第2章+半導(dǎo)體器件

第2章

半導(dǎo)體器件2023/2/11模擬電子學(xué)基礎(chǔ)這一章，我們要討論什么?本章研究半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)半導(dǎo)體材料是如何構(gòu)成的半導(dǎo)體電子元器件的？半導(dǎo)體電子元器件有怎樣的電路特性？2023/2/12模擬電子學(xué)基礎(chǔ)歷史簡(jiǎn)述19世紀(jì)末期，無線電通信被發(fā)明，當(dāng)時(shí)采用金屬粉末作為檢波器件20世紀(jì)上半葉，電真空器件成為電子學(xué)器件的主力1948年，巴丁、布萊頓和肖克利發(fā)明晶體三極管JohnBardeen,WilliamShockley,andWalterBrattain(lefttoright)2023/2/13模擬電子學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)載流子及其運(yùn)動(dòng)PN結(jié)2023/2/14模擬電子學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料Si,Ge,GaAs,...4價(jià)元素或化合物電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間具有類似的結(jié)構(gòu)2023/2/15模擬電子學(xué)基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體4價(jià)元素，外層有4個(gè)電子每個(gè)原子與周圍4個(gè)原子形成共價(jià)鍵本征激發(fā)：價(jià)電子受熱（或光照）獲得能量→脫離共價(jià)鍵→載流子（電子與空穴）由于本征激發(fā)的載流子濃度不高，所以本征半導(dǎo)體材料的電阻率較高由于本征激發(fā)受溫度與光照的影響較大，所以本征半導(dǎo)體材料的電阻率對(duì)于溫度和光照敏感2023/2/16模擬電子學(xué)基礎(chǔ)雜質(zhì)半導(dǎo)體施主雜質(zhì)V族元素共價(jià)鍵多余1個(gè)電子材料中電子多于空穴N型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)III族元素共價(jià)鍵缺少1個(gè)電子材料中空穴多于電子P型半導(dǎo)體2023/2/17模擬電子學(xué)基礎(chǔ)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）基本上由摻雜形成，所以多子濃度接近摻雜濃度少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）由本征激發(fā)形成多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度若在一塊半導(dǎo)體材料中同時(shí)摻入施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，則產(chǎn)生雜質(zhì)補(bǔ)償作用，雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性由摻雜濃度高的雜質(zhì)所決定2023/2/18模擬電子學(xué)基礎(chǔ)載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散載流子濃度梯度作用下載流子定向運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散電流的大小取決于載流子濃度梯度以及載流子的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而加大，遷移率高的載流子擴(kuò)散系數(shù)也大漂移電場(chǎng)作用下的載流子定向運(yùn)動(dòng)電子與空穴的漂移速度(遷移率，記為

μn和μp)不同，電子的遷移率大于空穴的，遷移率隨溫度升高也隨摻雜濃度上升而下降2023/2/19模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)利用雜質(zhì)補(bǔ)償原理，在P型和N型半導(dǎo)體的界面上形成PN結(jié)在PN結(jié)的界面上發(fā)生載流子的擴(kuò)散由于復(fù)合作用，界面上載流子被耗盡（耗盡層）2023/2/110模擬電子學(xué)基礎(chǔ)耗盡層內(nèi)由于離子帶電形成空間電荷區(qū)空間電荷形成內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)引起的漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，最終阻止載流子的進(jìn)一步移動(dòng)內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)2023/2/111模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的勢(shì)壘高度由于空間電荷區(qū)存在內(nèi)建電場(chǎng)，電子在各處的電勢(shì)能不同，形成勢(shì)壘2023/2/112模擬電子學(xué)基礎(chǔ)正向偏置的PN結(jié)外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反勢(shì)壘寬度減小，勢(shì)壘高度降低少子漂移削弱，多子擴(kuò)散加強(qiáng)產(chǎn)生很大的正向電流2023/2/113模擬電子學(xué)基礎(chǔ)反向偏置的PN結(jié)外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同勢(shì)壘寬度增加，勢(shì)壘高度增加多子擴(kuò)散削弱，少子漂移有加強(qiáng)趨勢(shì)由于少子數(shù)目有限，反向電流很小2023/2/114模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的伏安特性Is是PN結(jié)的反向飽和電流Is正比于PN結(jié)的面積、電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)、平衡載流子濃度，反比于載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)于硅PN結(jié)來說，Is≈(10-14~10-15)A

