E结结C结反偏结反偏 特点：特点：iE =0 iC =ICBO = iB晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1185曲线分为四区：截止区曲线分为四区：截止区 放大区放大区放大区放大区 饱和区饱和区 击穿区击穿区放大区：放大区： 对应放大状态对应放大状态: : E E结正偏结正偏C C结反偏结反偏 特点：特点：放大效应放大效应 - 定义定义 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1186 特点：特点：基调基调( (厄立
23、厄立) )效应效应-U UA A 表现表现: :曲线略微上斜曲线略微上斜晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1187 特点：特点：穿透电流穿透电流-I ICEO CEO 计算计算: :I ICEOCEO=(1+ )=(1+ )I ICBOCBO曲线分为四区：截止区曲线分为四区：截止区 放大区放大区放大区放大区 饱和区饱和区 击穿区击穿区 晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1188曲线分为四区：截止区曲线分为四区：截止区 放大区放大区 饱和区饱和区饱和区饱和区 击穿区击穿区饱和状态饱和状态: : E E结正偏结正偏C C结正偏结正偏 特点：特
24、点：饱和现象：饱和现象：固定uCE ,iC基本不随iB变化u uCECE控制控制i iC C ：固定iB,iC随uCE剧烈变化晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1189曲线分为四区：截止区曲线分为四区：截止区 放大区放大区 饱和区饱和区饱和区饱和区 击穿区击穿区注意：注意： 临界饱和：临界饱和：U UBCBC=0=0（考虑到发射结导通存在（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则：门限电压的作用，则： U UBCBC= U= UBEOBEO ）临界饱和电压：临界饱和电压：U UCESCES晶体三极管特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续2021/3/1190晶体三极管
25、特性曲线晶体三极管特性曲线 : :续续 对于对于PNPPNP型管其特性规律一样型管其特性规律一样, ,但变但变量极性相反量极性相反 特性曲线还有共基特性曲线还有共基共集两种共集两种2021/3/1191晶体三极管主要参数晶体三极管主要参数v电流放大系数电流放大系数 关系v极间反向电流极间反向电流 集电极集电极- -基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流ICBO 集电极集电极- -发射极穿透电流发射极穿透电流ICEO 发射极发射极- -基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流 IEBO2021/3/1192 晶体三极管主要参数晶体三极管主要参数v极限参数极限参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I
26、 ICMCM 反向击穿电压反向击穿电压 U(BR)CBO ，U(BR)CEO , U(BR)EBO 2021/3/1193 晶体三极管主要参数晶体三极管主要参数集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM安安 全全 工工 作作 区区2021/3/11941.4.5 晶体三极管主要参数晶体三极管主要参数: :续续v 晶体管参数的温度特性晶体管参数的温度特性UBEO T T 1 1度则度则UBEO (2(2 2.5)mV2.5)mVICBO T T 1010度则度则ICBO 约约1 1倍倍 T T 1 1度则度则 (0.5(0.5 1)%1)%2021/3/11951.5 场效应晶体管2021/3/
27、1196FETJFETIGFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道 场效应晶体管的分类2021/3/1197 结型结型场效应管JFETv 结构与符号结构与符号N-JFETP-JFET2021/3/1198结型结型场效应管JFETv 工作原理（工作原理（N-JFETN-JFET管为例管为例） 导电沟道：导电沟道：漏极到源极的导电通道漏极到源极的导电通道 受控机理：受控机理：漏极电流漏极电流i iD D 受控于受控于u uGSGS2021/3/1199结型管JFET :工作原理续 工作原理工作原理-uGSGS 控制控制iD D ( (uDSDS =C=C 0)0) uGS UDDUG
