第四章常用半導(dǎo)體器件原理

1、第四章 常用半導(dǎo)體器件原理第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 本章主要研究半導(dǎo)體器件：晶體二極管、雙極型晶體管和場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和應(yīng)用電路。 4.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 4.2 PN結(jié) 4.3 晶體二極管 4.4 雙極型晶體管 4.5 場效應(yīng)管 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理4.1 半導(dǎo)體的物理基礎(chǔ)物質(zhì)導(dǎo)電性導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體 具有良好的導(dǎo)電性：大多數(shù)金屬、電解液和電離氣體。 對電信號起阻斷作用：玻璃、橡膠等，電阻率一般為108 1020m 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，且與溫度、光照和摻雜等因素有關(guān)。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理純凈的硅和鍺單晶體稱為本征半導(dǎo)體。價電子:原子最外層軌道上的四個電子，

2、很大程度上決定了原子的物理化學(xué)性質(zhì)，每個價電子帶一個單位的負(fù)電荷。原子呈電中性。 + 4 帶 一 個 單 位 負(fù) 電 荷 的 價 電 子 最 外 層 軌 道 帶 四 個 單 位 正 電 荷 的 原 子 核 部 分 + 1 4 + 3 2 硅 原 子 簡 化 模 型 鍺 原 子 圖 4 .1 .1 硅 和 鍺 的 原 子 模 型 (b ) (c) (a ) 一、本征半導(dǎo)體第四章 常用半導(dǎo)體器件原理本征半導(dǎo)體的空間晶格結(jié)構(gòu) 本征激發(fā)本征激發(fā)：在外界加熱、光照或者電擊時，部分價電子吸收足夠的能量而脫離原子核成為自由電子，在共價鍵處留下一個空位，即空穴的過程。激發(fā)產(chǎn)生成對的電子空穴，本征半導(dǎo)體的電子空

3、穴數(shù)相等共價鍵中的價電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性很差。本征半導(dǎo)體的空間晶格結(jié)構(gòu)如圖第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 圖 4.1.4 價 電 子 反 向 遞 補 運 動 相 當(dāng) 于空 穴 移 動 空 穴 移 動 方 向 價 電 子 移 動 方 向 圖 4.1.5 復(fù) 合 消 失 一 對 自 由電 子 和 空 穴 空 穴 + 4 + 4 + 4 + 4 自 由 電 子 載流子載流子：激發(fā)產(chǎn)生的帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者均參與導(dǎo)電。 復(fù)合復(fù)合：自由電子和空穴在移動中相結(jié)合，并釋放能量，從而消失一對載流子的過程。第四章 常用半

4、導(dǎo)體器件原理設(shè)在某一溫度的動態(tài)平衡下，自由電子的濃度為 ni，空穴的濃度為 pi，則：kTEiiGeTApn22/300其中：T 為熱力學(xué)溫度（K）EG0 為T=0K時的禁帶寬度，硅為1.21eV 鍺為0.78eVk=8.63 10-5eV/K 為玻爾茲曼常數(shù)A0=3.78 1016cm-3 K-3/2（硅）A0=1.76 1016cm-3 K-3/2（鍺）第四章 常用半導(dǎo)體器件原理二、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：少量摻雜可顯著提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。1、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素的原子，如磷，砷，銻等。 鍵外電子受到小的能量激發(fā)就會成為自由電子，由此，每加入一個五價原子，就形

5、成一個自由電子。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理多數(shù)載流子(多子)：自由電子少數(shù)載流子(少子)：空穴N型半導(dǎo)體呈現(xiàn)電中性：施主正離子起平衡作用型半導(dǎo)體呈現(xiàn)電中性：施主正離子起平衡作用DnNn 自由電子濃度 nn 近似等于施主原子的摻雜濃度 ND：摻雜后空穴的濃度為：D2n2nNnnnpii載流子濃度 ni對溫度敏感，pn隨環(huán)境的改變而明顯變化。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理2、P 型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻雜三價元素，如硼、鋁、銦等。 室溫，P型半導(dǎo)體每摻雜一個雜質(zhì)原子，就提供一個空穴，P型半導(dǎo)體中空穴的濃度大量增加。多數(shù)載流子(多子)：空穴少數(shù)載流子(少子)：自由電子占P型半導(dǎo)體呈電中性：受主負(fù)離子起到平

