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1、第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 场效应管场效应管1.1 半导体基础知识半导体基础知识3.半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。常用的半导体材如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。常用的半导体材料是料是硅（硅（Si）和锗（和锗（Ge）。 1.1.1 本征半导体本征半导体一、半导体一、半导体一、半导体一、半导体1. 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自
2、然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。，金属一般都是导体。2. 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如惰性气体、橡胶、，如惰性气体、橡胶、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半导体具有下列的重要特性：半导体具有下列的重要特性：l (1) 热敏性热敏性: 一些半导体对温度反应很灵敏一些半导体对温度反应很灵敏, 其电阻率随温度其电阻率随温度升高而明显下降升高而明显下降, 利用该特性可制成各种热敏元件利用该特性可制成各种热敏元件, 如热敏电阻、如热敏电阻、 温度传感器等。温度传感器等。 l (2) 光敏性光敏性: 有些半导体的电阻率随光照增强
3、而明显下降有些半导体的电阻率随光照增强而明显下降, 利利用这种特性可做成各种光敏元件用这种特性可做成各种光敏元件, 如光敏电阻和光电管等。如光敏电阻和光电管等。 l (3) 掺杂掺杂性性: 在纯净的半导体中掺入其它微量元素（如磷和硼）在纯净的半导体中掺入其它微量元素（如磷和硼）会使其电阻率下降，利用该性质可制成各种晶体管器件。会使其电阻率下降，利用该性质可制成各种晶体管器件。 共价键共共价键共用电子对用电子对纯净的具有晶体结构的半导体称为纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体二、本征半导体二、本征半导体 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构在绝对温度在绝对温度T=0K，且无
4、外界且无外界激发时，价电子完全被共价键激发时，价电子完全被共价键紧紧束缚，即没有可以自由移紧紧束缚，即没有可以自由移动的带电粒子（载流子）。动的带电粒子（载流子）。因因此本征半导体导电能力很弱。此本征半导体导电能力很弱。当当温温度度升升高高或或受受到到光光照照射射，一一些些价价电电子子获获得得足足够够能能量量，挣挣脱脱共价键束缚，成为共价键束缚，成为自由电子自由电子。自由电子产生同时，在其原共自由电子产生同时，在其原共价键中留下一个空位，称为价键中留下一个空位，称为空空穴穴。原子因失掉一个价电子而。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。带正电，或者说空穴带正电。本征半导体中自由电子和
5、空穴是成对出现的，即自由电子和空本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，即自由电子和空穴数目相等。穴数目相等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。与本征激发相反现象与本征激发相反现象复合（自由电子在运动中与空穴结合）。复合（自由电子在运动中与空穴结合）。在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。空穴对的浓度一定。在外电场作用下，一方面，自由电子做定向运动形成电子电流；在外电场作用下，一方面，自由电子做定向运动形成电子电流；另一方面，价电子按
6、一定方向填补空穴，即空穴也产生定向移动，另一方面，价电子按一定方向填补空穴，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。形成空穴电流。三、本征载流子浓度三、本征载流子浓度l 本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。载流子浓外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。载流子浓度升高，导电能力增强。度升高，导电能力增强。本征载流子浓度：本征载流子浓度：1.1.2杂质半导体杂质半导体 为改善半导体导电性能，在本征半导体中掺入微量元素，为改善半导体导电性能，在本征半导体中掺入微量元素，掺杂后的半
7、导体称为杂质半导体。按掺杂元素不同，分为掺杂后的半导体称为杂质半导体。按掺杂元素不同，分为P型型半导体和半导体和N型半导体。型半导体。一、一、N型半导体型半导体 在纯净的硅（或锗）晶体中掺入五价元素（如磷），在纯净的硅（或锗）晶体中掺入五价元素（如磷），形成形成N型半导体。此类杂质称为施主杂质。型半导体。此类杂质称为施主杂质。N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性也越强。由电子）
8、的浓度就越高，导电性也越强。+4+4+4+4+4+4+4+4+5空位空位硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子在纯净的硅（或锗）晶体中掺入三价元素（如硼），形成在纯净的硅（或锗）晶体中掺入三价元素（如硼），形成P型型半导体。此类杂质称为受主杂质。半导体。此类杂质称为受主杂质。二、二、P型半导体型半导体P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性也越强。的浓度就越高，导电性也越强。+4+4+4+4+4+4+4+4+3杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体