2023/2/115模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的伏安特性的特點(diǎn)正向電流基本上服從指數(shù)規(guī)律。當(dāng)V>4VT后，有反向電流基本上是恒值，等于－Is單向?qū)щ娞匦?023/2/116模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的擊穿特性反向電壓增加到達(dá)某個(gè)極限時(shí)，流過PN結(jié)的反向電流突然增加，稱為PN結(jié)的擊穿2023/2/117模擬電子學(xué)基礎(chǔ)雪崩擊穿反向電壓增加→勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加→勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子動(dòng)能增加→碰撞加劇→原子電離→新產(chǎn)生載流子（電子和空穴）→進(jìn)一步增加碰撞

雪崩擊穿電壓較高（大致高于5~

6伏）雪崩擊穿具有正溫度系數(shù)2023/2/118模擬電子學(xué)基礎(chǔ)齊納擊穿高摻雜→勢(shì)壘區(qū)薄→足夠高的場(chǎng)強(qiáng)→價(jià)電子獲得足夠的能量→脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子→反向電流急劇增加→擊穿高摻雜的PN結(jié)的擊穿電壓比較低，大致低于5~6V具有負(fù)溫度系數(shù)2023/2/119模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的擴(kuò)散電容正向偏置情況下，空間電荷區(qū)兩側(cè)由對(duì)方區(qū)域注入的非平衡少數(shù)載流子的堆積只存在于正向偏置情況擴(kuò)散電容的大小與流過PN結(jié)的正向電流成正比2023/2/120模擬電子學(xué)基礎(chǔ)PN結(jié)的勢(shì)壘電容勢(shì)壘兩側(cè)空間電荷數(shù)目以及空間電荷區(qū)寬度的改變，類似平板電容偏置電壓越負(fù)，勢(shì)壘電容量越小。非線性電容

g為結(jié)電容梯度因子。線性緩變結(jié)，g=1/3；突變結(jié)，g=1/2；超突變結(jié)，g=1~6VD≈VB：VD<<VB：CB0是偏置電壓為零時(shí)的勢(shì)壘電容

2023/2/121模擬電子學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)與伏安特性等效模型主要特性參數(shù)其他類型的二極管2023/2/122模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)結(jié)構(gòu)符號(hào)2023/2/123模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管的伏安特性擊穿電壓導(dǎo)通電壓硅二極管的導(dǎo)通電壓(VD(on)

)大致為0.6~0.8V2023/2/124模擬電子學(xué)基礎(chǔ)理想二極管模型只考慮二極管的單向?qū)щ娦?，忽略所有其他因素適用于定性分析二極管電路的功能2023/2/125模擬電子學(xué)基礎(chǔ)理想二極管模型的應(yīng)用半波整流電路2023/2/126模擬電子學(xué)基礎(chǔ)半波整流電路的平均輸出電壓2023/2/127模擬電子學(xué)基礎(chǔ)帶導(dǎo)通閾值的理想二極管模型考慮了二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，可以用于一般的定量估算。通常在估算時(shí)，硅二極管的正向?qū)妷喝?.7V2023/2/128模擬電子學(xué)基礎(chǔ)考慮二極管導(dǎo)通閾值的半波整流電路2023/2/129模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管工作于交流小信號(hào)情況交流小信號(hào)條件：二極管上有兩個(gè)信號(hào)疊加，其中一個(gè)是直流電壓VDQ，它使得流過二極管的直流電流保持為IDQ，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)電流；另一個(gè)是交流電壓DVD

，它以VDQ為中心振動(dòng)，但是振幅很小2023/2/130模擬電子學(xué)基礎(chǔ)交流小信號(hào)線性近似模型近似條件：DVD的振幅很小，忽略非線性因素DID＝gDDVD

2023/2/131模擬電子學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用小信號(hào)近似模型的注意點(diǎn)只適合于線性近似，在必須考慮非線性效應(yīng)的場(chǎng)合（例如大信號(hào)）不適用只適合于低頻，在高頻場(chǎng)合不適用（要考慮PN結(jié)電容等作用）僅考慮二極管對(duì)于交流信號(hào)的影響時(shí)，理想二極管和閾值電壓不起作用（即可以等效成僅有一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻）2023/2/132模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管的主要特性參數(shù)直流電阻RD

