第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、第一章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本章主要內(nèi)容本章重點講述半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)原理、外特性、主要參數(shù)及其物理意義，工作狀態(tài)或工作區(qū)的分析。首先介紹構(gòu)成PN結(jié)的半導(dǎo)體材料、PN結(jié)的形成及其特點。其后介紹二極管、穩(wěn)壓管的伏安特性、電路模型和主要參數(shù)以及應(yīng)用舉例。然后介紹兩種三極管（BJT和FET）的結(jié)構(gòu)原理、伏安特性、主要參數(shù)以及工作區(qū)的判斷分析方法。本章學(xué)時分配本章分為4講，每講2學(xué)時。第一講 常用半導(dǎo)體器件一、主要內(nèi)容1、半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性能根據(jù)物體的導(dǎo)電能力的不同，電工材料可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體可以定義為導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電工材料，半導(dǎo)體的電阻率為10-310-9 W·

2、cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同的條件下有很大的差別：當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化；往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些特定的雜質(zhì)元素時，會使它的導(dǎo)電能力具有可控性；這些特殊的性質(zhì)決定了半導(dǎo)體可以制成各種器件。2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能本征半導(dǎo)體是純凈的、沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”，它在物理結(jié)構(gòu)上為共價鍵、呈單晶體形態(tài)。在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。3、半導(dǎo)體的本征激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0 K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或

3、受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。在一定溫度下本征激發(fā)和復(fù)合會達到動態(tài)平衡，此時，載流子濃度一定，且自由電子數(shù)和空穴數(shù)相等。4、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，因此，在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種承載電流的粒子（即載流子），這是半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)。空穴導(dǎo)電的實質(zhì)是:相鄰原子中的價電子（共價鍵中的束縛電子）依次填補空穴而形成電流。由于電子帶負電，而電

4、子的運動與空穴的運動方向相反，因此認為空穴帶正電。5、雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體器件的基本材料。在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素（如磷），就形成N型（電子型）半導(dǎo)體；摻入三價元素（如硼、鎵、銦等）就形成P型（空穴型）半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與其摻雜濃度和溫度有關(guān)，摻雜濃度越大、溫度越高，其導(dǎo)電能力越強。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。多子（自由電子）的數(shù)量正離子數(shù)少子（空穴）的數(shù)量在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。多子（空穴）的數(shù)量負離子數(shù)少子（自由電子）的數(shù)量6、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體中的載流子有兩種有序運動

5、：載流子在濃度差作用下的擴散運動和電場作用下的漂移運動。同一塊半導(dǎo)體單晶上形成P型和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處，當(dāng)多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)（亦稱為耗盡層或勢壘區(qū)）的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結(jié)就形成了。當(dāng)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時，稱為加正向電壓（或稱為正向偏置），此時，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)低電阻，流過mA級電流，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位時，稱為加反向電壓（或稱為反向偏置），此時，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高電阻，流過A級電流，相當(dāng)于開關(guān)斷開。PN結(jié)是半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)單元，其基本特性是單向?qū)щ娦裕杭串?dāng)外加電壓極性不同時，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能。PN結(jié)加正

6、向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。這正是PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘木唧w表現(xiàn)。7、PN結(jié)伏安特性PN結(jié)伏安特性方程：式中：Is為反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，當(dāng)T300K時，26mV當(dāng)u0且u >>時，伏安特性呈非線性指數(shù)規(guī)律 ；當(dāng)u0且u>>時，電流基本與u無關(guān)；由此亦可說明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦阅?。PN結(jié)的反向擊穿特性：當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時，反向電流隨電壓數(shù)值的增加而急劇增大。PN結(jié)的反向擊穿有兩類：齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發(fā)生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成PN結(jié)的永久性損壞。8

7、、PN結(jié)溫度特性當(dāng)溫度升高時，PN結(jié)的反向電流增大，正向?qū)妷簻p小。這也是半導(dǎo)體器件熱穩(wěn)定性差的主要原因。9、PN結(jié)電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定:一是勢壘電容CB ，二是擴散電容CD，它們均為非線性電容。勢壘電容是耗盡層變化所等效的電容。勢壘電容與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓等因素有關(guān)。擴散電容是擴散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放所等效的電容。擴散電容與PN結(jié)正向電流和溫度等因素有關(guān)。PN結(jié)電容由勢壘電容和擴散電容組成。PN結(jié)正向偏置時，以擴散電容為主；反向偏置時以勢壘電容為主。只有在信號頻率較高時，才考慮結(jié)電容的作用。二、本講重點1、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?、PN

