《電工電子學(xué)》課件第9章

第9章半導(dǎo)體二極管和晶體管

9.1

PN結(jié)

9.2半導(dǎo)體二極管

9.3特殊二極管

9.4雙極晶體管

9.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管

9.1

PN結(jié)

9.1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

自然界的物質(zhì)按照其導(dǎo)電能力的大小可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類。9.1.2本征半導(dǎo)體

不含任何雜質(zhì)、純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。以硅(Si)和鍺(Ge)為例，它們都是四價(jià)的元素，原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖9-1所示。最外層的四個(gè)價(jià)電子受原子核

的束縛力較小，容易與相鄰原子中的價(jià)電子構(gòu)成共價(jià)鍵。這樣硅與鍺的晶體結(jié)構(gòu)是每一個(gè)原子與相鄰四個(gè)原子結(jié)合構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖9-2所示。圖9-1硅和鍺原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖9-2本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖由空穴的成因可知，空穴和自由電子是成對(duì)出現(xiàn)的，即在本征半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)和空穴數(shù)相等?？昭ㄓ捎谑ヒ粋€(gè)價(jià)電子而帶正電，自由電子帶負(fù)電，如圖9-3所示。圖9-3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴9.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體

在硅或鍺的晶體中，摻入微量的五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，則晶體點(diǎn)陣中某些位置上的硅原子將被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子有5個(gè)價(jià)電子，它們以4個(gè)價(jià)電子和相

鄰的硅原子組成共價(jià)鍵后，還多余一個(gè)電子，這個(gè)多余的電子不受共價(jià)鍵束縛，只受自身原子核的吸引，由于這個(gè)吸引力很微弱，因此這個(gè)多余的價(jià)電子在常溫下就成為自由電

子，如圖9-4所示。圖9-4

N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

2.P型半導(dǎo)體

與N型半導(dǎo)體相反，在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，因雜質(zhì)原子只有三個(gè)價(jià)電子，它與周圍的硅或鍺原子組成共價(jià)鍵時(shí)，因缺少一個(gè)電子，在

晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，如圖9-5所示，從而使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目大大增加，這時(shí)空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，故這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。圖9-5

P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)9.1.4

PN結(jié)的形成及特性

1.PN結(jié)的形成

物質(zhì)總是由濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界處，由于電子和空穴的濃度差懸殊，因而會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖9-6所示。圖9-6多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在交界面附近，N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散，與P區(qū)中的多子空穴復(fù)合，在N區(qū)留下帶正電的五價(jià)雜質(zhì)離子；同時(shí)P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)中的電子復(fù)合，在P區(qū)留下一些帶負(fù)電的三價(jià)雜質(zhì)離子。交界面載流子濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，由于正、負(fù)離子是不能移動(dòng)的，故稱之為空間電荷區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。同時(shí)，正、負(fù)離子形成一個(gè)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)，如圖9-7所示。圖9-7內(nèi)電場(chǎng)的形成當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度就穩(wěn)定下來(lái)了，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一般為幾微米至幾十微米，該空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)，如圖9-8所示。圖9-8平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)外加正向電壓。若外加電壓從P區(qū)指向N區(qū)(如圖9-9所示)，這時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，在外電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)，與一部分負(fù)離子中和，N區(qū)中的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)與一部分正離子中和，于是整個(gè)空間電荷區(qū)變窄，從而使多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流，這個(gè)電流稱為正向電流，其方向是從P區(qū)指向N區(qū)。這種外加電壓接法稱為正向偏置。圖9-9

PN結(jié)外加正向電壓

(2)PN結(jié)外加反向電壓。若外加電壓從N區(qū)指向P區(qū)(如圖9-10所示)，這種情況稱為PN結(jié)反向偏置。這時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，因而增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用。在外電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的自由電子各自背離空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)空間電荷區(qū)變寬，從而抑制了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向電流。圖9-10

PN結(jié)外加反向電壓

9.2半導(dǎo)體二極管

9.2.1二極管的基本結(jié)構(gòu)

將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為二極管。按結(jié)構(gòu)分類，二極管有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三類。點(diǎn)接觸型二極管(一般為鍺管)如圖9-11(a)所示，它的PN結(jié)結(jié)面積很小，因此不能通過較大的電流，但其高頻性能好，故一般適用于高頻和小功率的工作，也可用做數(shù)字電路中的開關(guān)元件。面接觸型二極管(一般為硅管)如圖9-11(b)

所示，它的PN結(jié)結(jié)面積很大，所以可通過較大的電流，

但其工作頻率較低，一般用做整流。平面型二極管如圖

9-11(c)所示，可用做大功率整流管和數(shù)字電路中的開關(guān)管。圖9-11(d)是二極管的表示符號(hào)。圖9-11半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)9.2.2二極管的伏安特性與溫度特性