9、型半导体多子多子电子电子少少子子空穴空穴P型半导体型半导体多多子子空穴空穴少少子子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与掺杂有关与掺杂有关1.1.3 PN结结 一、一、 PN结的形成结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区空穴浓度降低、靠近接触面区空穴浓度降低、靠近接触面N区自由电区自由电子浓度降低，产生由子浓度降低，产生由
10、N区指向区指向P区内电场，阻止扩散运动进行。区内电场，阻止扩散运动进行。因电场作用所产生的因电场作用所产生的运动称为漂移运动。运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自区、自由电子从由电子从P区向区向N 区运动。区运动。有利于少子的运动有利于少子的运动 二、二、
11、 PN结的单向导电性结的单向导电性 (1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I外电场削弱内电场外电场削弱内电场(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移漂移运动扩散运动扩散运动运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I IS S 外电场加强内电场外电场加强内电场 在一定的温在一定的温度下，由本征激度下，由本征激发产生的少子浓发产生的少子浓度是一定的，故度是一定的，故IS基本上与外
12、加反基本上与外加反压的大小无关压的大小无关，所以称为所以称为反向饱反向饱和电流和电流。但但IS与与温度有关。温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，呈现高电阻， PN结截止。结截止。l 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。根据理论分析：根据理论分析：u ：PN结两端的电压降结两端的电压降i ：流过流过PN结的电流结的电流IS ：反向饱和电流反向饱和电流UT
13、=kT/q ：温度电压当量温度电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当 u0 uUT时时当当 u|U T |时时三、三、 PN结结方程及伏安特性曲线方程及伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏I（多子扩散）多子扩散）IS（少子漂移）少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿利用反向击穿特性可以制成稳压管。利用反向击穿特性可以制成稳压管。四、四、四、四、PNPN结的电
14、容效应结的电容效应结的电容效应结的电容效应PNPN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容C Cb b。2. 扩散电容扩散电容3. 结电容：结电容： C Cj j= =C Cb b+C
15、+Cd d。正向电压时正向电压时正向电压时正向电压时C Cd d起作用起作用起作用起作用C Cj jCCd d；反向电压时反向电压时反向电压时反向电压时C Cb b起作用起作用起作用起作用C Cj jCCb bC Cj j随外加电压而非线性变化随外加电压而非线性变化随外加电压而非线性变化随外加电压而非线性变化非线性非线性非线性非线性电容，且数值很小，只有在电容，且数值很小，只有在电容，且数值很小，只有在电容，且数值很小，只有在频频频频率较高率较高率较高率较高时才考虑。时才考虑。时才考虑。时才考虑。PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子
16、的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容扩散电容Cd。1. 1. 势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容1.2 半导体二极管半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的参数二极管的参数 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 1.2.5 稳压二极管稳压二极管将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 1.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构点接触型：点接触型：结面积小，结
17、电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高用于检波和变频等高频用于检波和变频等高频电路电路面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低用于低频大电流整流用于低频大电流整流电路电路平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大用于高频整流和开关用于高频整流和开关电路中电路中材料材料材料材料开启电压开启电压开启电压开启电压导通电压导通电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流硅硅硅硅SiSi0.