8、結(jié)的伏安特性；三、本講難點1、 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理:兩種載流子參與導(dǎo)電；2、 摻雜半導(dǎo)體中的多子和少子3、 PN結(jié)的形成；四、教學(xué)組織過程 本講宜教師講授。用多媒體演示半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機理、PN結(jié)的形成過程及其伏安特性等，便于學(xué)生理解和掌握。五、課后習(xí)題見相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。第二講 半導(dǎo)體二極管一、主要內(nèi)容1、半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場合在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分為點接觸型、面接觸型和平面型三大類。點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，常用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管PN結(jié)面積可

9、大可小，PN結(jié)面積大的，主要用于功率整流；結(jié)面積小的可作為數(shù)字脈沖電路中的開關(guān)管。2、二極管的伏安特性以及與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如P7圖1.9所示，處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。1）正向特性：當(dāng)V0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：（1）當(dāng)0VUon時，正向電流為零，Uon稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。（2）當(dāng)VUon時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。2）反向特性：當(dāng)V0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：（1）當(dāng)VBRV0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。（2）當(dāng)

10、VVBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。從擊穿的機理上看，硅二極管若|VBR|7 V時，主要是雪崩擊穿；若VBR4 V則主要是齊納擊穿，當(dāng)在4 V7 V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點。3）二極管的伏安特性與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別：二極管的基本特性就是PN結(jié)的特性。與理想PN結(jié)不同的是，正向特性上二極管存在一個開啟電壓Uon。一般，硅二極管的Uon=0.5 V左右，鍺二極管的Uon=0.1 V左右；二極管的反向飽和電流比PN結(jié)大。3、溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，硅二極管溫度每增加8，反向電流將約增加一倍；鍺

11、二極管溫度每增加12，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1，正向壓降UD大約減小2mV，即具有負的溫度系數(shù)。4、二極管的等效電路（或稱為等效模型）1）理想模型：即正向偏置時管壓降為0，導(dǎo)通電阻為0；反向偏置時，電流為0，電阻為。適用于信號電壓遠大于二極管壓降時的近似分析。2）簡化電路模型：是根據(jù)二極管伏安特性曲線近似建立的模型，它用兩段直線逼近伏安特性，即正向?qū)〞r壓降為一個常量Uon；截止時反向電流為0。3）小信號電路模型：即在微小變化范圍內(nèi)，將二極管近似看成線性器件而將它等效為一個動態(tài)電阻rD 。這種模型僅限于用來計算疊加在直流工作點Q上的微小電壓或電流

12、變化時的響應(yīng)。5、二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流I：二極管長期工作允許通過的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管正向平均電流若超過此值，則會因結(jié)溫過高而燒壞。2）最高反向工作電壓UBR：二極管工作時允許外加的最大反向電壓。若超過此值，則二極管可能因反向擊穿而損壞。一般取UBR值的一半。3）電流IR：二極管未擊穿時的反向電流。對溫度敏感。IR越小，則二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?）最高工作頻率fM：二極管正常工作的上限頻率。若超過此值，會因結(jié)電容的作用而影響其單向?qū)щ娦浴?、穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）及其伏安特性穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管，通過反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的伏安特性與

13、普通二極管類似，其正向特性為指數(shù)曲線；當(dāng)外加反壓的數(shù)值增大到一定程度時則發(fā)生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行于縱軸，當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)時，穩(wěn)壓管表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。7、穩(wěn)壓管等效電路穩(wěn)壓管等效電路由兩條并聯(lián)支路構(gòu)成：加正向電壓以及加反向電壓而未擊穿時，與普通硅管的特性相同；加反向電壓且擊穿后，相當(dāng)于理想二極管、電壓源Uz和動態(tài)電阻rz的串聯(lián)。如P16圖1.18所示。8、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓UZ：規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。2）最大穩(wěn)定工作電流IZMAX 和最小穩(wěn)定工作電流IZMIN：穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin對應(yīng)UZmi

14、n。若IZIZmin，則不能穩(wěn)壓。3）額定功耗PZM：PZM UZ IZMAX ，超過此值，管子會因結(jié)溫升太高而燒壞。4）動態(tài)電阻rZ：rz =DVZ /DIZ，其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡，穩(wěn)壓效果愈好。5）溫度系數(shù)：溫度的變化將使UZ改變，在穩(wěn)壓管中，當(dāng)êUZê7 V時，UZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿；當(dāng)êUZê4 V時，UZ具有負溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿；當(dāng)4 VêVZê7 V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極

