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1、1第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1半导体物理根底半导体物理根底本章从半导体器件的任务机理出发，简单引见半导体物理根底知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型运用电路，双极型晶体管和场效应管的构造、任务机理、特性和运用电路，重点是掌握器件的特性。 媒媒质质导体：体：对电信号有良好的信号有良好的导通性，如通性，如绝大多数金属，大多数金属，电解液，以及解液，以及电离气体。离气体。绝缘体：体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于阻率介于1081020 m。半半导体体：导电才才干干介介于于导体体和和绝缘体体之
2、之间，如如硅硅(Si)、锗(Ge)和和砷砷化化镓(GaAs)。半导体的导电才干随温度、光照和掺杂等要素发生显著变化，这些特点使它们成为制造半导体元器件的重要资料。2第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1.1本征半导体本征半导体纯真的硅和锗单晶体称为本征半导体。纯真的硅和锗单晶体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。由于整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研讨中硅和锗原子可以用简化模型代表 。3第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理每每个个原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四
3、个个价价电电子子为为相相邻邻原原子子核核所所共共有有，构构成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子是是不不能能导导电电的的束缚电子。束缚电子。 价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自在电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发产生成对的自在电子和空穴，所以本征半导体中自在电子和空穴的数量相等。4第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自在挪动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自在电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。 自在电子和空穴在自在挪
4、动过程中相遇时，自在电子填入空穴，释放出能量，从而消逝一对载流子，这个过程称为复合， 5第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理平衡形状时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自在电子和空穴的浓度 (cm-3) ，实际上 其其中中T为为绝绝对对温温度度(K)；EG0为为T=0K时时的的禁禁带带宽宽度度，硅硅原原子子为为1.21eV，锗锗为为0.78eV；k=8.63 10-5eV/K为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数；A0为为常常数数，硅硅资资料料为为3.87 1016cm-3K-3/2，锗为，锗为1.76 1016cm-3K-3/2。4.1.2N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体
5、本征激发产生的自在电子和空穴的数量相对很少，这阐明本征半导体的导电才干很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电才干，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。 6第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理一、一、N型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入五五价价原原子子，即即构构成成N型型半半导导体体。N型型半半导导体体中中每每掺掺杂杂一一个个杂杂质质元元素素的的原原子子，就就提提供供一一个个自自在在电电子子，从从而而大大量量添添加加了了自自在在电子的浓度一一施主电离电子的浓度一一施主电离多数载
6、流子一一自在电子多数载流子一一自在电子少数载流子一一空穴少数载流子一一空穴但半导体仍坚持电中性但半导体仍坚持电中性 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为 由于 ni 容易遭到温度的影响发生显著变化，所以 pn 也随环境的改动明显变化。 自在电子浓度自在电子浓度杂质浓度杂质浓度7第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、二、P型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入三三价价原原子子，即即构构成成P型型半半导导体体。P型型半半导导体体中中每每掺掺杂杂一一个个杂杂质质元元素素的的原原子子，就就提提供供一