6、衡作用型半導(dǎo)體呈電中性：受主負(fù)離子起到平衡作用第四章 常用半導(dǎo)體器件原理空穴濃度 pp 近似等于受主原子的摻雜濃度 NA：ApNp 自由電子的濃度 np 為：A22pNnpnnipi電子電流 In ：自由電子的定向移動形成， 與電子的運動方向相反?？昭娏?Ip ：空穴的定向移動形成， 與空穴的運動方向相同3 飄移電流和擴散電流第四章 常用半導(dǎo)體器件原理pnIII半導(dǎo)體中的電流 I 為：載流子的定向移動的推動力：1）飄移電流：電場作用下形成的電流。取決于載流子濃度、遷移率和電場強度。 2）擴散電流：濃度梯度的驅(qū)使下形成的電流。取決于載流子濃度梯度的大小。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理總結(jié)：1 N型

7、半導(dǎo)體：摻雜五價元素形成，自由電子是多子 P型半導(dǎo)體：摻雜三價元素形成，空穴是多子2 摻雜顯著改變半導(dǎo)體內(nèi)載流子的濃度，形成多子與少子。多子濃度近似為摻雜濃度，溫度變化對其影響很?。?少子濃度主要由本征激發(fā)決定，摻雜使其濃度大大減小，但溫度變化時，少子濃度明顯變化。 3 半導(dǎo)體中存在兩種電流：飄移電流和擴散電流。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 PN結(jié)：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面處會形成一個很薄的具有特殊物理性質(zhì)的薄層。PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元。4.2 PN 結(jié) 一、PN結(jié)的形成 P型和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面處形成空穴和電子的濃度差，引起多子的擴散運動。P區(qū)的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子

8、復(fù)合。而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。在交界面兩側(cè)形成由等量的受主負(fù)離子和施主正離子構(gòu)成的空間電荷區(qū)，如圖所示。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理PNPN空間電荷區(qū)內(nèi)電場UB多子的擴散運動形成的內(nèi)建電場多子擴散空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生 少子漂移動態(tài)平衡第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，也稱為耗盡區(qū)(層)。內(nèi)電場對擴散有阻擋作用，又稱為阻擋區(qū)或勢壘區(qū)。 如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對稱結(jié)，用P+N或PN+表示(+號表示重?fù)诫s區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。 NP +耗盡區(qū)PN +耗盡區(qū)第四章 常用半導(dǎo)體器件原理二 P

9、N結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦院谋M區(qū)內(nèi)電場UUB URE1、PN結(jié)加正向電壓 PN結(jié)正向偏置：使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，如圖耗盡層特點：擴散電流大于飄移電流，而形成電路中的正向電流。2、耗盡層變窄1、兩端電壓：UB-U3、多子濃度梯度增加， 內(nèi)建電場減弱第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 2、PN結(jié)加反向電壓 PN結(jié)反向偏置：使P區(qū)電位低于N區(qū)電位，如圖耗盡區(qū)特點：1、兩端的電位差：UB+U2、耗盡層加寬。3、多子的濃度梯度減少，內(nèi)部電場加強漂移電流大于擴散電流，在電路中形成反向電流。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 3、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?正偏：UB很小，較小的正向電壓產(chǎn)生較大的正向電流，正向電流