15、管可以作為標準穩(wěn)壓管使用。 9、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻有兩個作用：一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；二是當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。如P17圖1.19所示。10、特殊二極管與普通二極管一樣，特殊二極管也具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)擊穿時的特性可制成穩(wěn)壓二極管，利用發(fā)光材料可制成發(fā)光二極管，利用PN結(jié)的光敏特性可制成光電二極管。二、本講重點1、二極管的伏安特性、單向?qū)щ娦约暗刃щ娐罚ㄈ齻€常用模型）；2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理及簡單穩(wěn)壓電路；3、二極管的箝位、限幅和小信號應(yīng)用舉例；三、本講難點1

16、、二極管在電路中導(dǎo)通與否的判斷方法，共陰極或共陽極二極管的優(yōu)先導(dǎo)通問題；2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理；四、教學(xué)組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性以及溫度對二極管特性的影響等，便于學(xué)生理解和掌握。二極管的箝位、限幅和小信號應(yīng)用舉例可以啟發(fā)討論。五、課后習(xí)題見相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。第三講 雙極型晶體管一、主要內(nèi)容1、晶體管的主要類型和應(yīng)用場合雙極型晶體管BJT是通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)接合在一起而構(gòu)成的器件，是放大電路的核心元件，它能控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。BJT常見外形有四種，分別應(yīng)用于小功率、中功率或大功率，高頻或低頻

17、等不同場合。2、BJT具有放大作用的內(nèi)部條件和外部條件1）BJT的內(nèi)部條件為：BJT有三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和基區(qū)）、兩個PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）、三個電極（發(fā)射極、集電極和基極）組成；并且發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，基區(qū)厚度很小。2）BJT放大的外部條件為：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。3、BJT的電流放大作用及電流分配關(guān)系晶體管具有電流放大作用。當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置時，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少子中僅有很少部分與基區(qū)的多子復(fù)合，形成基極電流，而大部分在集電結(jié)外電場作用下形成漂移電流IC，體現(xiàn)出IB對的IC控制作用。此時，可將IC看成電流IB控制的電流源。三個重要的電流分配關(guān)系

18、式：IEIBIC ICIBICEOIBICIEICBOIE4、晶體管的輸入特性和輸出特性晶體管的輸入特性和輸出特性表明各電極之間電流與電壓的關(guān)系?，F(xiàn)以共射電路為例說明。1）共射輸入特性：iBf (uBE)VCE=常數(shù) 。輸入特性曲線分為三個區(qū)：死區(qū)、非線性區(qū)和線性區(qū)。其中vCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當(dāng)vCE1V時，特性曲線將會向右稍微移動一些。但vCE再增加時，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。2）共射輸出特性：iCf (uCE)iB =常數(shù) ，它是以iB為參變量的一族特性曲線。對于其中某一條曲線，當(dāng)vCE=0 V時，iC=0；當(dāng)

19、vCE微微增大時，iC主要由vCE決定；當(dāng)vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，特性曲線進入與vCE軸基本平行的區(qū)域(這與輸入特性曲線隨vCE增大而右移的原因是一致的)。因此，輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域：飽和區(qū)、截止區(qū)和放大區(qū)。3）晶體管工作在三種不同工作區(qū)外部的條件和特點工作狀態(tài)NPN型PNP型特點截止狀態(tài)E結(jié)、C結(jié)均反偏VBVE、VBVCE結(jié)、C結(jié)均反偏VBVE、VBVCIC 0放大狀態(tài)E結(jié)正偏、C結(jié)均反偏VC VB VEE結(jié)正偏、C結(jié)均反偏VC VB VEIC IB飽和狀態(tài)E結(jié)、C結(jié)均正偏VB VE、VB VCE結(jié)、C結(jié)均正偏VB VE、VB VCV CEV CES5、晶體管的主要參數(shù)1

20、）直流參數(shù)(1)共射直流電流放大系數(shù)：=（ICICEO）/IBIC/IB |，在放大區(qū)基本不變。(2)共基直流放大系數(shù)：=（ICICBO）/IEIC/IE顯然與之間有如下關(guān)系： = IC/IE=IB/(1+)IB=/(1+)(3)穿透電流ICEO：ICEO=（1+）ICBO；式中ICBO相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。2）交流參數(shù)(1)共射交流電流放大系數(shù)：b=DIC/DIB½，在放大區(qū)b 值基本不變。(2)共基交流放大系數(shù)：=DIC/DIE½當(dāng)ICBO和ICEO很小時，a、b，可以不加區(qū)分。(3)特征頻率fT ：三極管的b 值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容

