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1、 半导体材料、由半导体构成的半导体材料、由半导体构成的PNPN结、结、二极管结构特性、三极管结构特性及场效二极管结构特性、三极管结构特性及场效应管结构特性。应管结构特性。 本章主要内容：本章主要内容：1 根据导电性质把物质分为根据导电性质把物质分为导体、绝导体、绝缘体、半导体缘体、半导体三大类。三大类。 而半导体又分为而半导体又分为本征半导体、杂质本征半导体、杂质（掺杂）半导体（掺杂）半导体两种。两种。27 .1 半导体（半导体（Semiconductor）导电特性）导电特性半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：它具有不同于其
2、它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。热敏热敏/光敏器件光敏器件二极管二极管3 纯净的、不含杂质的半导体。纯净的、不含杂质的半导体。原子的组成：原子的组成： 带正电的原子核带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：半导体器件的材料： 硅（硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是）：四价元素，硅的原子
3、序数是14，外，外层有层有4个电子个电子。 锗（锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序）：也是四价元素，锗的原子序数是数是32，外层也是，外层也是4个电子个电子。 47 .1 .1 本征半导体本征半导体简化原子结构模型如下：简化原子结构模型如下： 硅和锗的简化原子模型硅和锗的简化原子模型晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键7 .1 .1 本征半导体本征半导体+4惯性核惯性核价电子价电子这种稳定的结构使得本征半导体常温下这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。不能导电，呈现绝缘体性质。5BA空穴空穴
4、自由电子自由电子晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键共价键7 .1 .1 本征半导体本征半导体 但在外界激励下，产但在外界激励下，产生生电子电子空穴对（本征激空穴对（本征激发）发） ，呈现导体的性质。，呈现导体的性质。空穴也可移动（空穴也可移动（邻近电子邻近电子的依次填充的依次填充）。）。空穴能运动吗？空穴能运动吗？空穴是载流子吗？空穴是载流子吗？6 半导体内部存在两种半导体内部存在两种载流子载流子（可导（可导电的自由电荷）：电子（负电荷）、空电的自由电荷）：电子（负电荷）、空穴（正电荷）。穴（正电荷）。 在本征半导体中，在本征半导体中，
5、本征激发本征激发产生了产生了电子电子空穴对空穴对，同时存在电子，同时存在电子空穴对空穴对的的复合复合 。 电子浓度电子浓度 = 空穴浓度空穴浓度 ni = pi7 .1 .1 本征半导体本征半导体7 在本征半导体中掺入少量的其他特定元在本征半导体中掺入少量的其他特定元素（称为杂质）而形成的半导体。素（称为杂质）而形成的半导体。常用的杂质元素常用的杂质元素三价三价的硼、铝、铟、镓的硼、铝、铟、镓五价五价的砷、磷、锑的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型型半导体和
6、半导体和P型型半导体。半导体。87 .1 .2 杂质半导体杂质半导体N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键l掺入五价原子掺入五价原子l掺入五价掺入五价原子占据原子占据Si原子位置原子位置5在 室 温 下在 室 温 下就可以激发就可以激发成成自由电子自由电子 N型半导体型半导体（电子型半导体）（电子型半导体） 7 .1 .2 杂质半导体杂质半导体9 N型半导体型半导体（电子型半导体）（电子型半导体） l 杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。空穴对。l 自由电子的数目高，故导电能力显著提高。自由
7、电子的数目高，故导电能力显著提高。l N N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子（简称少子）。少数载流子（简称少子）。( (n n p p ) )l N N型半导体主要靠电子导电。型半导体主要靠电子导电。7 .1 .2 杂质半导体杂质半导体10 P型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体） 空位空位A图图 P型半导体晶型半导体晶体结构示意图体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键共价键空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子填原子的价电子填充，从
8、而留下一充，从而留下一个空穴。个空穴。 P P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流子（简称少子）。子（简称少子）。 p np n P P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。11 杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。量的多数载流子。杂质半导体的简化表示法杂质半导体的简化表示法: : 7 .1 .2 杂
9、质半导体杂质半导体( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体12 将一块将一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体有机结合在型半导体有机结合在一起，其结合部就叫一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。结（该区域具有特殊性质）。 PN结是构成多种半导体器件的结是构成多种半导体器件的基础基础。二极管的核心是二极管的核心是一个一个PN结结；三极管中包含了；三极管中包含了两个两个PN结结。137.2 PN结（结（ PN Junction ）耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 多子扩散运动多子扩散运动扩散运动形成扩散运动形成空间电荷区空间电荷区电子和空电子和
10、空穴浓度差形成穴浓度差形成多数载流子的多数载流子的扩散运动。扩散运动。耗尽层。耗尽层。PN147.2.1 PN 结的形成结的形成2. 少子漂移少子漂移PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁电位壁垒垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。内 电 场内 电 场有利于少子有利于少子运动运动漂移。漂移。 少子少子的 运 动 与的 运 动 与多 子 运 动多 子 运 动方向相反方向相反 阻挡层阻挡层 7.2.1 PN 结的形成结的形成15空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场3. 扩散与漂
