《模拟电子技术基础》第一章.ppt

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1、,Home,1.1 半导体的基本知识,1.6* 集成电路中的元件,1.2 半导体二极管,1.5* 单结晶体管和晶闸管,内容简介,习题解答,1.3 双极性晶体管,1.4 场效应管,1.常用半导体器件,半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节PN结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。对晶闸管和集成电路中的元件也进行了简要介绍。,Home,内容简介,1.常用半导体器件,Home,1. 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导

2、 体：109cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。,Next,2. 半导体的晶体结构 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。,1.1 半导体的基本知识,3.本征半导体 本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。,Home,Next,Back,1.1 半导体的基本知识,电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出

3、现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni自由电子的浓度；pi空穴的浓度）。,空穴：共价键中的空位。,Home,Next,Back,K1常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为1.7610-6 K-3/2/cm3 ；T热力学温度；EGO禁带宽度，硅为1.21eV，锗为0.785eV ；k波耳兹曼常数，8.63 10-5 eV/K。（e单位电荷，eV=J）,1.1 半导体的基本知识,Home,Next,Back,载流子：能够参与导电的带电粒子。,（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定； （2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅

4、材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。,1.1 半导体的基本知识,4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。,Home,Next,Back,1.1 半导体的基本知识,Home,Next,Back,受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。,多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控

5、制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。,1.1 半导体的基本知识,Home,Next,Back,施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。 在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。,1.1 半导体的基本知识,综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。 掺杂 对本征半导体的导电性的影响，其典型数据如下: T=300 K室温下

6、,本征硅的电子和空穴浓度: ni = pi =1.41010/cm3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: ni=51016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,Home,Next,Back,1.1 半导体的基本知识,小 结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念： 本征半导体 本征激发、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体 受主杂质、施主杂质、多子、少子,Home,Next,Back,1.1 半导体的基本知识,二.PN结的单向导电性 正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反

7、之称为加反向电压，简称反偏。,一.PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如图1.1.6所示。,5. PN结,Home,Next,Back,1.1 半导体的基本知识,PN结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流， PN结导通。其示意图如 图1.1.7所示。,Home,Next,Back,2. PN结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。其示意图如 图1.1.8所示。,3. PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时

8、导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。,1.1 半导体的基本知识,Home,Next,Back,三.PN结的特性曲线 1. PN结的V-I 特性表达式,式中，IS 反向饱和电流； n 发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为12；VT 温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:VT = kT/q = 0.026V =26mV,1.1 半导体的基本知识,2. PN结的正向特性,Home,Next,Back,死区电压Vth硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。,导通电压Von硅材料为0.60.7V左右；锗材料为0.20.3V左右。,1.1 半导体的基本知识,3

9、. PN结的反向特性,Home,Next,Back,反向电流： 在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流IR 即为反向饱和电流IS，基本保持不变。 反向电流受温度的影响大。,1.1 半导体的基本知识,4. PN结的反向击穿特性,Home,Next,Back,反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。,1.1 半导体的基本知识,Home,Next,Back,反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。,雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电

10、场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，形成载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。,齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了PN结的齐纳击穿。,1.1 半导体的基本

11、知识,四. PN结的电容效应,Home,Next,Back,1. 势垒电容Cb,图1.1.12 势垒电容示意图,PN结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容Cb。当PN结加反向电压时， Cb明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。,1.1 半导体的基本知识,2.扩散电容Cd,图1.1.13 扩散电容示意图,Home,Next,Back,PN结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。,结电容C

12、j= Cb+ Cd 反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。,1.1 半导体的基本知识,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容： PN结形成：扩散、复合、空间电荷区（耗尽层、势垒区、阻挡层、内建电场）、动态平衡 PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止 PN结的特性曲线： 正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、热击穿 PN结的电容效应：势垒电容、扩散电容,Home,Back,1.1 半导体的基本知识,1.2 半导体二极管,Home,Next,1.半导体二极管的结构 在PN结上

13、加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,一. 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(a)点接触型 图1.2.1 二极管的结构示意图,Home,Next,二. 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型图1.2.1 二极管的结构示意图,Back,1.2 半导体二极管,Home,Next,三. 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,Back,1.2 半导体二极管,Home,Next,四. 二极管的图形符号,Back,2.半导体二极管的V-I特

14、性 二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。在此不再赘述。,1.2 半导体二极管,Home,Next,Back,图1.2.3 半导体二极管图片,1.2 半导体二极管,3.半导体二极管的参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压VBR和 最大反向工作电压VR,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,(5) 最高工作频率fM,图1.2.4 二极管的高频等效道路,Home,Next,Back,1.2 半导体二极管,(6)结电容Cj,4. 二极管的等效模型电路,（1）理想模型,