21、的影響，當(dāng)信號頻率增加時，三極管的b 將會下降。當(dāng)b下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率。3）極限參數(shù)和三極管的安全工作區(qū)（1）最大集電極電流ICM：當(dāng)集電極電流增加時，b 就要下降，當(dāng)b 值下降到線性放大區(qū)b值的7030時，所對應(yīng)的集電極電流稱為最大集電極電流ICM。至于b 值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見，當(dāng)ICICM時，并不表示三極管會損壞。 （2） 最大集電極耗散功率PCM：PCM = iCuCE 。對于確定型號的晶體管，PCM是一個定值。當(dāng)硅管的結(jié)溫大于150、鍺管的結(jié)溫大于70時，管子的特性明顯變壞，甚至燒壞。（3）極間反向擊穿電壓：晶體管某一級開路時，另

22、外兩個電極之間所允許加的最高反向電壓，即為極間反向擊穿電壓，超過此值管子會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。極間反向電壓有三種：UCBO、UCEO和UEBO。由于各擊穿電壓中UCEO值最小，選用時應(yīng)使其大于放大電路的工作電源VCC。（4）三極管的安全工作區(qū)：由PCM、ICM和擊穿電壓V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定四個區(qū)：過損耗區(qū)、過電流區(qū)、擊穿區(qū)和安全工作區(qū)。使用時應(yīng)保證三極管工作在安全區(qū)。如P28圖。6、溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響1）溫度對反向飽和電流的影響：溫度對ICBO和ICEO等由本征激發(fā)產(chǎn)生的平衡少子形成的電流影響非常嚴重。2）溫度對輸入特性的影響：當(dāng)溫度上升時，正向特性左移。當(dāng)溫度變化1時

23、，UBE大約下降22.5mV，UBE具有負溫度系數(shù)。3）溫度對輸出特性的影響溫度升高時，由于ICEO和增大，且輸入特性左移，導(dǎo)致集電極電流IC增大，輸出特性上移?？傊?dāng)溫度升高時，ICEO和增大，輸入特性左移，最終導(dǎo)致集電極電流增大。二、本講重點1、BJT電流放大原理及其電流分配關(guān)系式；2、BJT的輸入、輸出特性；3、BJT三種工作狀態(tài)的判斷方法；三、本講難點1、BJT放大原理及電流分配關(guān)系式；2、BJT三種工作狀態(tài)的判斷方法；四、教學(xué)組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示三極管的結(jié)構(gòu)、輸入與輸出特性以及溫度對三極管特性的影響等，便于學(xué)生理解和掌握。三極管工作狀態(tài)、電位和管型的判斷方法可

24、以啟發(fā)討論。五、課后習(xí)題見相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。 第四講 場效應(yīng)管一、主要內(nèi)容、效應(yīng)管及其類型效應(yīng)管FET是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET簡稱MOS管）。每一類又有N溝道和P溝道兩種類型。其中MOS管又可分為增強型和耗盡型兩種。2、N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出兩個電極，漏極D，和源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型

25、半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。因為這種MOS管在VGS=0V時ID=0；只有當(dāng)UGSUGS(th) 后才會出現(xiàn)漏極電流，所以稱為增強型MOS管。如P42圖1.44所示。3、N溝道增強型MOS管的工作原理1）夾斷區(qū)工作條件UGS=0時，D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，沒有導(dǎo)電溝道，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零；當(dāng)0UGSUGS(th時，由柵極指向襯底方向的電場使空穴向下移動，電子向上移動，在P型硅襯底的上表面形成耗盡層，仍然沒有漏極電流。 2）可變電阻區(qū)工作條件當(dāng)UGS> UGS(th) 時，柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道(反型層)，若D、S間加上正向電壓后可產(chǎn)

26、生漏極電流ID。若uDSuGS- UGS(th)，則溝道沒夾斷，對應(yīng)不同的uGS，ds間等效成不同阻值的電阻，此時，F(xiàn)ET相當(dāng)于壓控電阻。3）恒流區(qū)（或飽和區(qū)）工作條件當(dāng)uDS=uGS- UGS(th) 時，溝道預(yù)夾斷；若uDSuGS - UGS(th)，則溝道已夾斷，iD僅僅決定于uGS，而與uDS無關(guān)。此時，iD近似看成uGS控制的電流源，F(xiàn)ET相當(dāng)于壓控流源?？梢姡瑢τ贜溝道增強型MOS管，柵源電壓VGS對導(dǎo)電溝道有控制作用，即當(dāng)UGS> UGS(th)時，才能形成導(dǎo)電溝道將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。當(dāng)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時，利用柵源之間外加電壓