11、移的动态平衡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；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；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当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。PN 7.2.1 PN 结的形成结的形成16PN结结1. 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩
12、散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？限流电阻限流电阻172. 外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )耗尽层耗尽层反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS18反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间
13、电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流于扩散电流，电路中产生反向电流 IS ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。2. 外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )19 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，的正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，小，几乎等于零， PN
14、结处于结处于截止状态截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。20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。点接触型：点接触型：结面积小，结面积小，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面接触型：面接触型：结面积大，结面积大，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平面型：平面型：结面积可大可小结面积可大可小结面积小的工作频率高结面积小的工作频率高结面积大的允许电流大结面积大的允许电流大 结电容小，结电容小，可 用 于 检可 用 于 检波或变频。波或变频。用 于 工 频
15、用 于 工 频大 电 流 整大 电 流 整流电路。流电路。 往往用于集成电往往用于集成电路中，用于高频路中，用于高频整流和开关电路。整流和开关电路。217.3 半导体二极管（半导体二极管（Diode）半导体二极管22 正向电流较大（正向电阻较正向电流较大（正向电阻较小），反向电流较小（反向电阻小），反向电流较小（反向电阻较大）。较大）。反向击穿反向击穿电压电压UBR死区电压，硅管约死区电压，硅管约0.5V,0.5V,锗管约锗管约0.1V0.1V导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.60.8V,0.8V,锗锗管管0.2 0.2 0.4V0.4V。反向饱和漏电流反向饱和漏电流U(V)I(mA)
16、(A)由于击穿区具有由于击穿区具有恒压特性，特殊恒压特性，特殊的稳压二极管工的稳压二极管工作在击穿区。作在击穿区。237.3.1 7.3.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性) 1e (STUUIIIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度电压当量，：温度电压当量，在常温在常温( (300 K) )下，下，UT 26 mV二极管两端所加电压二极管两端所加电压U与流过的与流过的电流电流 I 的关系为：的关系为：24UI在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。性将下移。二极管的特性对温度很敏感，二极管的特性对温度很敏感，具有负温
17、度系数。具有负温度系数。25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/TUUSeII若正向电压若正向电压UUT，则，则TUUSeII/若反向电压若反向电压|U|UT，则，则SII应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！ 261. 最大整流电流最大整流电流IF 最大正向平均电流最大正向平均电流2. 最大反向工作电压最大反向工作电压URM3. 最大反向电流最大反向电流IRM4. 最高工作频率最高工作频率fM277.3.3 7.3.3 二极管主要参数二极管主要参数击穿电压的一半或击穿电压的一半或2/3加加URM时的反向电流值时的
18、反向电流值7.3.3 7.3.3 二极管主要参数二极管主要参数28从二极管的主要参数中可得出从二极管的主要参数中可得出二极管单二极管单向导电性失败的场合及原因向导电性失败的场合及原因1 1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压）、正向偏压太低。（不足以克服死区电压）2 2、正向电流太大。（会使、正向电流太大。（会使PNPN结温度过高烧结温度过高烧毁）毁）3 3、反向偏压太高。（造成反向击穿）、反向偏压太高。（造成反向击穿）4 4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而、工作频率太高。（使结电容容抗下降而反向不截止）反向不截止）297.3.4 7.3.4 二极管应用二极管应用例例1 1：设二极管的导通
19、电压为：设二极管的导通电压为0.6V0.6V，求，求UO30例例2 2：设二极管的导通电压忽略，已知：设二极管的导通电压忽略，已知ui=Asint(V)，画出画出uO的波形。的波形。31例例3 3：设二极管的导通电压忽略，已知：设二极管的导通电压忽略，已知ui=10sint(V)，E=5V，画画uo的波形的波形。32例例4 4：电路如下图，已知：电路如下图，已知v=10sin t (V V)，E=5V=5V，试画出，试画出vo的波形。的波形。33例例5 5：UA=3V, UB=0V，求，求UF (二极管的导二极管的导通电压忽略通电压忽略)用万用表检测二极管的好坏及极性用万用表检测二极管的好坏及
20、极性34数字万用表欧姆档，红表笔对应于表内数字万用表欧姆档，红表笔对应于表内电池的正极，而黑表笔对应于表内电池电池的正极，而黑表笔对应于表内电池的负极。的负极。二极管正偏时导通，呈现的电阻阻值较二极管正偏时导通，呈现的电阻阻值较小。小。二极管反偏时截止，呈现的电阻阻值较二极管反偏时截止，呈现的电阻阻值较大。大。VIIZIZmax UZ IZ曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrr rz z越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，