10、隨正向電壓的微小變化發(fā)生顯著變化。 反偏時，少子只能提供很小的反向電流，且基本不隨反向電壓而變化。三、三、PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性擊穿：反向電壓足夠大時引起反向電流急劇增加的現(xiàn)象 1、雪崩擊穿 反偏的PN結(jié)中，電場作用產(chǎn)生的高能少子碰撞中性原子的價電子產(chǎn)生電子空穴對。后者被電場加速而產(chǎn)生類似的碰撞激發(fā)，載流子劇增，反向電流急劇增大的現(xiàn)象。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 高能少子：電場下的長距離運動，但長距離增加了碰撞的幾率，因此雪崩擊穿一般發(fā)生在輕摻雜的PN結(jié)中。 反向電壓在重?fù)诫s的PN結(jié)中形成很強的電場。強電場將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，從而使反向電流急劇

11、增大的現(xiàn)象。對硅材料的PN結(jié)雪崩擊穿：UBR7V齊納擊穿：UBR 5V UBR介于57V時，兩種擊穿都有。 2、齊納擊穿(場致?lián)舸?第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 四、PN結(jié)的電容特性 PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)存貯的電荷的特性。 PN結(jié)電容：勢壘電容和擴散電容。1、勢壘電容（類似平板電容） P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) |u| P區(qū) N區(qū) 耗盡區(qū) |u| (a) (b) 圖 4.2.5 耗盡區(qū)中存貯電荷的情況 (a) u增大時存貯電荷減少；(b) u減小時存貯電荷增加 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 第四章 常

12、用半導(dǎo)體器件原理dSUuCdudQCnBTT)1 (0CT0為外加電壓u=0時的CT值，與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)，一般在1/36之間。 當(dāng)反向電壓 u 絕對值增大時，CT 將減小。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理2、擴散電容pppnnnnp0np0pnpQpQnQnQ第四章 常用半導(dǎo)體器件原理KIuQQuQCpnDN結(jié)的結(jié)電容：Cj= CT + CD 當(dāng)外加電壓變化量為u時，電子和空穴的濃度變化如圖中實線所示，引起的電子和空穴的變換量分別為Qp和 Qn，從而在N區(qū)和區(qū)存儲的總電荷為Q Qp Qn，用擴散電容表示這種電容效應(yīng)。正偏時以CD為

13、主， Cj CD ，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以CT為主， Cj CT，其值通常為幾至幾十pF。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號如圖：4. 晶體二極管DuDi一、二極管的伏安特性曲線一、二極管的伏安特性曲線 二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性很接近，僅在于陰線的接觸電阻、P區(qū)的體電阻和區(qū)的體電阻以及表面漏電流造成二者稍有差異。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 一般用結(jié)的電流方程描述二極管的伏安特性：11TDDuuSkTquSDeIeIiDiDuTDuuSDeIi )on(Du擊穿Is：反向飽和電流，取決于半導(dǎo)體材料、制作工藝和溫度等。C106119 .q /qkTuT室溫下為第

14、四章 常用半導(dǎo)體器件原理導(dǎo)通電壓UD(on) ：正向電壓小于導(dǎo)通電壓，正向電流很小，當(dāng)超過時，正向電流明顯變化。 室溫下，硅管UD(on) =(0.50.6)V，鍺管UD(on) =(0.10.2)V。正偏二極管在小電流時，電流與電壓為指數(shù)關(guān)系，電流較大時，P區(qū)、N區(qū)體電阻和引線接觸電阻的作用增強，電流、電壓近似呈線性關(guān)系。反偏時，對小功率管，未擊穿時反向電流仍很小，硅管一般小于0.1A，鍺管小于幾十微安，可近似認(rèn)為零。、二極管的導(dǎo)通、截止與擊穿二極管對直流和低頻信號有很好的單向性。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理、二極管的管壓降DuDiERVDRiEuDD電路DiDuDQU)(onDUDQIRE/