18、5V0.5V0.60.8V0.60.8V0.10.1AA以下以下锗锗锗锗GeGe0.1V0.1V0.10.3V0.10.3V几几十十 A A开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量 1.2.2 二极管伏安特性二极管伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IST（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向
19、特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 1. 1. 单向导电性单向导电性单向导电性单向导电性从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1. 最大整流电流最大整流电流IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 最高反向工作电压最高反向工作电压UR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，单向导电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。通常性被破坏，甚至过热
20、而烧坏。通常UR为击穿电压为击穿电压UBR的一半。的一半。3. 反向电流反向电流 IR二极管未击穿时的反向电流。二极管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈愈小，二极管的单向导电性愈好，好， IR对温度敏感。对温度敏感。4. 最高工作频率最高工作频率fM 1.2.3 二极管主要参数二极管主要参数二极管工作的上限频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极二极管工作的上限频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管的单向导电性变坏。管的单向导电性变坏。 1.2.4 二极管等效电路二极管等效电路 在在一一定定的的条条件件下下，可可用用线线性性模模型型来来代代替替二二极极管管，称称为为二二极极
21、管管的的等等效效模模型型（或或等等效效电电路路）。根根据据二二极极管管的的伏伏安安特特性性，对对应应于于不不同的应用场合，同的应用场合， 可建立不同的等效模型。可建立不同的等效模型。1 理想模型（理想模型（a）由图可见，理想二极管正向导由图可见，理想二极管正向导通时，其端电压等于零，相当通时，其端电压等于零，相当于短路；反向截止时，电流等于短路；反向截止时，电流等于零，相当于开路。所以理想于零，相当于开路。所以理想二极管相当于一个理想开关二极管相当于一个理想开关。理想理想二极管二极管导通时导通时 UD0截止时截止时IS02 恒压降模型（恒压降模型（b）在电路分析中，可认为二极管正向在电路分析中
22、，可认为二极管正向导通时压降恒定为导通时压降恒定为Uon，截止时，截止时，反向电流为零。反向电流为零。 二极管电路等效二极管电路等效模型为一理想二极管和一恒压源模型为一理想二极管和一恒压源Uon相串联。相串联。近似分析近似分析中最常用中最常用导通时导通时UDUon截止截止时时IS03 折线模型（折线模型（c）为了进一步改善电路模型的准确度，在恒压降模型基础上，作为了进一步改善电路模型的准确度，在恒压降模型基础上，作一定修正，图中二极管正向压降大于一定修正，图中二极管正向压降大于Uon后，用一斜线来描述电后，用一斜线来描述电压和电流的关系，斜线的斜率为实际二极管特性曲线的斜率压和电流的关系，斜线
23、的斜率为实际二极管特性曲线的斜率1/rD，rD =U/I。等效模型为一理想二极管和恒压源等效模型为一理想二极管和恒压源Uon及正向及正向电阻电阻rD相串联。相串联。 导通时导通时i与与u成一成一次函数关系次函数关系例例1.2.1：二极管导通压降为：二极管导通压降为0.7V。估算开关断开和闭合时输出估算开关断开和闭合时输出电压的数值。电压的数值。Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源
24、作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流二、二、二、二、二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路应用举例：应用举例：应用举例：应用举例：直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路直流电压源和交流电压源同时作用于二极管电路作业：阅读作业：阅读作业：阅读作业：阅读1231233. 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。1. P67 1. P67 第三题第三题第三题第三题2. P66 1.32. P66 1.3， 1.
25、41.4，1.21.2一、一、 伏安特性伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流由一个由一个PN结组成，结组成，反反向击穿向击穿后在一定的电后在一定的电流范围内端电压基本流范围内端电压基本不变，为稳定电压。不变，为稳定电压。二、主要参数二、主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ1.2.5 稳压二极管稳压二极管例题例题1.2.2已知已知UZ、IZmin、IZmax、RL，求限流电阻求限流电阻RIZmin IZ IZmax1.3 双极型晶体管双极型晶体管1.3.1 BJT
26、的结构简介的结构简介1.3.2 BJT的的电流分配与放大原理电流分配与放大原理1.3.3 BJT的的特性曲线特性曲线1.3.4 BJT的的主要参数主要参数多子浓度高多子浓度高很薄，且杂很薄，且杂质浓度低质浓度低面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率管小功率管中中功率管功率管大功率管大功率管1.3.1 晶体管的结构和符号晶体管的结构和符号扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子
27、浓度高使大量电子从发射区扩散到基区电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散1.3.2 晶体管电流放大作用晶体管电流放大作用l BJT内部载流子的运动内部载流子的运动（以（以NPN为例）为例）共射直流共射直流电流放大电流放大系数系数共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数l 电流分配：电流分配：电流分配：电流分配： I IE EI IB BI IC