21、反向电压应大于稳压电压。在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。357.4 特殊二极管特殊二极管稳压二极管稳压二极管（3 3）稳定电流）稳定电流I IZ Z ，最大稳定电流，最大稳定电流I IZMZM（4 4）最大耗散功率）最大耗散功率ZMZZIUP （1 1）稳定电压）稳定电压 U UZ Z（2 2）动态电阻）动态电阻ZZIUZr7.4 特殊二极管特殊二极管稳压二极管稳压二极管36稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数稳压管的应用电路稳压管的应用电路RUzDzI+-U+-稳压管电路稳压管电路7.4 特殊二极管特殊二极管稳压二极管稳压二极管，稳压管未击穿，电路不通。，稳压管未击穿，电路不通
22、。，稳压管击穿，稳压管击穿RUUIZn必须适当选择必须适当选择R值，使得值，使得IZIIZM。nR称为限流电阻。称为限流电阻。 37UUZ时时 为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时必须为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时必须在电路中串联电阻如图所示。在电路中串联电阻如图所示。UoiZDZRiLiUiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数: : k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为I Iz zmax max mA25maxLZzRUIi10252 . 1RUiRUzi方程方程1 1要求当
23、输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生 20%20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。求：电阻求：电阻R R和输入电压和输入电压 U Ui i 的正常值。的正常值。令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为I Iz zmin min 。mA10minLZzRUIi10108 . 0RUiRUzi方程方程2 2联立方程联立方程1 1、2 2，可得：，可得：k5 . 0,V75.18RUi38稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例例例1：39电路如图，求流过稳压管的电流电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是是否合适？否合适？例例2
24、2：40电路如图，电路如图，IZmax=50mA，R=0.15K, , UI =24V, IZ=5mA, , UZ=12V，问当，问当 RL = 0.2K 时，电路时，电路能否稳定，为什么？当能否稳定，为什么？当 RL = 0.8K 时，电路能时，电路能否稳定，为什么？否稳定，为什么？例例3 3：41电路如图，电路如图，VI =12V ，UZ=6V ，R=0.15K ，IZ=5mA，IZMAX=30mA, ,问保证电路正常工作时问保证电路正常工作时RL 的取值范围。的取值范围。例例4 4：42已知已知u=10sin( t)V , ,UZ= +6V, , IZ=10mA ， Izmax=30mA
25、, , 画出画出uo的波形，并求限流电阻的波形，并求限流电阻R R的最的最小值。小值。例例5 5：本次课程小结本次课程小结作业：作业：P206：7.1，7.3 ， 7.4 ，7.5， 7.6 ，7.843本征半导体、热（本征）激发。本征半导体、热（本征）激发。掺杂半导体、多子和少子。掺杂半导体、多子和少子。PNPN结的形成。结的形成。PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。二极管的结构和伏安特性。二极管的结构和伏安特性。二极管的主要参数。二极管的主要参数。二极管的应用。二极管的应用。稳压二极管的伏安特性。稳压二极管的伏安特性。稳压二极管的主要参数。稳压二极管的主要参数。稳压二极管的应用。稳压二
26、极管的应用。半导体半导体PN结结二极管二极管稳压二极管稳压二极管1. 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN限流电阻限流电阻442. 外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )耗尽层耗尽层反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电
27、场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS4546又称双极晶体管、晶体三极管，或简称晶体管。又称双极晶体管、晶体三极管，或简称晶体管。7.5 三极管（三极管（Transistor） 由三块半导体构由三块半导体构成，分为成，分为NPNNPN型和型和PNPPNP型两种。三极管含有型两种。三极管含有3 3极、极、2 2结、结、3 3区。其区。其中发射区高掺杂，基中发射区高掺杂，基区较薄且低掺杂，集区较薄且低掺杂，集电区一般掺杂。电区一般掺杂。 47三极管在结构上的两个特点：三极管在结构上的两个特点： (1)掺杂浓度掺杂浓度：发射区：发射区集电区集电区基区；基区； (2)基区基区必须必须很薄很薄。7
28、.57.5.1 .1 三极管结构及符号三极管结构及符号 下面以共发射极下面以共发射极NPNNPN管为例分析三极管内部载管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。 为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必须保证且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、三极管的发射结正偏、集电结反偏集电结反偏 。487.5.2 7.5.2 三极管的电流放大特性三极管的电流放大特性becRcRbI EIB1
29、. 发射结加正向电压，扩散运发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流动形成发射极电流IE 发射区的电子越过发射结扩散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到基区，基区的空穴扩散到发射区区形成发射极电流形成发射极电流 IE ( (基区多子基区多子数目较少，空穴电流可忽略数目较少，空穴电流可忽略) )。2. 扩散到基区的自由电子与扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极空穴的复合运动形成基极电流电流IB 电子到达基区，少数与空穴复电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 IB，复合掉的空穴复合掉的空穴由由 VBB 补充补充。 多数电子在基区继续扩散，到多数电子在基
30、区继续扩散，到达集电结的一侧。达集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动49UBE Uon（发射结正偏）（发射结正偏）UCB 0，即，即UCE UBE （集电结反偏）（集电结反偏）放大的条件放大的条件一、晶体管内部载流子的运动一、晶体管内部载流子的运动becI EI BRcRb3.集电结加反向电压，漂移集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流运动形成集电极电流IC 集电结反偏，有利于收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集基区扩散过来的电子而形成集电极电流电极电流 IC。 其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。I C 另外，集电区和基区另外，集电区和基区