15、伏安特性曲線負(fù)載線Q伏安特性曲線電路負(fù)載特性導(dǎo)通時二極管的伏安特性近似垂直，因此認(rèn)為二極管的導(dǎo)通時二極管的伏安特性近似垂直，因此認(rèn)為二極管的壓降為二極管的導(dǎo)通電壓。壓降為二極管的導(dǎo)通電壓。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 二極管的電阻：直流電阻和交流電阻 1）直流電阻RD RD：二極管端直流電壓UD與流過的直流電流 ID之比DQDQDIUR 正向的RD隨工作電流增大而減小。二極管的直流電阻RD不同的Q點具有不同的直流電阻RD。RD的幾何意義：Q(ID,UD)點到原點直線斜率的倒數(shù)。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 2）交流電阻rD rD：Q點的電壓與電流的微變量之比QDiur交流電阻rD與工作電流IDQ成

16、反比，并與溫度有關(guān)。DQTUUSTIUeIUTDQ/),(DQDQIUQui由二極管的電流方程有：QUuSTQQDTeIUdiduiur/ rD的幾何意義：Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。交流電阻rD第四章 常用半導(dǎo)體器件原理)()V(26mImrDQD 結(jié)論：結(jié)論：二極管伏安特性是非線性，交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點處的交、直流電阻不同，同一點處交流和直流電阻也不相同。當(dāng)二極管的端電壓為u=UDQ+u，其電流iDDDDQDQDruRUiIi室溫下(T=300K):第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 二、二、 溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管伏安特性的影響測試結(jié)果： 溫

17、度每升高1，UD(on)減小約22.5mV。 測試結(jié)果：溫度每升高10，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時， IS =IS1；溫度為T2時， IS =IS2，則10/ )(12122TTSSIIT本征激發(fā)少子濃度IS 熱電壓UT TDuue綜合：T，反向飽和電流IS作用明顯，總體正向電流增加。溫度升高，雪崩擊穿電壓增加，而齊納擊穿電壓下降。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 二極管是一種非線性電阻(導(dǎo))元件，在大信號工作時，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?，而?dǎo)通后所呈現(xiàn)的非線性往往是次要的。 三、三、 晶體二極管的近似伏安特性和簡化電路模型晶體二極管的近似伏安特性和簡化電路模型0DrIII0Di

18、Du)on(DUDr1III0DiDu)on(DU0DrIII0DiDu0)on(DU二極管的近似伏安特性特性第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 二極管的簡化電路模型(on)DDUu (on)DDUu (on)DUIII(on)DU(on)DDUu(on)DDUu III0Du0DuIII第四章 常用半導(dǎo)體器件原理例4.3.1 如圖，計算二極管中的電流ID。UD(on)=0.6V, rD0。V6 EV6 E1R2R2kk 1VDDIV6 EV6 E1R2R2kk 1V6 . 0A1I2IDI解：4V.56.06)on(DAUEUmA1 .1102121RURUEIIIAAD第四章 常用半導(dǎo)體器件原理四

19、、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 擊穿后，特性曲線更陡峭， IZ很大范圍 (IZmin IZ IZmax)內(nèi)變化時，兩端電壓幾乎不變，即穩(wěn)壓UZ。DiDu0ZUminZImaxZIZUDuDiZiIZ 太小穩(wěn)壓效果差，太大使得管耗過大，甚至燒壞 PN 結(jié)。工作電流 IZ 滿足： IZmin IZ 0.7V 時，u o=u i-0.7Vu i 0 ，u o= u iu i 0 ，u o= -(R2/R1) u iu i 0-+uiuoR1R2Au i uo時，uo10,二極管導(dǎo)通，電容C充電，A1為電壓跟隨器， uo= uC ui ， uo隨ui增大。當(dāng) ui uo時，uo10，二極管截止，A1為電壓比較

20、器， uo= uC保持不變。tuo ui ui uo 0 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理4.4 雙極型晶體管三極管：由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的有源器件雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號N+P N ebc發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPN型三極管bceP+N P ebc發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)PNP型三極管bec第四章 常用半導(dǎo)體器件原理晶體管的結(jié)構(gòu)特點晶體管的結(jié)構(gòu)特點: 發(fā)射區(qū)相對基區(qū)中摻雜(即e結(jié)為PN+結(jié))；基區(qū)很薄(零點幾到數(shù)微米)；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。一、晶體管的工作原理(以NPN型晶體管為例)放大狀態(tài)：直流偏置保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏晶體管內(nèi)載流子的定向運動分為三個階段1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入