7、一个个空空穴穴，从从而而大大量量添添加加了了空空穴穴的的浓浓度度一一受主电离一一受主电离多数载流子一一空穴多数载流子一一空穴少数载流子一一自在电子少数载流子一一自在电子但半导体仍坚持电中性但半导体仍坚持电中性而自在电子的浓度 np 为环境温度也明显影响 np 的取值。 空穴浓度空穴浓度掺杂浓庹掺杂浓庹8第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.1.3漂移电流和分散电流漂移电流和分散电流半导体中载流子进展定向运动，就会构成半导体中的电流。半导体电流半导体电流半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自在电子会逆着电场漂移电流：在电场的作用下，自在电子会逆着电场方向漂移，而空穴那么顺着电场方向
8、漂移，方向漂移，而空穴那么顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。电场强度。分散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载分散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区分散，从而流子会从高浓度区向低浓度区分散，从而构成分散电流，该电流的大小正比于载流构成分散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。9第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2PN结结经过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P
9、 型半导体，另一边做成 N 型半导体，那么 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会构成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。 4.2.1PN结的构成结的构成多子分散多子分散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移少子漂移动态平衡动态平衡10第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。11第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2.2PN结的单导游电特性结的单导游电特性一、正向偏置的一、正向偏置的PN结结正向偏置正向偏置耗尽区变窄耗尽区变窄分分散散运运
10、动动加加强强，漂移运动减弱漂移运动减弱正向电流正向电流二、反向偏置的二、反向偏置的PN结结反向偏置反向偏置耗尽区变宽耗尽区变宽分分散散运运动动减减弱弱，漂移运动加强漂移运动加强反向电流反向电流12第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理PN 结的单导游电特性：PN 结只需求较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改动。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且根本上不随反向电压而变化。4.2.3PN结的击穿特性结的击穿特性当当PN结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种景象称结上的反向电压足够大时，其中的
11、反向电流会急剧增大，这种景象称为为PN结的击穿。结的击穿。雪雪崩崩击击穿穿：反反偏偏的的PN结结中中，耗耗尽尽区区中中少少子子在在漂漂移移运运动动中中被被电电场场作作功功，动动能能增增大大。当当少少子子的的动动能能足足以以使使其其在在与与价价电电子子碰碰撞撞时时发发生生碰碰撞撞电电离离，把把价价电电子子击击出出共共价价键键，产产生生一一对对自自在在电电子子和和空空穴穴，连连锁锁碰碰撞撞使使得得耗耗尽尽区区内内的的载载流流子子数数量量剧剧增增，引引起起反反向向电电流流急急剧剧增增大大。雪崩击穿出如今轻掺杂的雪崩击穿出如今轻掺杂的PN结中。结中。齐齐纳纳击击穿穿：在在重重掺掺杂杂的的PN结结中中，
12、耗耗尽尽区区较较窄窄，所所以以反反向向电电压压在在其其中中产产生生较较强强的的电电场场。电电场场强强到到能能直直接接将将价价电电子子拉拉出出共共价价键键，发发生生场场致致激激发发，产产生生大大量量的的自自在在电电子子和和空空穴穴，使使得得反反向向电电流流急急剧剧增增大大，这种击穿称为齐纳击穿。这种击穿称为齐纳击穿。PN 结击穿时，只需限制反向电流不要过大，就可以维护 PN 结不受损坏。PN结击穿结击穿13第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.2.4PN结的电容特性结的电容特性PN 结可以存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这阐明 PN 结具有电容效应。 一、势垒电容一、