28、GdgsiD iD 夹断夹断uGS = UGS(off) UDDUGGdgsiD 0初始初始沟道沟道UGGdgsiD UDDiD uGS uGS UDDUGGdgsiD =0iD = 0预夹断预夹断uGD = UGS(off) 2021/3/11100 结型管JFET :工作原理续 工作原理工作原理- - uDSDS 影响影响 iD ( (uGSGS =C=C 0)0)UGGdgs iD 0 UDDiD uDS uDS uDS UDDUGGdgsiD 0iD=C=C 0 0初始初始沟道沟道UDDUGGdgsiD = 0预夹断预夹断uGD = UGS(off) iD 0iD UDDUGGdgsi
29、D 2021/3/11101结型结型场效应管JFETv 工作原理（工作原理（N-JFETN-JFET管为例管为例）i iD D受受控控 于于取取决决 于于iD端压端压uDS沟道沟道电阻电阻R沟道沟道控制电控制电压压uGS2021/3/11102小结：小结： i iD D 受控于受控于u uGSGS : : u uGS GS 则则 i iD D 直至直至i iD D =0=0 i iD D 受受u uDSDS影响影响 : : u uDSDS 则则i iD D 先增随后近似不变先增随后近似不变 预夹断前预夹断前u uDSDS 则则i iD D 以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线 预夹断后预夹
30、断后u uDSDS 则则i iD D 不变不变结型管JFET :工作原理续2021/3/11103 结型结型场效应管JFETv 特性曲线（特性曲线（N-JFETN-JFET管为例管为例）v 输出特性曲线输出特性曲线指uGS为参变量，iD随uDS 变化的关系曲线2021/3/11104输出曲线分四区：输出曲线分四区：截止区截止区截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态 特点：特点：u uGS GS U UGSGS ( (off) off) i iD D=0=0 截止区截止区 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3
31、/11105放大区：放大区： 对应管子预夹断后的状态对应管子预夹断后的状态 特点：受控放大，特点：受控放大， iD 只受只受uGS控制控制 u uGS GS 则则i iD D 放大区放大区输出曲线分四区：输出曲线分四区：截止区截止区截止区截止区 放大区放大区放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3/11106可变电阻区：可变电阻区： 对应预夹断前状态对应预夹断前状态 特点：特点：固定固定uGS，uDS 则则iD近似线性近似线性 - 电阻特性电阻特性电阻特性电阻特性固定固定uDS，变化变化uGS则阻值变化则阻值变化 -变阻特性变阻
32、特性变阻特性变阻特性 输出曲线分四区：输出曲线分四区：截止区截止区截止区截止区 放大区放大区放大区放大区 可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区可可变变电电阻阻区区结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3/11107击穿区：击穿区： 对应击穿状态对应击穿状态 特点：特点：uDS 很大很大 iD急剧增加急剧增加 输出曲线分四区：输出曲线分四区：截止区截止区截止区截止区 放大区放大区放大区放大区 可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区 击穿区击穿区击穿区击穿区击击穿穿区区结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3/11108指指uDS为参变量，为参变量，iD随随uG
33、S 变化的关系曲线变化的关系曲线v 转移特性曲线转移特性曲线结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3/11109 预夹断后转移特性曲线重合预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程曲线方程 条件条件 结型结型场效应管JFET:特性曲线续特性曲线续2021/3/11110v根据栅极绝缘材料分为根据栅极绝缘材料分为: : 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管(MOSFET(MOSFET或或MOS)MOS) 金属金属- -氮化硅氮化硅- -半导体场效应管半导体场效应管(MNSFET(MNSFET或或MNS) MNS) 金属金属- -氧化铝氧化铝- -半导体场效应管半