動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rD

極間電容額定電流IM

反向擊穿電壓VBR

最高工作頻率fmax

——直流參數(shù)交流參數(shù)}}極限參數(shù)2023/2/133模擬電子學(xué)基礎(chǔ)部分半導(dǎo)體二極管實(shí)物圖片2023/2/134模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管應(yīng)用電路之一橋式整流電路2023/2/135模擬電子學(xué)基礎(chǔ)帶電容濾波的橋式整流電路2023/2/136模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管應(yīng)用電路之二限幅電路2023/2/137模擬電子學(xué)基礎(chǔ)二極管應(yīng)用電路之三鉗位電路(a)電路(b)無鉗位之輸出(c)帶鉗位之輸出2023/2/138模擬電子學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)壓二極管工作原理：利用PN結(jié)反向擊穿后二極管兩端電壓基本保持不變的特點(diǎn)工作狀態(tài)：總是工作在反向擊穿狀態(tài)反向擊穿狀態(tài)2023/2/139模擬電子學(xué)基礎(chǔ)工作在反向擊穿狀態(tài)下的穩(wěn)壓二極管的等效電路穩(wěn)定電壓VZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)兩端的擊穿電壓動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的交流電阻，等于DVZ

/D

IZ穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流值實(shí)際電路等效電路2023/2/140模擬電子學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)壓管電路估算的例子(1)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：VZ=6V、IZ=10mA、rZ

=5Ω負(fù)載電阻RL=600Ω，限流電阻R=330Ω估算輸入電壓Vi從12V變化到16V時(shí)輸出電壓的變化估算流過穩(wěn)壓管的電流2023/2/141模擬電子學(xué)基礎(chǔ)等效電路將Vi=12V及16V代入上式，得到輸入電壓從12V變化到16V，相對(duì)變化量是33%，而輸出電壓變化59mV，相對(duì)變化量為1%2023/2/142模擬電子學(xué)基礎(chǔ)Vi

=16V時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流ID＝19.8mA

當(dāng)Vi=12V時(shí)，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電壓法可得到流過穩(wěn)壓管的電流等效電路2023/2/143模擬電子學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù)S(電壓調(diào)整率)前面的例子，穩(wěn)壓系數(shù)S

＝1%÷33%＝0.032023/2/144模擬電子學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)壓管電路估算的例子(2)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：VZ=6V、IZ=10mA、rZ

=5Ω輸入電壓Vi=12V，限流電阻R=330Ω試估算負(fù)載電阻RL從600Ω變化到1200Ω時(shí)的負(fù)載電流和輸出電壓的變化2023/2/145模擬電子學(xué)基礎(chǔ)將RL=600Ω和1200Ω代入上式，Vo=6.040V和6.065V所以DVO

＝25(mV)負(fù)載電流分別為

IRL1=6.040/600≈10mA，IRL2=6.065/1200≈5mA負(fù)載電流變化5mA，電壓變化25mV等效電路2023/2/146模擬電子學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)(2)動(dòng)態(tài)內(nèi)阻ro

（電流調(diào)整率）前面的例子，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻

ro＝25mV÷5mA=5W2023/2/147模擬電子學(xué)基礎(chǔ)發(fā)光二極管單向?qū)щ?，流過正向電流時(shí)發(fā)光閾值電壓1.5V~3.6V不等實(shí)際使用時(shí)根據(jù)需要選擇合適的工作電流常見的接法：串聯(lián)電阻限制電流2023/2/148模擬電子學(xué)基礎(chǔ)部分發(fā)光二極管實(shí)物圖片2023/2/149模擬電子學(xué)基礎(chǔ)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理伏安特性等效模型與性能參數(shù)2023/2/150模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的結(jié)構(gòu)2023/2/151模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的結(jié)構(gòu)2023/2/152模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的電流傳輸過程發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)，所以IEP

<<IEN

由于晶體管的基區(qū)一般都非常薄，所以IBN<<IEN

電流ICBO是基區(qū)少子和集電區(qū)少子形成的電流，所以很小正向偏置2023/2/153模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管正向偏置下的電流關(guān)系外部電流關(guān)系集電極電流與發(fā)射極電流的關(guān)系