13、势垒电容 CT0为为 u = 0 时的时的 CT，与，与 PN 结的构造和掺杂浓度等要素结的构造和掺杂浓度等要素有关；有关；UB为内建电位差；为内建电位差；n 为变容指数，取值普通在为变容指数，取值普通在 1 / 3 6 之间。当反向电压之间。当反向电压 u 绝对值增大时，绝对值增大时，CT 将减小。将减小。 14第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、分散电容二、分散电容 PN 结的结电容为势垒电容和分散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都随外加电压的变化而改动，所以都是非线性电容。当 PN 结正偏时，CD 远大于 CT ，即 Cj CD ；反偏的 PN 结
14、中，CT 远大于 CD，那么 Cj CT 。15第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.3晶体二极管晶体二极管二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。 4.3.1二极管的伏安特性一一二极管的伏安特性一一指数特性指数特性IS 为反向反向饱和和电流，流，q 为电子子电量量 (1.60 10- 19C) ；UT = kT/q，称，称为热电压，在室温，在室温 27 即即 300 K 时，UT = 26 mV。 一、二极管的导通，截止和击穿一、二极管的导通，截止和击穿当当uD0且超越特定值且超越特定值UD(on)时，时，iD变得明显，此时以为二变得明显，此时以为二极管导通，极管导
15、通，UD(on)称为导通电压称为导通电压(死区电压死区电压)；uD 0.7 0.7 V V时时，D D处处于于导导通通形形状状，等等效效成成短短路路，所所以以输输出出电电压压uo uo = = ui ui - - 0.70.7；当当ui ui 0 0时时，D1D1和和D2D2上上加加的的是是正正向向电电压压，处处于于导导通通形形状状，而而D3D3和和D4D4上上加加的的是是反反向向电电压压，处处于于截截止止形形状状。输输出出电电压压uouo的的正正极极与与uiui的的正正极极经经过过D1D1相相连连，它它们们的的负负极极经经过过D2D2相相连连，所所以以uo uo = = uiui；当当ui
16、ui 0 0时时，二二极极管管D1D1截截止止，D2D2导导通通，电电路路等等效效为为图图 (b) (b) 所所示示的的反反相相比比例例放放大大器器，uo uo = = - - (R2 (R2 / / R1)uiR1)ui；当当ui ui ui 0 0时时，uo1 = - uiuo1 = - ui，uo = uiuo = ui；当；当ui 0ui 2.7 2.7 V V时时，D D导导通通，所所以以uo uo = = 2.7 2.7 V V；当当ui ui 2.7 2.7 V V时时，D D截截止止，其其支支路路等等效效为为开开路路，uo uo = = uiui。于于是是可可以以根根据据uiu
17、i的的波波形形得得到到uouo的的波波形形，如如图图 (c) (c) 所所示示，该该电电路路把把uiui超超出出2.7 2.7 V V的的部部分分削削去去后后进进展展输输出出，是是上上限幅电路。限幅电路。 32第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.3.74.3.7二极管限幅二极管限幅电电路如路如图图 (a) (a) 所示，其中二极管所示，其中二极管D1D1和和D2D2的的导导通通电压电压UD(on) = 0.3 VUD(on) = 0.3 V，交流，交流电电阻阻rD rD 0 0。输输入入电压电压uiui的波形在的波形在图图 (b) (b) 中中给给出，作出出，作出输输出出电
18、压电压uouo的波形。的波形。 33第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理解解：D1D1处处于于导导通通与与截截止止之之间间的的临临界界形形状状时时，其其支支路路两两端端电电压压为为 - - E E - - UD(on) UD(on) = = - - 2.3 2.3 V V。当当ui ui - - 2.3 2.3 V V时时，D1D1截截止止，支支路路等等效效为为开开路路，uo uo = = uiui。所所以以D1D1实实现现了了下下限限幅幅；D2D2处处于于临临界界形形状状时时，其其支支路路两两端端电电压压为为 E E + + UD(on) UD(on) = = 2.3 2.3 V
19、 V。当当ui ui 2.3 2.3 V V时时，D2D2导导通通，uo uo = = 2.3 2.3 V V；当当ui ui 2.3 2.3 V V时时，D2D2截截止止，支支路路等等效效为为开开路路，uo uo = = uiui。所所以以D2D2实实现现了了上上限限幅幅。综综合合uouo的的波波形形如如图图 (c) (c) 所所示示，该该电电路路把把uiui超超出出 2.3 2.3 V V的的部部分分削削去去后后进展输出，完成双向限幅。进展输出，完成双向限幅。 34第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理限限幅幅电电路路的的根根本本用用途途是是控控制制输输入入电电压压不不超超越越允
20、允许许范范围围，以以维维护护后后级级电电路路的的平平安安任任务务。设设二二极极管管的的导导通通电电压压UD(on)=0.7V，在在图图中中，当当-0.7Vui0.7V时时，D1导导通通，D2截截止止，R1、D1和和R2构构成成回回路路，对对ui分分压压，集集成成运运放放输输入入端端的的电电压压被被限限制制在在UD(on)=0.7V；当当ui-0.7V时时，D1截截止止，D2导导通通，R1、D2和和R2构构成成回回路路，对对uiui分分压压，集集成成运运放放输输入入端端的的电电压压被被限限制制在在 - - UD(on) UD(on) = = - - 0.7 0.7 V V。该该电电路路把把uiu