34、导体场效应管(MALSFET)(MALSFET)v根据是否存在原始导电沟道分为根据是否存在原始导电沟道分为: :增强型增强型和和耗尽型耗尽型v根据导电沟道类型分为根据导电沟道类型分为: : N N沟道沟道和和P P沟道沟道 特点特点栅极同其余电极之间绝缘栅极同其余电极之间绝缘栅极同其余电极之间绝缘栅极同其余电极之间绝缘绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 概念概念 2021/3/11111绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 结构与符号结构与符号 ( (以增强型以增强型NMOSNMOS管为例管为例) )PMOSFETNMOSFET2021/3/11112 导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道u uGSGS
35、=0=0时，无时，无导电沟道导电沟道( (夹断状态夹断状态) ) u uGSGS U UGSGS( (thth) )时，产生时，产生导电沟道导电沟道( (开启开启状态状态) ) 定义开启电压定义开启电压定义开启电压定义开启电压U U U UGSGSGSGS( ( ( (thththth) ) ) )为刚开始出现导电沟道时的栅源电为刚开始出现导电沟道时的栅源电压数值压数值绝缘栅绝缘栅场效应管IGFETv 工作原理工作原理2021/3/11113受控机理：漏极电流受控机理：漏极电流iD 受控于受控于uGS通过改变加在绝缘层上的电压通过改变加在绝缘层上的电压(栅源电压栅源电压)的大小来改变导电的大小
36、来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小以达到控制漏极电流阻的大小以达到控制漏极电流的目的，漏极电流的目的，漏极电流iD 受控于受控于uGS 。绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续2021/3/11114uDS0uDSiD 近似不变近似不变uDS=(uGS-UGS(th)预夹断预夹断状态状态uDS iD u uDS DS 影响影响 i iD D ( ( u uGS GS = C = C 0 ) 0 )uDS(uGS-UGS(th)预夹断预夹断后后绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续2021/3/11115小结：小结： i iD D 受控于受控于u uGSGS : :
37、u uGSGS 则则 i iD D 直至直至i iD D =0=0 i iD D 受受u uDSDS影响影响 : : u uDSDS 则则i iD D 先增随后近似不变先增随后近似不变 预夹断前预夹断前u uDSDS 则则i iD D 以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线 预夹断后预夹断后u uDSDS 则则i iD D 不变不变绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续2021/3/11116 特别注意：特别注意：特别注意：特别注意： 区别夹断与预夹断：区别夹断与预夹断： 夹断时：夹断时： u uGS GS U UGSGS( (th) th) ，i iD D = =0 0 预夹断时：预夹断时：u
38、 uGDGD = U UGSGS( (th) th) (或u uGS GS - u- uDSDS = U UGS(th)GS(th) i iD D 0 0 预夹断前：预夹断前：u uGDGD U UGSGS( (th) th) (或u uGS GS - u- uDSDS U UGS(th)GS(th) ) 预夹断后：预夹断后：u uGDGD U UGSGS( (th) th) (或u uGS GS - u- uDSDS U UGS(th)GS(th) )绝缘栅绝缘栅场效应管 :工作原理续2021/3/11117v 特性曲线特性曲线（增强型增强型NMOSNMOS管为例管为例） 输出特性曲线输出特
39、性曲线指uGS 为参变量，iD随uDS变化的关系曲线绝缘栅绝缘栅场效应管2021/3/11118输出特性曲线主要分三区：输出特性曲线主要分三区： 截止区截止区 放大区放大区 可变电阻区可变电阻区可可变变电电阻阻区区放大区放大区截止区截止区绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续2021/3/11119绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态特点：特点：uGS UGS (th) iD=0 2021/3/11120绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续放大区：放大区： 对应管子开启和预夹断后的状态对应管子开启和预夹断后的状态 特点：特点：受控放大受控放大, uGS