恒小于1但十分接近于1，常見值為0.98～0.995

集電極電流與基極電流的關(guān)系，通常為幾十到幾百

2023/2/154模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管共發(fā)射極伏安特性輸入特性2023/2/155模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管共發(fā)射極伏安特性輸出特性2023/2/156模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管輸出特性的3個(gè)區(qū)域放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管具有放大作用飽和區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏飽和壓降很低，晶體管飽和導(dǎo)通截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏電流很小，晶體管近似開路2023/2/157模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的放大作用晶體管處于放大區(qū)，集電極電流與基極電流的關(guān)系近似線性共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)b

實(shí)際低頻運(yùn)用中大致有存在基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)2023/2/158模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的開關(guān)作用在飽和區(qū)，晶體管3個(gè)電極接近于短路在截止區(qū)，晶體管3個(gè)電極接近于開路適當(dāng)組成電路，可以輸出2個(gè)電平：0和12023/2/159模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管等效模型為什么要用等效模型？數(shù)學(xué)模型，目的是用數(shù)學(xué)方法分析電路怎樣運(yùn)用等效模型？實(shí)際晶體管特性非線性，模型及其復(fù)雜手工估算采用簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型突出基本物理概念，忽略次要的因素，有利于對(duì)于電路功能的分析，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行的方向2023/2/160模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管直流與交流大信號(hào)模型發(fā)射結(jié)正向偏置，等效成正向?qū)ǖ亩O管集電極電流受控于發(fā)射極或基極電流，等效為受控電流源2023/2/161模擬電子學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)大信號(hào)模型得到晶體管的轉(zhuǎn)移特性晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的特性近似一個(gè)正向?qū)ǖ亩O管其中IES是集電結(jié)短路時(shí)的發(fā)射極反向飽和電流定義IS=aIES，則有2023/2/162模擬電子學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)直流模型計(jì)算晶體管直流工作點(diǎn)晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例1

通常在計(jì)算晶體管直流工作點(diǎn)時(shí)采用帶閾值的理想二極管模型去等效晶體管的B-E結(jié)VBE(on)2023/2/163模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例2等效當(dāng)IBRB<<VRE時(shí)，有重要近似2023/2/164模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例32023/2/165模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管低頻交流小信號(hào)模型晶體管的輸入信號(hào)中既包含直流成分，又包含交流成分有效信號(hào)只是其中的交流部分將電路分成兩個(gè)模型：直流模型（前面已經(jīng)討論）用來解決工作點(diǎn)問題；交流模型用來解決信號(hào)放大問題交流模型中不包含直流信號(hào)2023/2/166模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管共基極交流模型輸入交流小信號(hào)時(shí)，發(fā)射結(jié)二極管可用交流小信號(hào)近似模型取代不考慮其中直流成分，二極管的交流小信號(hào)近似模型僅是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻直流與大信號(hào)模型交流小信號(hào)模型大信號(hào)模型交流小信號(hào)模型2023/2/167模擬電子學(xué)基礎(chǔ)共基極交流模型參數(shù)的計(jì)算re是發(fā)射結(jié)的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻流過發(fā)射結(jié)的直流電流為IEQ可以將發(fā)射結(jié)看成一個(gè)二極管，所以......因?yàn)間mvbe=aie所以......2023/2/168模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管共發(fā)射極交流模型將共基極電路的模型變形，可以得到共發(fā)射極電路的交流模型2023/2/169模擬電子學(xué)基礎(chǔ)共發(fā)射極交流模型參數(shù)的計(jì)算與共基極電路比較：由于在相同的vbe輸入時(shí)應(yīng)該有相同的輸出，所以因?yàn)関be=ibrbe，所以2023/2/170模擬電子學(xué)基礎(chǔ)直流項(xiàng)線性項(xiàng)非線性項(xiàng)晶體管小信號(hào)線性化近似的條件在Q點(diǎn)作級(jí)數(shù)展開線性近似條件：DVBE