21、i限限幅幅到到 0.7 0.7 V V到到 - - 0.7 V0.7 V之之间间，维护维护集成运放。集成运放。35第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理 图图中中，当当 - - 0.7 0.7 V V ui ui 5.7 5.7 V V时时，D1D1导导通通，D2D2截截止止，A A / / D D的的输输入入电电压压被被限限制制在在5.7 5.7 V V；当当ui ui - - 0.7 0.7 V V时时，D1D1截截止止，D2D2导导通通，A A / / D D的的输输入入电电压压被被限限制制在在 - - 0.7 0.7 V V。该该电电路路对对uiui的限幅范的限幅范围围是是
22、- 0.7 V - 0.7 V到到 5.7 V 5.7 V。36第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.3.84.3.8稳压稳压二极管限幅二极管限幅电电路如路如图图 (a) (a) 所示，其中所示，其中稳压稳压二二极管极管DZ1DZ1和和DZ2DZ2的的稳稳定定电压电压UZ = 5 VUZ = 5 V，导导通通电压电压UD(on) UD(on) 近似近似为为零。零。输输入入电压电压uiui的波形在的波形在图图 (b) (b) 中中给给出，作出出，作出输输出出电压电压uouo的的波形。波形。 37第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理解解：当当 | | ui ui |
23、| 1 1 V V时时，DZ1DZ1和和DZ2DZ2一一个个导导通通，另另一一个个击击穿穿，此此时时反反响响电电流流主主要要流流过过稳稳压压二二极极管管支支路路，uouo稳稳定定在在 5 5 V V。由由此此得得到到图图 (c) (c) 所所示示的的uouo波形。波形。 38第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压迟滞比较器，输出电源电压UCC或或-UEE，R3隔离输出的电隔离输出的电源电压与稳压二极管源电压与稳压二极管DZ1和和DZ2限幅后的电压。依然以为限幅后的电
24、压。依然以为DZ1和和DZ2的稳定电压为的稳定电压为UZ，而导通电压，而导通电压UD(on)近似为零。近似为零。经过限幅，输出电压经过限幅，输出电压uo可以是高电压可以是高电压UOH=UZ或低电压或低电压UOL=-UZ。39第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、电平选择电路三、电平选择电路 例例4.3.94.3.9图图 (a) (a) 给给出了一个二极出了一个二极管管电电平平选择电选择电路，其中二极管路，其中二极管D1D1和和D2D2为为理想二极管，理想二极管，输输入信入信号号ui1ui1和和ui2ui2的幅度均小于的幅度均小于电电源源电压电压E E，波形如，波形如图图 (b)
25、(b) 所示。所示。分析分析电电路的任路的任务务原理，并作出原理，并作出输输出信号出信号uouo的波形。的波形。 40第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理解解：由由于于ui1ui1和和ui2ui2均均小小于于E E，所所以以D1D1和和D2D2至至少少有有一一个个处于于导通通形形状状。无无妨妨假假设ui1 ui1 ui2ui2时，D2D2导通通，D1D1截截止止，uo uo = = ui2ui2；只只需需当当ui1 ui1 = = ui2ui2时，D1D1和和D2D2才才同同时导通通，uo uo = = ui1 ui1 = = ui2ui2。uouo的的波波形形如如图 (b) (b
26、) 所所示示。该电路路完完成成低低电平平选择功功能能，当当高高、低低电平平分分别代代表表逻辑1 1和和逻辑0 0时，就就实现了了逻辑“与运算。与运算。 41第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理四、峰值检波电路四、峰值检波电路 例例4.3.104.3.10分析分析图图示峰示峰值检值检波波电电路的任路的任务务原理。原理。 解解：电电路路中中集集成成运运放放A2A2起起电电压压跟跟随随器器作作用用。当当ui ui uouo时时，uo1 uo1 0 0，二二极极管管D D导导通通，uo1uo1对对电电容容C C充充电电，此此时时集集成成运运放放A1A1也也成成为为跟跟随随器器，uo uo
27、= = uC uC uiui，即即uouo随随着着uiui增增大大；当当ui ui uouo时时，uo1 uo1 0 0，D D截截止止，C C不不放放电电，uo uo = = uCuC坚坚持持不不变变，此此时时A1A1是是电电压压比比较较器器。波波形形如如图图 (b) (b) 所所示示。电电路路中中场场效效应应管管V V用用作作复复位位开开关关，当当复位信号复位信号uGuG到来时直接对到来时直接对C C放电，重新进展峰值检波。放电，重新进展峰值检波。 42第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4双极型晶体管双极型晶体管NPN型晶体管型晶体管PNP型晶体管型晶体管晶晶体体管管的的