40、则则 iD 2021/3/11121绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续可变电阻区：可变电阻区： 对应预夹断前状态对应预夹断前状态 特点：特点： uDS 则则iD近似线性近似线性 - - 电阻特性电阻特性 uGS变化则阻值变化变化则阻值变化- - 变阻特性变阻特性2021/3/11122开启电压开启电压UGS(th)预夹断后转移特性曲线重合预夹断后转移特性曲线重合曲线方程曲线方程 条件条件 转移特性曲线转移特性曲线指为uDS参变量，iD随uGS变化的关系曲线绝缘栅场效应管:特性曲线续特性曲线续2021/3/11123v 衬调效应（衬调效应（增强型增强型NMOSNMOS管为例管为例） 绝缘栅绝缘
41、栅场效应管 uBS 0 0且且uBS 00时时iD 受控于受控于uBS 的特性的特性 衬调效应又称衬调效应又称背栅效应，体效应背栅效应，体效应uSBgdsbUGGUDD2021/3/11124v 耗尽型耗尽型NMOSNMOS管管绝缘栅绝缘栅场效应管存在存在原始导电原始导电沟道沟道的的FETFET管管uGS =0时管子内已时管子内已有的导电通道有的导电通道2021/3/11125 N沟道耗尽型MOS管的结构与符号 2021/3/11126转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线2021/3/11127v PMOS管特点特点: : 导电载流子为空穴导电载流子为空穴 uGS (uDS )电压
42、极性及电压极性及iD电流流电流流 向与向与NMOSNMOS管相反管相反绝缘栅绝缘栅场效应管v FETFET管特性汇总表管特性汇总表P40P402021/3/11128直流参数:饱和漏极电流IDSS : uGS=0时的iD 值夹断电压UGS(off) : iD 0时的uGS值开启电压UGS(th) : 增强型管刚开始导 电时的uGS值直流输入电阻RGS: RGS = UGS / IG 场效应管参数及特点v 参数参数耗尽管参数增强管参数2021/3/11129跨导跨导 场效应管参数及特点:续交流参数交流参数: :增强型增强型耗尽型耗尽型背栅跨导跨导跨导跨导比比2021/3/11130交流参数交流参
43、数: :输出电阻输出电阻 场效应管参数及特点:续极间电容极间电容 C Cgs gs C Cgdgd C Cds ds ( ( C Cbs bs C Cbd bd C Cbg bg ) )2021/3/11131场效应管参数及特点:续极限参数：极限参数： 栅源击穿电压栅源击穿电压 UBR(GS) 漏源击穿电压漏源击穿电压 UBR(DS) 最大功耗最大功耗 PDM : :参数的温度特性：参数的温度特性：在特定电流电压下，管子参在特定电流电压下，管子参数的温度系数可以为零数的温度系数可以为零 耗尽型耗尽型增强型增强型2021/3/11132导电方式导电方式载流子载流子运动方式运动方式控制方式输入电阻
44、漂移漂移 扩散扩散 漂移漂移 压控压控 流控流控 高高 低低 场效应管参数及特点v 特点特点多子多子 单极单极型型 多子少子多子少子 双极双极型型 FETBJT2021/3/11133场效应管参数及特点:续v 特点特点FETBJT噪声噪声小小大大抗辐射力抗辐射力强强弱弱 热稳定性好好 差差 2021/3/11134第1章要点v 了解有关半导体的基本概念了解有关半导体的基本概念v 理解理解PN结的特性结的特性v 理解半导体器件的特性曲线、参数及温度特性理解半导体器件的特性曲线、参数及温度特性v 掌握半导体器件的有关公式及电流关系掌握半导体器件的有关公式及电流关系v 掌握二极管、稳压管电路的分析掌
45、握二极管、稳压管电路的分析2021/3/11135作业n 1-3 (1-3) 1-5 (1-5) 1-6 (1-6) 1-7(a)(d)(f) (1-7) (a)(d)(f) n1-12 (1-12) 1-15 (1-15) 1-16 (1-16)注：红字对应新版教材注：红字对应新版教材2021/3/11136答疑安排周次周次时间时间地点地点原志强原志强3 3，8 8，1313，1717每周三晚上每周三晚上6 6：40-840-8：5050；五一后为；五一后为7 7：10-910-9：2020C C楼楼1 1楼休息室楼休息室刘雪芳刘雪芳4 4，9 9同上同上C C楼楼1 1楼休息室楼休息室吴炜吴炜5 5，1010，1414，同上同上C C楼楼1 1楼休息室楼休息室陈健陈健刘向丽刘向丽6 6，1111，1515，1818同上同上C C楼楼1 1楼休息室楼休息室傅丰林傅丰林杨清海杨清海7 7，1212，1616同上同上C C楼楼1 1楼休息室楼休息室第第1919周期后考试，安排统一答疑周期后考试，安排统一答疑2021/3/11137