=

vbe

<

0.1VT（非線性誤差小于5%）大信號(hào)模型：小信號(hào)模型中的gmvbe2023/2/171模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管模型的進(jìn)一步討論為什么要進(jìn)一步討論晶體管模型？前面介紹的是最基本的晶體管模型，只能處理最基本的電路希望討論晶體管電路的一些較深入的內(nèi)容，需要進(jìn)一步完善的晶體管模型如何進(jìn)一步討論晶體管模型？本課程只討論最必要的一些模型參數(shù)及其影響2023/2/172模擬電子學(xué)基礎(chǔ)考慮晶體管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)2023/2/173模擬電子學(xué)基礎(chǔ)考慮基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)的共射模型又稱低頻混合p模型模型參數(shù)具有明確的物理意義——晶體管中受控電流源的內(nèi)阻只適用于低頻電路2023/2/174模擬電子學(xué)基礎(chǔ)高頻混合p模型考慮晶體管極間電容Cb'e，Cb'c考慮晶體管基區(qū)材料的體電阻rbb'2023/2/175模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管b隨頻率變化的規(guī)律由高頻混合p

模型寫出節(jié)點(diǎn)方程（輸出短路）得到b

與頻率的關(guān)系2023/2/176模擬電子學(xué)基礎(chǔ)截止頻率與特征頻率2023/2/177模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的主要特性參數(shù)(1)直流參數(shù)ICBO——集電結(jié)反向飽和電流ICEO——穿透電流

——共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)交流參數(shù)b——共發(fā)射極短路交流電流放大系數(shù)fb

——截止頻率fT

——特征頻率Cob

——發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)電容

2023/2/178模擬電子學(xué)基礎(chǔ)晶體管的主要特性參數(shù)(2)極限參數(shù)PCM

——集電極最大允許功耗ICM

——集電極最大電流BVCBO

——發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向擊穿電壓BVCEO

——基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間（集電結(jié)反偏）的反向擊穿電壓BVEBO

——集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓

溫度系數(shù)（硅晶體管）ICBO——大致為每8℃增大一倍VBE

——大致為每1℃降低2～2.5mV2023/2/179模擬電子學(xué)基礎(chǔ)部分晶體管實(shí)物圖片2023/2/180模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管

結(jié)構(gòu)與工作原理伏安特性等效模型2023/2/181模擬電子學(xué)基礎(chǔ)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)S——源極，G——柵極，D——漏極，B——襯底金屬－氧化物－半導(dǎo)體——MOS結(jié)構(gòu)2023/2/182模擬電子學(xué)基礎(chǔ)在沒有加電壓時(shí)，由于S和D之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的二極管，所以不可能導(dǎo)通導(dǎo)電溝道的形成(1)2023/2/183模擬電子學(xué)基礎(chǔ)柵極加上正電壓，柵極下面的襯底中感應(yīng)出自由電子，與P型材料中空穴復(fù)合后形成耗盡區(qū)，S與D之間仍然沒有導(dǎo)通導(dǎo)電溝道的形成(2)2023/2/184模擬電子學(xué)基礎(chǔ)加大柵極電壓，當(dāng)增加到某一個(gè)閾值電壓VTH后，柵極下面的襯底中形成反型層（N型），從而形成導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道的形成(3)2023/2/185模擬電子學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)一步加大柵極電壓，導(dǎo)電溝道開始加深由于導(dǎo)電溝道是N型的，所以稱為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管由于導(dǎo)電溝道是由柵極加上一定電壓以后產(chǎn)生的，所以稱為增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管(E-MOSFET)

導(dǎo)電溝道的形成(4)2023/2/186模擬電子學(xué)基礎(chǔ)VDS=0，導(dǎo)電溝道是均勻的，此時(shí)漏極與源極之間的溝道類似一個(gè)阻值很小的電阻加上VDS后溝道形狀的變化(1)2023/2/187模擬電子學(xué)基礎(chǔ)VDS>0，流過漏極的電流隨VDS的增加而增加，但是由于柵極與漏極附近的電位差下降，導(dǎo)致導(dǎo)電溝道開始傾斜，漏源之間的電阻開始增加加上VDS后溝道形狀的變化(2)2023/2/188模擬電子學(xué)基礎(chǔ)VDS進(jìn)一步增加，當(dāng)柵極與漏極之間的電位差等于導(dǎo)通閾值時(shí)，漏極附近的導(dǎo)電溝道深度接近于0，漏源之間的電阻幾乎達(dá)到最大值加上VDS后溝道形狀的變化(3)2023/2/189模擬電子學(xué)基礎(chǔ)VDS繼續(xù)增加，由于電流連續(xù)性，溝道不會(huì)夾斷，但漏極附近的導(dǎo)電窄縫變長(zhǎng)，流過漏極的電流幾乎不再增加（接近恒流）加上VDS后溝道形狀的變化(4)2023/2/190模擬電子學(xué)基礎(chǔ)E-MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性2023/2/191模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管在截止區(qū)和可變電阻區(qū)的特性截止區(qū)漏極電流近似為0，三個(gè)電極之間均無電流可變電阻區(qū)源－漏之間的溝道無夾斷區(qū)，接近于一個(gè)電阻。且溝道深度正比于柵極電壓，相當(dāng)于電阻值可變與恒流區(qū)的界限（預(yù)夾斷線）：VDS=VGS－VTH