28、物物理理构构造造有有如如下下特特点点：发发射射区区相相对对基基区区重重掺掺杂杂；基基区区很薄，只需零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。很薄，只需零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。 43第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理一、一、发射区向基区注入射区向基区注入电子子电子注入子注入电流流IEN，空穴注入空穴注入电流流IEP二、基区中自在二、基区中自在电子子边分散分散边复合复合基区复合基区复合电流流IBN三、集三、集电区搜集自在区搜集自在电子子搜集搜集电流流ICN反向反向饱和和电流流ICBO4.4.1晶体管的任务原理晶体管的任务原理44第四章第四章常用半导体器件原理常用半导
29、体器件原理晶晶体体管管三三个个极极电电流流与与内内部部载载流流子子电电流的关系：流的关系： 45第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理共发射极直流电流放大倍数：共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：换算关系：晶体管的放大才干参数晶体管的放大才干参数 46第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理晶体管的极电流关系晶体管的极电流关系 描画：描画： 描画：描画： 47第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.2晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性一、输出特性一、输出特性 放大区放大区(发射射结正偏，集正偏，集电结反偏反偏)共共
30、发射极交流射极交流电流放大倍数：流放大倍数：共基极交流共基极交流电流放大倍数：流放大倍数：近似关系：近似关系：恒流恒流输出和基出和基调效效应饱和区和区(发射射结正偏，集正偏，集电结正偏正偏)饱和和压降降uCE(sat)截止区截止区(发射射结反偏，集反偏，集电结反偏反偏)极极电流流绝对值很小很小48第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、输入特性二、输入特性 当当uBE大大于于导导通通电电压压UBE(on)时时，晶晶体体管管导导通通，即即处处于于放放大大形形状状或或饱饱和和形形状状。这这两两种种形形状状下下uBE近近似似等等于于UBE(on)，所所以以也也可可以以以以为为UBE(on
31、)是是导导通通的的晶晶体体管管输输入入端端固固定定的的管管压压降降；当当uBE0，所以集所以集电结反偏，假反偏，假设成立，成立，UO=UC=4V;52第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.4.24.4.2晶体管直流偏置晶体管直流偏置电电路如下路如下图图，知晶体管的，知晶体管的UBE(on) = - 0.7 VUBE(on) = - 0.7 V， = 50 = 50。判。判别别晶体管的任晶体管的任务务形状，形状，并并计计算算IBIB、ICIC和和UCEUCE。 UBE(on) = UB - UE=(UCC-IBRB)-IERE=-0.7V=UCC-IBRB-(1+)IBRE得到
32、得到IB=-37.4 A0，所以晶体管所以晶体管处于放大或于放大或饱和形状和形状,IC = IB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V 0，集集电结反偏，所以晶体管反偏，所以晶体管处于放大形状于放大形状IB = - 37.4 A，IC = - 1.87 mA，UCE = UCB + UBE(on) = - 4.44 V。 53第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.4.5晶体管运用电路举例晶体管运用电路举例一、一、对数和反数和反对数运算数运算电路路 晶体管的晶体管的电流方程流方程UO =
33、 - UBE = - UTln(IC / IS)，又又IC=UI/R，所以，所以这样就就实现了了对数运算。数运算。54第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理而而UI=-UBE，从而从而实现了了UO和和UI之之间的反的反对数数(指数指数)运算。运算。UO = ICR = - ISR exp(- UBE / UT)，因此因此55第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二二、 值值丈丈量量电电路路 所以所以 据据此此可可以以根根据据电压表表的的读数数UOUO，结合合预设电压U1U1和和U2U2以以及及电阻阻R1R1和和R2R2计算算 。 IC = (U1 - U2) / R1，IB
34、 = UO / R2，56第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、恒流源电路三、恒流源电路 如如下下图，稳压二二极极管管DZDZ的的稳定定电压UZ UZ = = 6 6 V V。UZUZ经过集集成成运运放放A A传送送到到电阻阻R2R2上上端端，于于是是有有IO IO = = IC IC IE IE = = UZ UZ / / R2 R2 = = 20 mA20 mA。 57第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.5.1结型型场效效应管管4.5场效应管场效应管58第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理2. 任务原理任务原理 vGS对沟道的控制造用沟道的控制造用