28、C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流共基直流共基直流电流放大电流放大系数系数共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线可以取代的一条输入特性曲线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为
29、什么为什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲线右移就不明显了？线右移就不明显了？1.3.3 晶体管共射特性曲线晶体管共射特性曲线一、一、 输入特性曲线输入特性曲线对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变化很大？为什么进入放变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的大状态曲线几乎是横轴的平行线？平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区二、二、 输出特性曲线输出特性曲线晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入几乎仅仅决定于输入回路的电流回路的电流 i
30、B，即可将输出回路等效为电流即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC 。状态状态状态状态u uBEBEi iC Cu uCECE截止截止截止截止 U Uonon00V VCCCC放大放大放大放大 U UononiiB B u uBEBE饱和饱和饱和饱和 U UononiiB B U UB B U UE E； 对于对于对于对于PNPPNP管三个电极的电位关系是：管三个电极的电位关系是：管三个电极的电位关系是：管三个电极的电位关系是：U UC C U UB B U UE E。l l 三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也
31、可用特性三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数 、 小结小结练习练习1.P67 1.15，P68 1.17，P69 1.192.2. P64 第六题第六题1. 分别分析分别分析uI=0V、5V时时T是工作在截止状态还是导通状态；是工作在截止状态还是导通状态；2. 已知已知T导通时的导通时的UBE0.7V，若若uI=5V，则则在什么范围内在什么范围内T处于放大状态处
32、于放大状态?在什么范围内在什么范围内T处于饱和状态？处于饱和状态？通过通过uBE是否大于是否大于Uon判断管子是否导通。判断管子是否导通。临界饱和时的临界饱和时的练习练习21.4 场效应管场效应管1.4.1 结型场效应管结型场效应管1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管1.4.3 场效应管的参数及特点场效应管的参数及特点1.4.4 场效应管与晶体管比较场效应管与晶体管比较l l 它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为 0 0， 因此
33、具有极高的输入电阻因此具有极高的输入电阻因此具有极高的输入电阻因此具有极高的输入电阻( (约数百兆欧以上约数百兆欧以上约数百兆欧以上约数百兆欧以上) )。l l 仅靠半导体多数载流子导电，故称单极型器件。它的抗温度仅靠半导体多数载流子导电，故称单极型器件。它的抗温度仅靠半导体多数载流子导电，故称单极型器件。它的抗温度仅靠半导体多数载流子导电，故称单极型器件。它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳定。和抗辐射能力强，工作较稳定。和抗辐射能力强，工作较稳定。和抗辐射能力强，工作较稳定。 l l 制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小制造工艺比较简单，便
34、于大规模集成，且噪声较小制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小l l 类型较多，使电路设计灵活性增大。类型较多，使电路设计灵活性增大。类型较多，使电路设计灵活性增大。类型较多，使电路设计灵活性增大。场效应管场效应管场效应管场效应管( (FET)FET)是利用输入回路产生的电场效应来控制电流的是利用输入回路产生的电场效应来控制电流的是利用输入回路产生的电场效应来控制电流的是利用输入回路产生的电场效应来控制电流的一种半导体器件。一种半导体器件。一种半导体器件。一种半导体器件。 它与普通晶体管相比有以下重要特点：它与普通晶体管相比有以下重要特点：它与普通晶体管相比有以下重要特点：它与普通晶体管
35、相比有以下重要特点：N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：场效应管场效应管 (FET：field effect transistor)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（栅极（g）、）、漏极（漏极（d），），对对应于晶体管的应于晶体管的e、b、c；
36、有有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1. 结型场效应管结型场效应管导电沟道导电沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图1.4.1 结型场效应管结型场效应管（以（以（以（以N N沟道为例）沟道为例）沟道为例）沟道为例）N沟道管沟道管沟道很宽沟道很宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。可以控制导电沟道的宽度。UGS（off）1. 当当uDS0时，时， uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用一、结型场效应管
37、的工作原理一、结型场效应管的工作原理一、结型场效应管的工作原理一、结型场效应管的工作原理 为使为使N沟道结型场效应管正常工作，应在其栅源之间加负向电沟道结型场效应管正常工作，应在其栅源之间加负向电压（即压（即uGSUGS（off）uGDUGS（off）2. uDS对漏极电流对漏极电流iD的影响（的影响（UGS(off)uGS0）3. uGDUGS(off)时，时，uGS对对iD的控制作用的控制作用uGD增大时，增大时，iD几乎不变，即几乎不变，即iD几乎仅取决于几乎仅取决于uGS，通过改变通过改变uGS来控制来控制iD大小。大小。漏极电流受栅源电压控制，控制能力由漏极电流受栅源电压控制，控制能