21、電子 2 電子在基區(qū)邊擴散邊復(fù)合3 擴散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN+電子注入電流IEN空穴注入電流IEP復(fù)合電流IBN反向飽和電流IBN1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 2 電子在基區(qū)邊擴散邊復(fù)合3 擴散到集電結(jié)的 電 子 被 集電區(qū)收集 收集電流ICN第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子：多子擴散為主 2、基區(qū)中自由電子邊擴散變復(fù)合 基區(qū)中的非平衡少子自由電子擴散至集電結(jié)，在擴散中與空穴復(fù)合而形成復(fù)合電流IBN；基區(qū)很薄且不是重?fù)诫s，因此絕大部

22、分自由電子擴散至集電結(jié)。 3、集電區(qū)收集自由電子 a) 發(fā)射區(qū)電子越過e結(jié)注入到基區(qū)，形成電子注入電流IEN； b)基區(qū)空穴注入發(fā)射區(qū)，形成空穴注入電流IEP。 基區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的電子濃度， IEP UBE(on)，晶體管導(dǎo)通，進(jìn)入飽和或放大區(qū), 此時 uBE UBE(on)，否則進(jìn)入截止。PNP晶體管：uBE UBE(on)，晶體管導(dǎo)通，進(jìn)入飽和或放大區(qū)。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理三、 晶體管的近似伏安特性和簡化直流模型NPN晶體管近似伏安特性曲線iC/mA0uCE/VIIIIIIuCE(sat)iC/mA0uCE/VuBE(on)iC/mA0uCE/VIIIIIIuCE(sat)i

23、C/mA0uCE/VIIIIIIuBE(on)PNP晶體管近似伏安特性曲線第四章 常用半導(dǎo)體器件原理截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)BI晶體管的簡化直流模型截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)BINPN晶體管PNP晶體管第四章 常用半導(dǎo)體器件原理四、直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析1）根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。 若反偏或正偏電壓小于|UBE(on)|，晶體管截止，IB、IC、IE均為零，外電路決定UBE、UCE和UCB。 2）若發(fā)射結(jié)的正偏電壓達(dá)到|UBE(on)| ，則晶體管處于飽和或放大區(qū)，再判斷集電結(jié)正偏還是反偏。集電結(jié)反偏，則為放大狀態(tài)，UBE= UBE(on)，外電路決定IB，IC=IB，IE=IC

24、+IB，極電流和外電路計算UCB和UCE。 3）若集電結(jié)正偏，晶體管處于飽和狀態(tài)，則UBE= UBE(on)， UCE= UCE(sat)， UCB= UCE- UBE，再由極間電壓和外電路計算IB、IC和IE。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理例4.4.1 晶體管電路如圖。 UBE(on)=0.6V，=50。當(dāng)輸入電壓Ui分別為0V、3V和5V，分析晶體管的工作狀態(tài)。60k4kVIBIEICRBRCUCC12VUi解： 1、Ui=0V，晶體管截止IC=0，Uo=UCC-ICRC=12V2、Ui=3V，晶體管放大或飽和A40/ )(BonBEiBRUUI設(shè)晶體管放大，則：mA2BCII04 . 3)(

25、)(VURIUUUUonBECCCCBCCB3、Ui=5VVUCB27. 3晶體管飽和，Uo=UCE(sat)集電結(jié)反偏，晶體管處于放大狀態(tài)，Uo=UC=4V。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理例4.4.2 晶體管電路如圖。 UBE(on)=-0.7V，=50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，計算IB、IC和UCE。解：PNP型晶體管晶體管處于放大或飽和狀態(tài)RCRB200k2kICIBIEUCC-12VRE2kEBonBEUUU)(EEBBCCRIRIU)(EBBBCCRIRIU)1 (0A4 .37BI0mA87. 1BCII074. 3)()(VRIURIUUUUBBCCCCCCBCCB集電結(jié)反偏，晶體管處