35、当当vGS0时以以N沟道沟道JFET为例例 当沟道当沟道夹断断时，对应的的栅源源电压vGS称称为夹断断电压VP 或或VGS(off) 。对于于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏反偏耗尽耗尽层加厚加厚沟道沟道变窄。窄。 vGS继续减小，沟减小，沟道道继续变窄。窄。59第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理2. 任务原理任务原理以以N沟道沟道JFET为例为例 vDS对沟道的控制造用沟道的控制造用当当vGS=0时，vDS ID G、D间PN结的反向的反向电压添加，使接近漏极添加，使接近漏极处的耗尽的耗尽层加加宽，沟道，沟道变窄，从上至下呈楔形窄，从上至下呈楔形分布。分布。 当当v
36、DS添加到使添加到使vGD=VP 时，在，在紧靠漏靠漏极极处出出现预夹断。断。此此时vDS 夹断区延伸断区延伸沟道沟道电阻阻ID根本不根本不变60第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理2. 任务原理任务原理以以N沟道沟道JFET为例为例 vGS和和vDS同同时作用作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易沟道更容易夹断，断，对于同于同样的的vDS ， ID的的值比比vGS=0时的的值要小。要小。在在预夹断断处vGD=vGS-vDS =VP 61第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理综上分析可知综上分析可知 沟道中只需一种沟道中只需一种类型的多数型的多数载流子参与流子参与导
37、电， 所以所以场效效应管也称管也称为单极型三极管。极型三极管。JFETJFET是是电压控制控制电流器件，流器件，iDiD受受vGSvGS控制。控制。预夹断前断前iDiD与与vDSvDS呈近似呈近似线性关系；性关系；预夹断后，断后， iDiD趋于于饱和。和。# #为为什么什么什么什么JFETJFET的的的的输输入入入入电电阻比阻比阻比阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？ JFET JFET栅极与沟道极与沟道间的的PNPN结是反向偏置的，因是反向偏置的，因 此此iGiG0 0，输入入电阻很高。阻很高。62第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、输出特性二、输出特性恒流区恒流
38、区(UPuGS0且且uGDuGS-UP)uGS和和iD为平平方方率率关关系系。预夹断断导致致uDS对iD的控制才干很弱。的控制才干很弱。可可变电阻区阻区(UPUP即即uDSuGS-UP)uDS的的变化明化明显改改动iD的大小。的大小。截止区截止区(uGSUP)iD=063第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、转移特性三、转移特性预夹断预夹断64第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.5.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管记记为为MOSFETMOSFET，根根据据构构造造上上能能否否存存在在原原始始导导电沟道，电沟道，MOSFETMOSFET又分
39、为加强型又分为加强型MOSFETMOSFET和耗尽型和耗尽型MOSFETMOSFET。 65第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.1 N沟道加强型沟道加强型MOSFET2. 任务原理任务原理1vGS对沟道的控制造用沟道的控制造用当当vGS0vGS0时 无无导电沟道，沟道， d、s间加加电压时，也，也无无电流流产生。生。当当0vGS VT 0vGS VT vGS VT 时 在在电场作用下作用下产生生导电沟道，沟道，d、s间加加电压后，将有后，将有电流流产生。生。 vGS越大，越大，导电沟道越厚沟道越厚VT VT VT VT 称称称称为为开启开启开启开启电压电压66第四章第四章常
40、用半导体器件原理常用半导体器件原理2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用接近漏极d处的电位升高电场强度减小 沟道变薄当当vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布整个沟道呈楔形分布67第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理当当vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 时，时，vDS ID沟道电位梯度 当当vDSvDS添加到使添加到使vGD=VT vGD=VT 时，在在紧靠漏极靠漏极处出出现预夹断。断。2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用在在预夹断断处：vGD=vGS-vDS =V