二極管是由PN結(jié)加上引線和管殼構(gòu)成的，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)PN結(jié)。但是真正的二極管要考慮到引線的電阻等因素的影響，二極管和PN結(jié)的特性略有差異。二極管的伏安特性曲線

如圖9-12所示。圖9-12二極管的伏安特性

(1)正向特性。

(2)反向特性。

從二極管的伏安特性曲線可以看出，二極管的電流電壓關(guān)系不是線性關(guān)系，因此，二極管是非線性元件。根據(jù)半導(dǎo)體物理的理論分析，二極管的伏安關(guān)系為

(9-1)

(3)溫度特性。9.2.3二極管的主要參數(shù)

在使用二極管時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

(1)最大整流電流IF：

(2)最大反向工作電壓UR：

(3)反向電流IR：

(4)最高工作頻率fM：

【例9-1】單限幅電路如圖9-13(a)所示，已知ui=

5sinωt，E=3V，試畫出輸出電壓uo的波形圖。圖9-13例9-1圖

解當(dāng)0≤ui<3V時(shí)，二極管外加電壓uD=ui－3V<0，二

極管截止，相當(dāng)于開路，輸出端電壓uo等于輸入電壓ui。

當(dāng)3V<ui≤5V時(shí)，二極管端電壓uD=ui－3V>0，二極管

導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，輸出端電壓uo=E=3V。

當(dāng)ui≤0V時(shí)，二極管端電壓uD=ui－3V<0，二極管截止，相當(dāng)于開路，輸出端電壓uo等于輸入電壓ui。

綜上分析，可畫出輸出電壓uo的波形圖，如圖9-13(b)

所示。

【例9-2】單向半波整流電路如圖9-14(a)所示，試畫出輸出電壓uo的波形圖。

解當(dāng)ui≥0V時(shí)，即在正半周，二極管導(dǎo)通，則負(fù)載上的電壓uo=ui；

當(dāng)ui≤0V時(shí)，即在負(fù)半周，二極管截止，則負(fù)載上的電壓uo=0。

由上述分析可畫出輸出波形圖，如圖9-14(b)所示。圖9-14例9-2圖

9.3特殊二極管

9.3.1穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性

穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線及符號(hào)如圖9-15所示，其正向特性為指數(shù)曲線。圖9-15穩(wěn)壓二極管的伏安特性與符號(hào)2.穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。

(2)穩(wěn)定電流IZ。

(3)額定功耗PZM。

(4)動(dòng)態(tài)電阻rZ。

(5)溫度系數(shù)α。9.3.2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡(jiǎn)稱LED。圖9-16所示為發(fā)光二極管的符號(hào)。發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型。圖9-16發(fā)光二極管的符號(hào)9.3.3光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管，其符號(hào)如圖9-17所示。它的管殼上有透明的聚光窗，由于PN結(jié)的光敏特性，當(dāng)有光線照射時(shí)，光敏二極管在一定的反向偏壓范圍內(nèi)，其反向電流將隨光射強(qiáng)度的增加而線性地增加，這時(shí)光敏二極管等效于一個(gè)恒流源。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管可用來(lái)作為光的測(cè)量，是將光信號(hào)

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的常用器件。圖9-17光電二極管的符號(hào)

【例9-3】如圖9-18所示電路,已知UZ=30V,Ui=60V，R=3kΩ，分別求當(dāng)RL=30kΩ、3kΩ和1kΩ時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流IDZ的值。圖9-18例9-3圖

解

(1)當(dāng)RL=30kΩ時(shí)，穩(wěn)壓管VDZ工作在擊穿區(qū)，所以穩(wěn)壓管端電壓等于

30V。則

(2)當(dāng)RL=3kΩ時(shí)，即穩(wěn)壓管VDZ端電壓等于30V，則有

(3)當(dāng)RL=1kΩ時(shí)，

所以穩(wěn)壓管VDZ不能被擊穿，IDZ=0。

9.4雙極晶體管

9.4.1雙極晶體管的結(jié)構(gòu)

采用平面工藝制成的NPN型硅材料雙極晶體管的結(jié)構(gòu)如圖9-19所示，位于中間的P區(qū)稱為基區(qū)，它很薄且雜質(zhì)濃度很低，該區(qū)引出基極b；位于上層的N區(qū)是發(fā)射區(qū)，摻雜濃度很高，引出發(fā)射極e；位于下層的N區(qū)是集電區(qū)，集電結(jié)面積很大，引出集電極c；雙極晶體管的外特性與三個(gè)區(qū)域的上述特點(diǎn)緊密相關(guān)。圖9-19

NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖按PN結(jié)的組合方式分類，雙極晶體管有NPN和PNP兩種類型，其結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖9-20、圖9-21所示。圖9-20

NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖與符號(hào)圖9-21

PNP型三極管結(jié)構(gòu)示意圖與符號(hào)*9.4.2雙極晶體管的工作原理

1.雙極晶體管的三種連接方式

由于雙極晶體管有三個(gè)電極，而放大電路一般是四端網(wǎng)絡(luò)，所以雙極晶體管在組成放大電路時(shí)，勢(shì)必有一個(gè)電極作為輸入與輸出信號(hào)的公共端。根據(jù)所選擇的公共端電極的不同，雙極晶體管有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種不同的連接方式(指對(duì)交流信號(hào)而言)，共哪個(gè)極是指哪個(gè)極作為電路輸入和輸出的公共點(diǎn)。

2.雙極晶體管的電流分配關(guān)系

為了使雙極晶體管實(shí)現(xiàn)放大作用，從雙極晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，應(yīng)具有以下三點(diǎn)：

(1)發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，因而多數(shù)載流子電子濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)多數(shù)載流子空穴濃度；

(2)基區(qū)做得很薄，通常只有幾微米到幾十微米，而且是低摻雜；

(3)集電區(qū)面積大，以保證盡可能收集發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。如圖9-22所示的NPN型雙極晶體管電路中，對(duì)于加有正向電壓的發(fā)射結(jié)，通過它的發(fā)射極正向電流IE由兩部分構(gòu)成：一是發(fā)射區(qū)中的多子自由電子通過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散注入到基區(qū)形成的IEN；二是基區(qū)中的多子空穴通過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散注入到發(fā)射區(qū)，形成的空穴電流IEP，它們的實(shí)際方向都是從發(fā)射結(jié)流出，因而：

IE=IEN+IEP

(9-2)圖9-22三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)與外部電流對(duì)于加有反向電壓的集電結(jié)，通過它的集電極電流IC中，除了基區(qū)中少子通過集電結(jié)形成的電子電流ICN2和集電區(qū)中少子通過集電結(jié)形成的空穴電流ICP所組成的反相飽和電流ICBO以外，還有發(fā)射區(qū)擴(kuò)散注入到基區(qū)的自由電子在基區(qū)通過，邊擴(kuò)散邊復(fù)合達(dá)到集電結(jié)邊界，而后由集電結(jié)阻擋層內(nèi)電場(chǎng)促使它們漂移到集電區(qū)而形成的電子傳輸電流ICN1。ICN1和ICN2共同構(gòu)成集電結(jié)電子電流ICN，即

IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO(9-3)

式中：

ICBO=ICN2+ICP(9-4)由圖9-22可知，雙極晶體管中的基極電流IB由以下成分構(gòu)成：通過發(fā)射結(jié)的空穴電流IEP，通過集電結(jié)的反向飽和電流ICBO及IEN擴(kuò)散到集電結(jié)附近轉(zhuǎn)化為ICN1過程中，在基區(qū)復(fù)合的電流IEN－ICN1，即

IB=IEP－ICBO+(IEN－ICN1)

(9-5)

由以上各式可得

IE=IB+IC(9-6)

3.雙極晶體管的電流放大作用

為了衡量發(fā)射極電流IE轉(zhuǎn)化為受控集電極電流ICN1的能力，引入?yún)?shù)，稱為共基極直流電流傳輸系數(shù)。其定義為

(9-7)

利用式(9-7)，式(9-3)可寫成

(9-8)對(duì)于共發(fā)射極的放大電路，將式IB=IE－IC代入式(9-8)，經(jīng)整理可得

令

(9-9)稱為共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)，則上式可以改寫為

(9-10)

式(9-10)就是共發(fā)射極連接時(shí)的電流傳輸方程，它描述了輸出集電極電流IC與輸入基極電流IB之間的依存關(guān)系。式中：

(9-11)

表示基極開路(IB=0)時(shí)，從集電極流向發(fā)射極的電流，稱為雙極晶體管共發(fā)射極連接時(shí)的穿透電流。若輸入電壓變化ΔuI，則雙極晶體管的基極電流將變化ΔiB，集電極電流也將變化ΔiC，我們定義這兩個(gè)變化電流之比為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，即

(9-12)

相應(yīng)地，將集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比定義為共基極交流電流放大系數(shù)，即