27、uGS所產(chǎn)生的電場來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制多子漂移運動所產(chǎn)生的漏極電流ID。此時，可將ID看成電壓uGS控制的電流源。4、N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，所以當(dāng)UGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)UGS0時，將使ID進一步增加。UGS0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，5、P溝道增強型和耗盡型MOSFETP溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不

28、同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。6、場效應(yīng)管的伏安特性場效應(yīng)三極管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同以及是增強型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。以增強型N溝MOSFET為例，輸出特性：iDf (uDS)UGS =常數(shù) 反映UGSUGS(th) 且固定為某一值時，UDS對ID的影響；轉(zhuǎn)移特性：iDf (uGS)UDS =常數(shù) 反映UGS對漏極電流的控制關(guān)系；輸出特性和轉(zhuǎn)移特性反映了場效應(yīng)管工作的同一物理過程，因此，轉(zhuǎn)移特性可以從輸出特性上用作圖法一一對應(yīng)地求出。場效應(yīng)管的輸出特性可分為四個區(qū)：夾斷區(qū)、可變阻區(qū)、

29、飽和區(qū)（或恒流區(qū)）和擊穿區(qū)。在放大電路中，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)。7、場效應(yīng)管的主要參數(shù)：1） 直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)：開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值，場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。（2）夾斷電壓UGS(off)：夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=UGS(off) 時，漏極電流為零。（3）飽和漏極電流IDSS：IDSS是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。（4）直流輸入電阻RGS（DC）：FET的柵源輸入電阻。對于JFET，反偏時RGS約大于107；對于MOSFET，RGS約是1091015。 2） 交流參數(shù)（1）低頻跨導(dǎo)gm：低頻跨導(dǎo)反映了

30、柵壓對漏極電流的控制作用，這一點與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。（2）級間電容：FET的三個電極間均存在極間電容。通常Cgs和Cgd約為13pF,而Cds約為0.11pF。在高頻電路中，應(yīng)考慮極間電容的影響。3） 極限參數(shù)（1）最大漏極電流IDM：是FET正常工作時漏極電流的上限值。 （2）漏-源擊穿電壓U(BR)DS：FET進入恒流區(qū)后，使iD驟然增大的uDS值稱為漏源擊穿電壓，uDS超過此值會使管子燒壞。（3）最大耗散功率PDM：可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。8、場效應(yīng)管FET與晶體管BJT的比較1） FET是

31、另一種半導(dǎo)體器件，在FET中只是多子參與導(dǎo)電，故稱為單極型三極管；而普通三極管參與導(dǎo)電的既有多數(shù)載流子，也有少數(shù)載流子，故稱為雙極型三極管（BJT）。由于少數(shù)載流子的濃度易受溫度影響，因此，在溫度穩(wěn)定性、低噪聲等方面FET優(yōu)于BJT。2） BJT是電流控制器件，通過控制基極電流達到控制輸出電流的目的。因此，基極總有一定的電流，故BJT的輸入電阻較低；FET是電壓控制器件，其輸出電流取決于柵源間的電壓，柵極幾乎不取用電流，因此，F(xiàn)ET的輸入電阻很高，可以達到109014。高輸入電阻是FET的突出優(yōu)點。3） FET的漏極和源極可以互換使用，耗盡型MOS管的柵極電壓可正可負，因而FET放大電路的構(gòu)成比BJT放大電路靈活。4） FET 和BJT都可以用于放大或作可控開關(guān)。但FET還可以作為壓控電阻使用，可以在微電流、低電壓條件下工作，且便于集成。在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中應(yīng)用極為廣泛。二、本講重點 1、MOS管結(jié)構(gòu)原理；2、MOS管的伏安特性及其在三個工作區(qū)的工作條件；三、本講難點：1、MOS管各工作區(qū)的工作條件；四、教學(xué)組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示FET的結(jié)構(gòu)原理、輸出與轉(zhuǎn)移特性等，便于學(xué)生理解和掌握。FET的工作區(qū)、管型的判斷方法可以啟發(fā)討論。五、課后習(xí)題見相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。本章小節(jié)本章