38、力由gm（低频跨导）低频跨导）描述。描述。小结：小结：l JFET栅极、沟道之间栅极、沟道之间PN结反向偏置，结反向偏置，iG0，输入电阻很高；输入电阻很高；l 预夹断前，预夹断前，iD与与uGS呈近似线性关系，预夹断后，呈近似线性关系，预夹断后，iD趋于饱和；趋于饱和；l P沟道沟道JFET工作时，其电源极性与工作时，其电源极性与N沟道沟道JFET相反；相反；l JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受uGS控制，控制能力由控制，控制能力由gm描述。描述。夹断电压夹断电压漏极饱漏极饱和电流和电流场效应管工作在恒流区场效应管工作在恒流区:（UGS（off） uGS 0）二、结型
39、场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性曲线转移特性曲线g-s电压控制电压控制d-s等效电阻等效电阻预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决定于几乎仅决定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：2. 输出特性曲线输出特性曲线uGS增大到一定值时（开启电压增大到一定值时（开启电压UGS(th)），），反型层（导电沟道）反型层（导电沟道）将变厚变长，将
40、两个将变厚变长，将两个N区相接，形成导电沟道。区相接，形成导电沟道。一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS管管SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高高掺杂掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。iD随随uDS的的增大而增大而增大，可变电阻区增大，可变电阻区uGDUGS（th）,预夹断预夹断iD几乎仅仅受控几乎仅仅受控于于uGS，恒流区恒流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的的增大几乎全部用于克服增大几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。夹断区对漏极电
41、流的阻力。增强型增强型增强型增强型MOSMOS管管管管u uDSDS对对对对i iD D的影响的影响的影响的影响耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且时均可导通，且与结型场效应管不同，由于与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时时仍保持仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管1) 增强型增强型MOS管管2) 耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压MOSMOS管的特性
42、曲线管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线l 与与N沟道沟道MOSFET相对应，相对应，P沟道增强型沟道增强型MOSFET的漏的漏-源之源之间应加负电压（间应加负电压（开启电压开启电压UGS（th）0 ），），当当uGS0，改变改变uGS可实现对漏极电流可实现对漏极电流iD的控制。的控制。1.4.3 场效应管主要参数场效应管主要参数一、一、 直流参数直流参数（1）开启电压）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使为某一固定值，使iD大于零所需的最大于零所需的最小小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流为规定的微小电流（如（如5）时的时的uGS。
43、 它是它是增强型增强型MOSFET的参数。的参数。（2）夹断电压）夹断电压UGS(off)：实际测试时，实际测试时，uDS为某一固定值，使为某一固定值，使iD等等于一个微小电流（如于一个微小电流（如5A）时的栅源电压时的栅源电压uGS。它是它是JFET和耗和耗尽型尽型MOSFET的参数。的参数。（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS：uGS=0, uGD大于夹断电压大于夹断电压|UGS(off)|时所时所对应的漏极电流。对应的漏极电流。（4）直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般
44、场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的的RGS(DC)大于大于107，而而MOSFET的的RGS(DC)大于大于109 。二、交流参数二、交流参数二、交流参数二、交流参数（1 1） 低频跨导低频跨导低频跨导低频跨导g gmm：管子工作于恒流区且管子工作于恒流区且管子工作于恒流区且管子工作于恒流区且u uDSDS为常数时，为常数时，为常数时，为常数时，i iD D的微的微的微的微变量变量变量变量 i iD D和引起它变化的微变量和引起它变化的微变量和引起它变化的微变量和引起它变化的微变量 u uGSGS之比，即之比，即之比，即之比，即gm反反映映了了栅栅源源电电压压对对漏
45、漏极极电电流流的的控控制制能能力力，gm愈愈大大, 表表示示uGS对对iD的的控控制制能能力力愈愈强强。gm的的单单位位是是S（西西门门子子）或或mS。 通通常情况下它在十分之几至几常情况下它在十分之几至几mS的范围内。的范围内。 （2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。 通常栅通常栅-源间极间电容源间极间电容Cgs和栅和栅-漏间极间电容漏间极间电容Cgd约为约为 13 pF，而漏而漏-源间源间极间电容极间电容Cds约为约为 0.11 pF。 它们是影响高频性能的微变参数，应它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。越小越好。三、三、
46、极限参数极限参数（1）最大漏极电流）最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。（2）击击穿穿电电压压：漏漏源源击击穿穿电电压压U(BR)DS管管子子进进入入恒恒流流区区后后，使使iD急急剧剧上上升升的的uDS值值，超超过过此此值值，管管子子会会烧烧坏坏。栅栅源源击击穿穿电电压压U(BR)GS对对于于JFET，使使栅栅极极与与沟沟道道间间PN结结反反向向击击穿穿的的uGS值值；对于对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。值。（3）最大耗散功率）最大耗散功率PDM：uDS和和iD的乘积，即的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受受管子最高温度的限制，当管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。线上画出临界最大功耗线。 1.4.4 场效应管和晶体管的比较场效应管和晶体管的比较练习练习1. P69 1.23，1.24