26、于放大A4 .37BImA87. 1CIV44. 4)(onBECBCEUUU第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 利用晶體管的電流方程和極電流關(guān)系，運放的虛短和虛斷。五、晶體管應(yīng)用電路1、對數(shù)和反對數(shù)電路uiICR+-uouiICR+-uoTBEUuSCeIi SCTBEIiUuln)/ln(ToSCBEIIUuU)/ln(TSiRIUU)/ exp( BEoTSCUU-RIRIU)/ exp( iTSUu-RI對數(shù)和反對數(shù)電路是非線性電路，故不適用疊加原理。對數(shù)和反對數(shù)電路是非線性電路，故不適用疊加原理。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理2、測量電路12o21RRUUUIIBCU1ICR1+-Uo+-VR2

27、IBU2121RUUIC2oRUIB晶體管的為：3、恒流源電路UCCR1-+12V1kIoVDZR2300V6ZUmA20/2ZoRUIIIEC第四章 常用半導(dǎo)體器件原理4.5 場 效 應(yīng) 管一、結(jié)型場效應(yīng)管 (Junction Field Effect Transistor 簡稱JFET)源極S柵極漏極GD導(dǎo)電溝道NP+P+PN結(jié)N溝道JFET及其符號源極S柵極漏極GD導(dǎo)電溝道PN+N+PN結(jié)P溝道JFET及其符號第四章 常用半導(dǎo)體器件原理1、工作原理SNP+P+DGUDS UGS=0 ，溝道最寬，IDmaxUGS IDUDS UGS SNP+P+DGIDUGS負(fù)增 ，溝道變窄，IDUDS

28、UGS SNP+P+DGID=0UGS=UGS(off) ，溝道斷開UDS UGS SPN+N+DGIDUGS正增 ，溝道變窄，IDUDS UGS SPN+N+DGID=0UGS=UGS(off) ，溝道斷開UGS=0 ，溝道最寬，IDmaxSPN+N+DGUDS UGS ID第四章 常用半導(dǎo)體器件原理結(jié)論：結(jié)論：a、柵源電壓UGS的變化，將有效地控制漏極電流的變化；b、不論N或P溝道，由于PN結(jié)反偏，柵極電流IG0， JFET輸入阻抗很大。2、特性曲線uGS=0V-0.5V-1V-1.5V-2V-2.5VuDS/ViD/mA05101520uDS/V051015201234可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊

29、穿區(qū)UDG=-UGS(off)UGS=UGS(off)N溝道JFET輸出特性iD/mAuDS/V0-5-10-15-20-1-2-3-4-UGS=UGS(off)擊穿區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)UDG=-UGS(off)P溝道JFET輸出特性第四章 常用半導(dǎo)體器件原理a、恒流區(qū) 當(dāng)|uGS| | UGS(off) |時，工作點進(jìn)入恒流流區(qū)，恒流區(qū)內(nèi) uGS 對 iD 的控制能力很強，二者為平方律關(guān)系。對固定的 uGS，uDS 變化時，iD 的改變很小。 當(dāng)|uDG| | UGS(off) |時，在靠近漏極處，PN結(jié)變厚，導(dǎo)電溝道被局部夾斷，稱為預(yù)夾斷。如圖所示。UDS UGS SNP+P+DGIDN溝道

30、JFET預(yù)夾斷UDS UGS SPN+N+DGIDP溝道JFET預(yù)夾斷第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 |uDS| 增大時，電壓增量主要分布在局部預(yù)夾斷區(qū)，對導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力影響較小，因而 uDS 對 iD 的控制能力很弱。 當(dāng)|uGS | | UGS(off) | 而 |uDG | | uGS(off) |，導(dǎo)電溝道被全部夾斷，iD=0。b、可變電阻區(qū) 若|uDS| 足夠大，PN結(jié)在靠近漏極的局部會被擊穿，iD劇增，相應(yīng)的區(qū)域稱為擊穿區(qū)。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 轉(zhuǎn)移特性曲線表達(dá)在UDS一定時，柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用，即 轉(zhuǎn)移特性曲線CuGSDDSufi)(理論分析和實測結(jié)果表