41、TvGD=vGS-vDS =VT68第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理预夹断后，断后，vDSvDS夹断区延伸沟道电阻 ID根本不变2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用69第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理2. 任务原理任务原理3 vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDS vDS一定，一定，vGSvGS变化化时 给定一个定一个vGS vGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD vDS iD vDS 曲曲线。70第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1输出特性及大信
42、号特性方程输出特性及大信号特性方程截止区截止区当当vGSVT时，导电沟沟道道尚尚未未构构成成，iD0，为截截止止任任务形状。形状。71第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1输出特性及大信号特性方程输出特性及大信号特性方程可可变电阻区阻区vGSVT且且vDSvGSVT由于由于vDS较小，可近似小，可近似为rdso是一个受是一个受vGS控制的可控制的可变电阻阻 72第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1输出特性及大信号特性方程输出特性及大信号特性方程可
43、可变电阻区阻区 n n ：反型：反型层中中电子迁移率子迁移率Cox Cox ：栅极极与与衬底底间氧氧化化层单位面位面积电容容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数，常数，单位：位：mA/V273第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1输出特性及大信号特性方程输出特性及大信号特性方程 饱和区和区恒流区又称放大区恒流区又称放大区vGS VT ，且，且vDSvGSVT是是vGSvGS2VT2VT时的时的iD iD V-I V-I 特性：特性：74第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理3. V-I 特性曲线及大信
44、号特性方程特性曲线及大信号特性方程2转移特性转移特性75第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 构造和任务原理构造和任务原理N沟道沟道二氧化硅二氧化硅绝缘层中中掺有大量的正离子有大量的正离子 可以在正或可以在正或负的的栅源源电压下任下任务，而且根本上无，而且根本上无栅流流76第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 N N沟道加强型沟道加强型77第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.3 P沟道沟道MOS
45、FET78第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实践上践上饱和区的曲和区的曲线并不是平坦的并不是平坦的L的的单位位为m当不思索沟道当不思索沟道调制效制效应时， 0 0，曲，曲线是平坦的。是平坦的。 修正后修正后79第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数NMOSNMOS加加强型型1. 1. 开启开启电压VT VT 加加强型参数型参数2. 2. 夹断断电压VP VP 耗尽型参数耗尽型参数3. 3. 饱和漏和漏电流流IDSS IDSS 耗尽型参数耗尽型参数4. 4. 直
46、流直流输入入电阻阻RGS RGS 1091091015 1015 二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出出电阻阻rds rds 当不思索沟道当不思索沟道调制效制效应时， 0 0，rds rds 80第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数2. 2. 低频互导低频互导gm gm 二、交流参数二、交流参数 思索到思索到 那么那么其中其中81第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1. 1. 最大漏极最大漏极电流流IDM IDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散
47、功率PDM PDM 3. 3. 最大漏源最大漏源电压V VBRBRDS DS 4. 4. 最大最大栅源源电压V VBRBRGS GS 82第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理 n为导电沟道中自在电子运动的迁移率；为导电沟道中自在电子运动的迁移率；Cox为单位面积的栅极电容；为单位面积的栅极电容；W 和和 L分别为导电沟道的宽度和长度，分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。为宽长比。83第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET84第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理4.5.3各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比各