31、的少子在外电场的作用下的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成将进行漂移运动而形成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动50beceRcRbICBOIEICIBIEIBEICEIE =IC+IB晶体管内部载流子的运动与外部电流晶体管内部载流子的运动与外部电流51IC=ICE+ICBOIB=IBE-ICBOICE与IBE之比称为电流放大倍数：BCCBOBCBOCBECEIIIIIIIIIE =ICE+IBE二、晶体管的电流分配关系二、晶体管的电流分配关系一一. 输入特性曲线输入特性曲线 IB = f ( UBE) | UCE=常数5
32、2UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE =0.5V为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？7.5.3 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线 为什么为什么UCE较小时较小时IC随随UCE变化很变化很大？为什么进入放大状态曲线几大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？乎是横轴的平行线？IC=f(UCE) IB=const二、输出特性曲线二、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:53IC(mA
33、 )1234UCE(V)369IB=020A40A60A80A100A饱和区饱和区放放大大区区截止区截止区 发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在时，三极管工作在放大区放大区( (处处于放大状态于放大状态) )，有放大作用：，有放大作用：IC =IB 两结均反偏时，三极管工两结均反偏时，三极管工作在作在截止区截止区( (处于截止状态处于截止状态) ) ，无放大作用。无放大作用。IE=IC=ICEO0 发射结正偏、集电结正偏发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在时，三极管工作在饱和区饱和区( (处处于饱和状态于饱和状态) ) ，无放大作用。，无放大作用。IE=IC（较大）（
34、较大） 一、直流参数一、直流参数1.1.共发射极直流电流放大系数：共发射极直流电流放大系数：2. 集集-基反向截止电流：基反向截止电流：ICBO 发射极开路发射极开路3. 集集-射极反向截止电流：射极反向截止电流：ICEO 基极开路基极开路54二、交流参数二、交流参数2. 特征频率特征频率: fT 值下降到值下降到1 1的信号频率的信号频率1. 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数: =IC/IB1. 集电极最大允许耗散功率：集电极最大允许耗散功率： PCM= ICUCE 三、极限参数三、极限参数2. 最大集电极电流最大集电极电流: ICM3.集集-射极反向击穿电压：射极反向击穿电
35、压：U(BR)CEOICEO=（1+ ）ICBO=IC / IB7.5.4 三极管的主要参数越小越好！越小越好！ 由由PCM、 ICM和和U(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。确定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输出特性曲线上的过损耗区和击穿区U (BR) CEOUCE/V55 测量三极管三个电极对地电位如图所示，测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状。试判断三极管的工作状。正偏正偏反偏反偏反偏反偏集电结正偏正偏正偏正偏反偏反偏发射结饱和饱和放大放大截止截止原则：原则：（1）放大区）放大区（2）截
36、止区）截止区（3）饱和区）饱和区56例例1 1： 用数字电压表测得用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态，试判断三极管的工作状态。57例例2 2：某放大电路中某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。三个电极的电流如图所示。 IA-2mA, IB-0.04mA, IC+2.04mA, 试判断管脚、管型。试判断管脚、管型。解：电流判断法。解：电流判断法。电流的正方向。电流的正方向。IE=IB+ ICABC IAIBICC为发射极为发射极B为基极为基极A为集电极。为集电极。管型为管型为NPN管。管。58例例3：591. 分别分析分别分析
37、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判断管子是判断管子是否导通。否导通。临界饱和时的临界饱和时的 BCii饱和时：饱和时：讨论：讨论：场效应管是电压控制元件场效应管是电压控制元件, ,只有多子参与导电，输只有多子参与导电，输入阻抗高，热稳定性好。入阻抗高，热稳定性好。7.6 场效应管场效应管-单极型单极型晶体管晶体管 三极管是电流控制元件
38、，多数载流子和少数载流三极管是电流控制元件，多数载流子和少数载流子子( (热稳定性较差热稳定性较差) )都参与运行，所以被称为双极都参与运行，所以被称为双极型器件。型器件。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N沟道沟道P沟道沟道场效应管场效应管 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管60DSGN符号符号结构结构N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间在漏极和源极之间加上一个正向电压，加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子
39、型半导体中多数载流子电子电子可以导电。可以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。617.6.1结型场效应管结型场效应管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型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS62N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极
40、源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。63一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理1. 当当UDS = 0 时时，UGS 对导电沟道的控制作用。对导电沟道的控制作用。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽层时，耗尽层比