31、明，iD與uGS符合平方律關(guān)系：JFET)(N )1 (2溝道GSoffGSDSSDUuIiuGS/ViD/mAIDSSuGS(off)0-1-2-31234N溝道JFETuGS/ViD/mAIDSSuGS(off)0-1-2-3-41 2 3P溝道JFET第四章 常用半導(dǎo)體器件原理二、絕緣柵場效應(yīng)管 (MOSFET)柵極和導(dǎo)電溝道之間有一層很薄的SiO2絕緣體，比JFET有更高的輸入阻抗，功耗低和集成度高而廣泛應(yīng)用。分為增強型MOSFET和耗盡型MOSFET。柵極GBP+N襯底PN結(jié)P+源極S漏極D柵極GBN+P襯底PN結(jié)N+源極S漏極DSiO2絕緣層N溝道增強型MOSFET及其符號P溝道增

32、強型MOSFET及其符號第四章 常用半導(dǎo)體器件原理柵極GBN+P襯底PN結(jié)N+源極S漏極DSiO2絕緣層N溝道耗盡型MOSFET及其符號P溝道耗盡 型MOSFET及其符號柵極GBP+N襯底PN結(jié)P+源極S漏極D 增強型MOSFET在結(jié)構(gòu)上不存在導(dǎo)電溝道，若在制作過程中，通過離子摻雜，利用離子電場對自由電子和空穴的吸引與排斥，在緊靠絕緣層的襯底表面形成與重?fù)诫s同型的原始導(dǎo)電溝道，連通兩個重?fù)诫s區(qū)，得到耗盡層MOSFET。 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理1、工作原理(增強型MOSFET)UGS=0，兩PN結(jié)相反，雖然有漏極電壓UDS，但I(xiàn)D=0UGS，且足夠大時，襯底表面形成反型層PN，產(chǎn)生導(dǎo)電溝道,

33、 ID0,，此時的UGS稱為開啟電壓UGS(th)。P襯底N+N+DGS+ +- -UGSUDSIDP襯底N+N+DGSUGSUDSIDN+N+DGSUGSUDSIDUGS ，溝道變寬，ID增大，UGS(th)對ID控制作用 UGS控制漏極電流ID。柵極電流IG=0(存在絕緣層) ，輸入阻抗極大，源極電流IG和漏極電流ID相等，反偏的PN結(jié)IB=0。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理 耗盡型場效應(yīng)管中存在原始導(dǎo)電溝道，故N溝道耗盡型MOSFET在UGS=0時就存在ID=ID0。N襯底P+P+DGS+ +- -UGSUDSIDN襯底P+P+DGSUGSUDSIDP+P+DGSUGSUDSIDN襯底P溝道

34、增強型MOSFET工作原理UGS導(dǎo)電溝道寬度ID。UGS | UGS(th) |，且|uDG| | UGS(th) | 而 |uDG | | UGS(th) |時，工作點進(jìn)入可變電阻區(qū)。uDS的變化明顯改變iD的大小。交流輸出電阻rDS隨著uGS的增大而減小。3)、截止區(qū)| uGS | | uGS(th) |，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD=0。2)、可變電阻區(qū)AU1b、轉(zhuǎn)移特性曲線( N溝道增強型MOSFET ) 增強型MOSFET在恒流區(qū)內(nèi)，iD 與 UGS 呈平方律關(guān)系。2)(oxn)(2thGSGSDUuLWCi( N溝道增強型MOSFET ) 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理N 溝道增強型MOSF