(9-13)9.4.3雙極晶體管的特性曲線

用圖形描述雙極晶體管外部各極電壓電流的相互關(guān)系，即為雙極晶體管的特性曲線。特性曲線與參數(shù)是選用雙極晶體管的主要依據(jù)，特性曲線通常用晶體管特性圖示儀顯示出來(lái)。本書以共發(fā)射極放大電路為例，討論NPN雙極晶體管的共發(fā)射極輸入特性和輸出特性。其測(cè)試電路如圖9-23所示。圖9-23

NPN雙極晶體管共發(fā)射極特性曲線測(cè)試電路

1.輸入特性

輸入特性描述雙極晶體管在管壓降uCE一定的情況下，基極電流iB與發(fā)射結(jié)壓降uBE之間的函數(shù)關(guān)系，即

(9-14)

如圖9-24所示，當(dāng)uCE=0時(shí)，相當(dāng)于集電極與發(fā)射極短路，即發(fā)射結(jié)與集電結(jié)這兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。因此，輸入特性曲線與PN結(jié)的正向特性相類似，呈指數(shù)關(guān)系。圖9-24三極管輸入特性曲線

2.輸出特性

當(dāng)IB不變時(shí)，輸出回路中的電流iC與電壓之uCE間的關(guān)系曲線稱為雙極晶體管的輸出特性，即

(9-15)

可以看出，對(duì)應(yīng)每一個(gè)固定的IB值，都可以得到一條

輸出特性曲線，改變IB值后可得到另一條輸出特性曲線，

因此，雙極晶體管的輸出特性曲線是一組曲線，如圖9-25

所示。圖9-25三極管輸出特性曲線9.4.4雙極晶體管的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)

(1)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β。該系數(shù)表示共發(fā)射極接法時(shí)電路的電流放大作用。

(2)共基極交流電流放大系數(shù)α。該系數(shù)表示共基極接法時(shí)電路的電流放大作用。

(3)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)。

當(dāng)IB>>ICBO時(shí)，

(4)共基極直流電流放大系數(shù)。當(dāng)忽略反向飽和電流ICBO時(shí)，

近似分析時(shí)，可以認(rèn)為

2.極間反向電流

(1)集電極-基極反向飽和電流ICBO，它表示發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。

(2)集電極-發(fā)射極穿透電流ICEO，它表示基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。

3.特征頻率fT

由于雙極晶體管中PN結(jié)結(jié)電容的存在，因此雙極晶體管的交流電流放大系數(shù)β是所加信號(hào)頻率f的函數(shù)。信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)，集電極電流與基極電流之比數(shù)值不但下降，且產(chǎn)生相移。使β的數(shù)值下降到1的信號(hào)頻率稱為特征頻率fT。

4.極限參數(shù)

極限參數(shù)是指為使保證雙極晶體管安全工作與其工作性能，而對(duì)它的電壓、電流和功率損耗所作的限制，如圖9-26所示。圖9-26三極管的極限參數(shù)9.4.5溫度對(duì)參數(shù)的影響

1.溫度對(duì)UBE的影響

如圖9-27所示，雙極晶體管輸入特性曲線隨溫度的升高而左移，當(dāng)iB不變時(shí)，隨著溫度的升高uBE將下降。其變化規(guī)律為：溫度每升高1℃，uBE減小2~2.5mV，uBE具有負(fù)的溫度系數(shù)；反之，若uBE不變，隨著溫度的升高iB將增大，iB具有正的溫度系數(shù)。圖9-27溫度對(duì)晶體管輸入特性的影響

2.溫度對(duì)ICBO的影響

ICBO是集電結(jié)外加反向電壓時(shí)，由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的。我們?cè)谇懊嬷v過，少數(shù)載流子的濃度取決于溫度，且隨著溫度的升高而提高。因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，少數(shù)載流子增加，ICBO也上升。其變化規(guī)律為：溫度每上升10℃，ICBO上升約1倍。

3.溫度對(duì)β的影響

圖9-28所示為某雙極晶體管在溫度變化時(shí)輸出特性變化的示意圖，實(shí)線所示為20℃時(shí)的特性曲線，虛線所示為40℃時(shí)的特性曲線?？梢?，當(dāng)溫度從20℃升高到40℃時(shí)，相同值的IB與IB′所對(duì)應(yīng)的IC不同，溫度越高IC越大。說明溫度升高時(shí)β隨之增大。其變化規(guī)律為：溫度每升高1℃，β增大0.5%~1%。在輸出特性曲線上，表現(xiàn)為曲線間距隨溫度的

升高而增大。圖9-28溫度對(duì)晶體管輸出特性曲線的影響

9.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管

9.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有N型溝道和P型溝道兩種結(jié)構(gòu)形式如圖