48、种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比电路符号电路符号 特性曲线特性曲线85第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理例例4.5.14.5.1判判别图别图中中场场效效应应管的任管的任务务形状。形状。 =IDSS，UDS=UDD-IDRD=6(V)-UGS(off)，所所以以该场效效应管管任任务在在恒恒流流区区。图(b)中中是是P沟沟道道加加强型型MOSFET，UGS=-5(V)(UGS-UGS(th)，所所以以该场效效应管任管任务在可在可变电阻区。阻区。解解：图 ( (a a) ) 中中 是是 N N沟沟 道道 J JF FE ET T，U UG GS S = = 0 0 U UG
49、GS S( (o of ff f) ) ，所所以以该场效效应管管任任务在在恒恒流流区区或或可可变电阻阻区区，且且I ID D86第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理一、方波，锯齿波发生器一、方波，锯齿波发生器 4.5.5场效应管运用电路举例场效应管运用电路举例集集成成运运放放A1A1构构成成弛弛张振振荡器器，A2A2构构成成反反相相积分分器器。振振荡器器输出出的的方方波波uo1uo1经过二二极极管管D D和和电阻阻R5R5限限幅幅后后，得得到到uo2uo2，控控制制JFETJFET开开关关V V的的形形状状。当当uo1uo1为低低电平平常常，V V翻翻开开，电源源电压E E经过R6
50、R6对电容容C2C2充充电，输出出电压uouo随随时间线性性上上升升；当当uo1uo1为高高电平平常常，V V闭合，合，C2C2经过V V放放电，uouo瞬瞬间减小到零。减小到零。 87第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理二、取样坚持电路二、取样坚持电路 A1A1和和A2A2都都构构成成跟跟随随器器，起起传送送电压，隔隔离离电流流的的作作用用。取取样脉脉冲冲uSuS控控制制JFETJFET开开关关V V的的形形状状。当当取取样脉脉冲冲到到来来时，V V闭合合。此此时，假假设uo1 uo1 uCuC那那么么电容容C C被被充充电，uCuC很很快快上上升升；假假设uo1 uo1 uCu
51、C那那么么C C放放电，uCuC迅迅速速下下降降，这使使得得uC uC = = uo1uo1，而而uo1 uo1 = = uiui，uo uo = = uC uC ，所所以以uo uo = = uiui。当当取取样脉脉冲冲过去去时，V V翻翻开开，uCuC不不变，那那么么uouo坚持取持取样脉冲最后瞬脉冲最后瞬间的的uiui值。 88第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理三、相敏检波电路三、相敏检波电路 因此前级放大器称为符号电路。因此前级放大器称为符号电路。场效管截止场效管截止场效管导通场效管导通89第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理集集成成运运放放A2A2构构成成低
52、低通通滤滤波波器器，取取出出uo1uo1的的直直流流分分量量，即即时时间间平平均均值值uouo。uGuG和和uiui同同频频时时，uouo取取决决于于uGuG和和uiui的的相相位位差差，所所以以该该电电路称为相敏检波电路。路称为相敏检波电路。 90第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理NPN晶体管晶体管结型场效应管结型场效应管JEFT加强型加强型NMOSEFT指数关系指数关系平方律关系平方律关系91第四章第四章常用半导体器件原理常用半导体器件原理场效应管和晶体管的主要区别包括：场效应管和晶体管的主要区别包括：晶晶体体管管处处于于放放大大形形状状或或饱饱和和形形状状时时，存存在在一一
53、定定的的基基极极电电流流，输输入入电电阻阻较较小小。场场效效应应管管中中，JFET的的输输入入端端PN结结反反偏偏，MOSFET那那么么用用SiO2绝绝缘缘体体隔隔离离了了栅栅极极和和导导电电沟沟道道，所所以以场场效效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。应管的栅极电流很小，输入电阻极大。晶晶体体管管中中自自在在电电子子和和空空穴穴同同时时参参与与导导电电，主主要要导导电电依依托托基基区区中中非非平平衡衡少少子子的的分分散散运运动动，所所以以导导电电才才干干容容易易受受外外界界要要素素如如温温度度的的影影响响。场场效效应应管管只只依依托托自自在在电电子子和和空空穴穴之之一一在在导导电电沟沟道道中中作作漂漂移运动实现导电，导电才干不易受环境的干扰。移运动实现导电，导电才干不易受环境的干扰。场场效效应应管管的的源源极极和和漏漏极极构构造造对对称称，可可以以互互换换运运用用。晶晶体体管管虽虽然然发发射射区区和和集集电电区区是是同同型型的的杂杂质质半半导导体体，但但由由于于制制造造工工艺艺不不同同，二者不能互换运用。二者不能互换运用。