35、ET的轉(zhuǎn)移特性uGS/ViD/mA02 4681234uGS（th）uGS/ViD/mA0-2-4-6-81234uGS（th）P 溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性)1()(22)(oxnDSthGSGSDuUuLWCi n為溝道電子運動的遷移率；Cox為單位面積柵極電容； W和L 分別為導(dǎo)電溝道寬度和長度，W/L為寬長比?？紤] uDS 對 iD 的微弱作用，則為： 第四章 常用半導(dǎo)體器件原理耗盡型MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線UDG=- -UGS(off)UGS=UGS(off)UGS=9V6V3V0V-3VuDS/ViD/mA051015201234恒流區(qū)可變電阻區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)N溝道

36、耗盡型MOSFET3V0V-3V-6VUGS=-9ViD/mAuDS/VUGS=UGS(off)擊穿區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)-5-10-15-200-1-2-3-4UDG=-UGS(off)截止區(qū)P溝道耗盡型MOSFET耗盡型MOSFET的輸出特性第四章 常用半導(dǎo)體器件原理表示 uGS =0 時的漏極電流耗盡型MOSFET在恒流區(qū)內(nèi)的電流方程為：2)off(D01GSGSDUuIiN 溝道耗盡型MOSFET)off(oxnD02GSULWCIuGS/ViD/mA03691234uGS（0ff）-6 -3uGS/ViD/mA036-9uGS（0ff）-6 -3-3-2-4-1耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特

37、性第四章 常用半導(dǎo)體器件原理三、各種場效應(yīng)管的比較及其與晶體管的比較1、各種場效應(yīng)管的電路符號JFET型N溝道P溝道MOSFET增強型耗盡型第四章 常用半導(dǎo)體器件原理2、各種場效應(yīng)管的特性曲線uGS0IDSS耗盡型N溝增強型N溝MOSJFETN溝道UGS(off)JFETP溝道UGS(off)UGS(th)UGS(th)耗盡型P溝道增強型MOSP溝道iDID0ID0輸 出 特 性轉(zhuǎn) 移 特 性增強MOSFET P溝道uD SiD0可變電阻區(qū)01234560123-1-2-3-3-4-5-6-7-8-9JFETP溝道耗盡-3-4-5-60-1-20123-1-2-33456789JFETN溝道耗

38、盡 增強UGSMOSFET N溝道UGS第四章 常用半導(dǎo)體器件原理3、場效應(yīng)管和晶體管的比較 b、晶體管中導(dǎo)電主要靠基區(qū)中非平衡少子的擴散運動，導(dǎo)電能力易受外界因素（如溫度）影響。場效應(yīng)管只依靠多子的漂移運動導(dǎo)電，導(dǎo)電能力不易受環(huán)境影響。 c、場效應(yīng)管的漏極和源極結(jié)構(gòu)對稱，可互換。晶體管中發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同型的半導(dǎo)體，但二者不能互換。 a、輸入電阻：晶體管處于飽和或放大狀態(tài)，存在一定的基極電流，輸入電阻較小，在k量級。場效應(yīng)管，JFET的輸入端PN結(jié)反偏，MOSFET則用SiO2絕緣體隔離柵極和導(dǎo)電溝道，柵極電流很小，輸入電阻很大，大于107 。第四章 常用半導(dǎo)體器件原理NPN晶體管晶體管結(jié)型

39、場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JEFT增強型增強型NMOSEFT 3 2 1 UGS (V) iD (mA) UGS(off) 0 1 2 3 4 IDSS 4 6 8 UGS (V) iD (mA) UGS(th) 0 1 2 3 4 2 22)Uu(LWCiGS(th)GSoxnD 0 uBE (V) iB (A) 30 60 90 0.5 0.6 0.7 UBE(on) 21 GS(off)GSDSSDUuIiTUueIiiBESCE指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系平方律關(guān)系平方律關(guān)系第四章 常用半導(dǎo)體器件原理四、場效應(yīng)管的工作狀態(tài)分析 通過直流偏置電路使場效應(yīng)管的工作點分別位于恒流區(qū)、可變電阻區(qū)或截止區(qū)，從而實現(xiàn)不同的功能。UGS VSUGS(off) JFET或耗或耗 盡型盡