41、较窄，导电沟比较比较窄，导电沟比较宽宽64ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，ID 较大较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS UGS（Off) ， ID 更小。更小。GDSNISIDP+P+VDD注意：当注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )UGD UGS UDS 65GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS 0, UGD = UGS(off), 沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断UGS 0 , UGD uGS(off), 栅漏栅漏夹断，夹断，ID几乎不变几乎
42、不变( (c) )( (d) )66场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG3.当当UGD UGS(off)时时 , UGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在UGD UGSUDS UGS(off)情况下情况下, 即当即当UDS UGS -UGS(off) 对应于不同的对应于不同的UGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的
43、电阻。(2)当当UDS使使UGD UGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当UDS使使UGD UGS(off)时，时， ID几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于UGS ，而与而与UDS 无关。此时，无关。此时，可以把可以把ID近似看成近似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。681. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数DS)(GSDUufiO uGSiDIDSSUGS(off)转移特性转移特性uGS = 0 ，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流
44、饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off) ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSiDVDDVGGDSGV V uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路 mA69为什么必须用转移为什么必须用转移特性描述特性描述uGS对对iD的的控制作用？控制作用？ 二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP转移特性转移特性2. 输出特性曲线输出特性曲线 当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 iD 与与漏源之间电压漏源之间电压 uDS 的关系，即
45、的关系，即 结型场效应管转移特性曲结型场效应管转移特性曲线的近似公式：线的近似公式：常数GS)(DSDUufi)0( )1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi70IDSS/VGS(off)GSDSUUUiD/mAuDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8P U预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。漏极特性漏极特性输出特性输出特性（漏极特性）漏极特性）曲线曲线夹断区夹断区UDSiDVDDVGGDSG
46、V V uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路 mA击穿区击穿区71结型结型P 沟道的特性曲线沟道的特性曲线SGD转移特性曲线转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线输出特性曲线iDUGS= 0V uDS o o栅源加正偏电压，栅源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。72 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增
47、强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。737.6.2 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOS管）管）P型衬底型衬底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSD74PNNGSD1. 结构和电路符号结构和电路符号一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS管管2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多少，改变由这些的多少，改变由这些“感应电荷感应电荷
48、”形成的导电沟道的形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流状况，以控制漏极电流 ID。( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD75( (2) ) 0 UGS UGS(th)( (b) ) UGD = UGS(th)( (c) ) UGD UGS UGS(th)时，对应于不同的时，对应于不同的UGS就有一个确定就有一个确定的的ID 。此时，。此时， 可以把可以把ID近似看成是近似看成是UGS控制的电流源。控制的电流源。77刚出现夹断刚出现夹断UDS的增大几乎全
49、部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻 ( (4) ) UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 ( (UGS UGS(th) ) )导电沟道呈现一个楔导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流形。漏极形成电流 ID 。UGD = UGS UDS b. UDS= UGS UGS(th) ， UGD = UGS(th) 靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UGS(th) ， UGD UGS(th) 由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不