9-29(a)、(b)所示。其電路符號(hào)如圖9-29(c)、(d)所示。圖9-29結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖與符號(hào)

2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

1)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

為便于討論，先假設(shè)uDS=0。當(dāng)uGS由零向負(fù)值增大時(shí)，PN結(jié)的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大，如圖9-30(a)、(b)所示。若uGS的負(fù)值再進(jìn)一步增大，當(dāng)uGS≤UGS(off)時(shí)，則兩個(gè)PN結(jié)的阻擋層相遇，溝道消失，我們稱之為溝道被“夾斷”了，UGS(off)稱為夾斷電壓，此時(shí)iD=0，如圖9-30(c)所示。圖9-30

uDS=0時(shí)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

2)iD與uDS、uGS之間的關(guān)系

當(dāng)uGS為UGS(off)~0中某一固定值時(shí)，若uDS=0，則雖然存在由uGS所確定的一定寬度的導(dǎo)電溝道，但由于D-S間電壓為零，多子不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，因而漏極電流iD為零。若uDS>0，則有電流iD從漏極流向源極，此電流將沿著溝道的方向產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這樣溝道上各點(diǎn)的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極之間的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如沿著溝道向下逐漸降低，使源極端為最低，兩個(gè)PN結(jié)的阻擋層將出現(xiàn)楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄。如圖9-31(a)所示。圖9-31

uDS對(duì)導(dǎo)電溝道和iD的影響在uGD=uGS－uDS<uGS(off)時(shí)，若uDS為一常量，則對(duì)應(yīng)確定的uGS就有確定的iD。此時(shí)，可以通過改變uGS來(lái)控制iD的大小。由于漏極電流受柵-源電壓的控制，故稱場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件。與晶體管用來(lái)描述動(dòng)態(tài)情況下基極電流對(duì)集電極電流的控制作用相類似，場(chǎng)效應(yīng)管用gm來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵-源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm稱為低頻跨導(dǎo)，可表示為

(9-16)

3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

1)輸出特性曲線

輸出特性曲線描述當(dāng)柵-源電壓uGS為常量時(shí)，漏極電流iD與漏-源電壓uDS之間的函數(shù)關(guān)系，即

(9-17)

對(duì)應(yīng)每個(gè)不同的uGS都有一條曲線，因此輸出特性為一組曲線，如圖9-32所示。輸出特性分為四個(gè)區(qū)域，即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和夾斷區(qū)。圖9-32場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線

2)轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線描述當(dāng)漏-源電壓uDS為常量時(shí)，漏極電流iD與柵-源電壓uGS之間的函數(shù)關(guān)系，即

(9-18)

如圖9-33所示，當(dāng)uGS=0時(shí)，iD=IDSS稱為飽和漏極電流。圖9-33場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線隨著uGS反向增大，iD隨之減小，當(dāng)uGS=UGS(off)時(shí)，iD=0。UGS(off)稱為夾斷電壓。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性在0~UGS(off)范圍內(nèi)可用下式來(lái)表示：

(9-19)9.5.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管通常由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，所以又稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱為MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。由于這種場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被絕緣層SiO2隔離，因此其輸入電阻更高，可達(dá)1010Ω以上。從導(dǎo)電溝

道來(lái)區(qū)分，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管也有N溝道和P溝道兩種類型。此外，無(wú)論是N溝道或P溝道，又都有增強(qiáng)型和耗盡型兩種類型。表9-1中給出了各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線。9.5.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

(1)開啟電壓UGS(th)：UGS(th)是在UDS為一常量時(shí)，使iD大于零所需的最小|uGS|值。手冊(cè)中給出的是在iD為規(guī)定的微小電流時(shí)的uGS。UGS(th)是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。

(2)夾斷電壓UGS(off)：與UGS(th)相類似，UGS(off)是在uDS為常量情況下，iD為規(guī)定的微小電流時(shí)的uGS，它是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。

(3)飽和漏極電流IDSS：對(duì)于耗盡型管，在uGS=0的情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流定義為IDSS。

(4)直流輸入電阻RGS(DC)：RGS(DC)等于柵-源電壓與柵-極電流之比。結(jié)型管的RGS(DC)大于107Ω，而MOS管的RGS(DC)大于109Ω。

2.交流參數(shù)

(1)低頻跨導(dǎo)gm：gm數(shù)值的大小表示uGS控制作用的強(qiáng)弱。當(dāng)管子工作在恒流區(qū)且uDS為常量的條件下，iD的變化量ΔiD與引起它變化的ΔuGS之比，稱為低頻跨導(dǎo)，即

(9-20)

gm的單位是S(