可以用作模擬信號(hào)的通斷切換（模擬開關(guān)）可實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯功能2023/2/192模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管在恒流區(qū)的特性漏極電流受控于柵極電壓，其表達(dá)式（轉(zhuǎn)移特性）為其中，mn是溝道材料的自由電子遷移率，COX是單位面積柵極的MOS電容量，W是溝道寬度，L是溝道長(zhǎng)度

平方律特征，電流與柵極寬長(zhǎng)比有關(guān)存在溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，類似晶體管的基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)。也可用厄爾利電壓VA表述此效應(yīng)2023/2/193模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管的直流與大信號(hào)模型柵極近似開路。漏極電流受控于柵極電壓，是一個(gè)壓控電流源，其值由場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性確定該壓控電流源是一個(gè)非線性電流源可用于工作點(diǎn)確定等大信號(hào)場(chǎng)合2023/2/194模擬電子學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管工作點(diǎn)的例1如圖電路，已知VDD=6V，RD=30kW，RG1=100kW，RG2=50kW。晶體管參數(shù)為VTH=1.5V，，求靜態(tài)工作點(diǎn)電流IDQ。2023/2/195模擬電子學(xué)基礎(chǔ)注意：在實(shí)際計(jì)算中最后要核實(shí)電路確實(shí)工作在恒流區(qū)，否則上述計(jì)算無效2023/2/196模擬電子學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管工作點(diǎn)的例2如圖電路，已知VDD=6V，RD=5kW，RS=1kW，RG1=100kW，RG2=100kW，RG3=1MW。晶體管參數(shù)為VTH=1.5V，求靜態(tài)工作點(diǎn)電流IDQ。2023/2/197模擬電子學(xué)基礎(chǔ)分析：由于場(chǎng)效應(yīng)管無柵極電流，所以RG3無壓降列聯(lián)立方程：解之，得二次方程（其中）：2023/2/198模擬電子學(xué)基礎(chǔ)解此二次方程得：代入具體數(shù)據(jù)：代回電路中驗(yàn)算：舍去增根，IDQ=0.5mA2023/2/199模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)模型轉(zhuǎn)移特性交流小信號(hào)線性化近似的實(shí)質(zhì)，是以工作點(diǎn)附近的切線代替原來的特性曲線，以工作點(diǎn)附近的小信號(hào)DI、DV作為有效的輸入輸出信號(hào)2023/2/1100模擬電子學(xué)基礎(chǔ)對(duì)轉(zhuǎn)移特性求導(dǎo)（切線斜率），并記為gm對(duì)交流信號(hào)有漏極電流可用壓控電流源（線性電流源）等效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)可以用電阻rds等效等效模型：2023/2/1101模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)線性化近似的條件直流工作點(diǎn)線性項(xiàng)非線性項(xiàng)1、只有二階非線性項(xiàng)2、非線性誤差為2023/2/1102模擬電子學(xué)基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管的高頻小信號(hào)模型高頻時(shí)需考慮極間電容的影響常見的小功率場(chǎng)效應(yīng)管，Cgs和Cgd的數(shù)值大致為1～10pF，Cds的數(shù)值大致為0.1～1pF

2023/2/1103模擬電子學(xué)基礎(chǔ)p溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管用n型襯底材料，并將所有電極的導(dǎo)電類型反過來，就形成p溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管2023/2/1104模擬電子學(xué)基礎(chǔ)兩種不同溝道場(chǎng)效應(yīng)管的異同極性不同，導(dǎo)致直流偏置不同n溝道：VGS>0，VDS>0；襯底接最低電位p溝道：V