50、变，压基本不变， ID因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UGS(th) P 型衬底型衬底N+N+BGSDUGSUDS夹断区夹断区78用场效应管组成放大电路时应使之工作在用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流管工作在恒流区的条件是什么？区的条件是什么？导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 3. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS 0，产生较，产生较大的漏极电流；大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD
51、/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET811. 分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型( (MOS) )结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS = 0 时，时， iD = 0uGS = 0 时，时， iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型( (耗尽型耗尽型) )827.6.3 场效应管分类及比较场效应
52、管分类及比较2. 特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特性转移特性和和输出特性输出特性描述描述3. 特性特性83种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 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 沟沟道道增增强强型型SGDSGDiDUGS= 0V uDS o oSGDBuGSiDOUT+UGS = UTuDSiD+OiDUGS= 0V uDSOuGSiDUPIDS
53、SOuGSiD /mAUPIDSSO84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种种 类类符符 号号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线绝缘绝缘栅型栅型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 85不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS /ViD /mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS
54、 管管( (耗尽型耗尽型) )2GS(th)GSDOD)1( UuIiIDSS开启电压开启电压UGS(th)夹断电压夹断电压UGS(off)2GS(off)GSDSSD)1(UuIi IDO 是是 uGS = 2UGS(th) 时的时的 iD 值值86一、直流参数一、直流参数1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UGS(off)3. 开启电压开启电压 UGS(th)4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽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。为增强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。为耗尽型
55、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输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。877.6.4场效应管的主要参数场效应管的主要参数二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的的控制作用。控制作用。常数DSGSDmUuig单位：单位：iD 毫安毫安( (mA) )；uGS 伏伏( (V) )；gm 毫西门子毫西门子( (mS) ) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三
56、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。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。一般为几个皮法。88三、极限参数三、极限参数3. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS4. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。为热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 P
57、N 结处于反偏状态，结处于反偏状态，若若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM89电路如图电路如图1所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲线如图的输出特性曲线如图2所所示。试分析示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情况下三种情况下uo分别为多分别为多少伏？少伏？ 图图1图图2分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th) 4V90例：例：解解:(1) ui为为0V ，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹
58、断状态所以所以u0 VDD 15V(2) uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V(3) uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而。因而u0 15- 2.2*5 4V但是，但是， uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS= uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区91从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得:uGS 10V时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻
59、区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)KiuRDdsds3)1013(3所以输出电压为所以输出电压为VVRRRuDDddsds6 . 5092晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型结型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)937.6.5 7.6.5 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温 度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管94