15、图1.2.5 二极管的理想等效模型,正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关。,1.2 半导体二极管,Home,Next,Back,Home,Next,（2）恒压降模型,Back,正偏时：uD=Uon,RD=0; 反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关和恒压源的串联。,图1.2.6 二极管的恒压降等效模型,1.2 半导体二极管,Home,Next,（3）折线型模型,Back,正偏时：uD=iDrD+UTH; 反偏时：iD=0, RD=。 相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。,图1.2.7 二极管的折线型等效模型,1.2 半导体二极管,Ho

16、me,Next,（4）小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,Back,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,图1.2.8 二极管的小信号等效模型,1.2 半导体二极管,Home,Next,5.二极管基本电路及模型分析法,（1）二极管的静态工作情况分析,Back,例1.2.1 求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压VD。,1.2 半导体二极管,Home,Next,（2）二极管限幅电路,Back,解：请观看仿真波形!,（3） 二极管开关电路,1.2 半导体二极管,Home,Next,（1）稳压二极管的伏安特性,Bac

17、k,稳定电压VZ 稳定电流IZ（ IZmin 、IZmin ） 额定功耗PZM 动态电阻rZ 温度系数,图1.2.12 稳压管的 伏安特性,1.2 半导体二极管,6.稳压二极管,（2）稳压二极管的主要参数,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。其伏安特性如图1.2.12所示。,Home,Next,（3）稳压二极管构成的稳压电路,Back,1.2 半导体二极管,例1.2.4 设计如图1.2.13 所示稳压管稳压电路，已知VO=6V， 输入电压VI 波动10%， RL=1k。,Home,Next,Back,1.2 半导体二极管,Home,Next,（1）发光二极管,

18、Back,外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。,1.2 半导体二极管,7.其它类型的二极管,（2）光电二极管,工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流在530mA之间，电流越大，发光越强。,（3）变容二极管,（4）激光二极管,（5）隧道二极管和肖特基二极管,Home,Back,作业： P6667： 1.31.11,1.2 半导体二极管,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容： 半导体二极管的构成和类型：点接触型、面接触型、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。 半导体二极管的特性：与PN结基本相同。

19、半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型 应用二极管等效模型分析和计算半导体二极管电路的基本方法 简要介绍了其它类型的二极管。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,1.双极性晶体管的结构及类型 双极性晶体管的结构如图1.3.1所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。,图1.3.1 三极管结构示意图,发射极Emitter,基极Base,集电极Collector,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,结构特点：（1）基区很薄，且掺杂浓度很低；（2）发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；（3）集电结的结面积很大。 上述结构特点

20、构成了晶体管具有放大作用的内部条件。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,2. 晶体管的电流放大作用,Back,（1）晶体管具有放大作用的外部条件,发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管， VC VB VE；对于PNP管， VE VB VC。,（2）晶体管内部载流子的运动（如图1.3.3所示）,发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,（3）晶体管的电流分配关系,根据传

21、输过程可知,IC= InC+ ICBO,IB= IB - ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,为共基直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.99,图1.3.4晶体管的电流分配关系,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,根据,IE=IB+ IC,IC= InC+ ICBO,且令,是共射直流电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般,当输入为变化量（动态量）时，相应的电流放大倍数为交流电流放大倍数：,1.3 双极性晶体管,Home,Next,3. 晶体管的共射特性曲线,Back,（1

22、）输入特性曲线,iB=f(vBE) vCE=const,(b) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(a) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,（2）输出特性曲线（图1.3.7）,饱和区：iC明显受vCE控制，该区域内，vCE=VCES0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE) iB=const,输出特性曲线的三个区域:,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， v

23、BE小于死区电压，集电结反偏。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,图1.3.7,1.3 双极性晶体管,Home,Next,4. 晶体管的主要参数,Back,（1）直流参数,(a)共射直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,图1.3.8,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,(c) 极间反向电流,(i) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,(b) 共基直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,(ii) 集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO=（

24、1+ ）ICBO,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,（2）交流参数,(a)共射交流电流放大系数,(b)共基交流电流放大系数,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,图1.3.12,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,（3）极限参数,(a) 集电极最大允许电流ICM,(b) 最大集电极耗散功率PCM,PCM= iCvCE= const,(c) 反向击穿电压, V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。, V(BR) EBO集电极开路时发射结的反向击穿

25、电压。, V(BR)CEO基极开路时C极和E极间的击穿电压。,其关系为：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,图1.3.13,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。,图1.3.14 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,1.3 双极性晶体管,Home,Next,5. 温度对晶体管特性及参数的影响,Back,（1）温度对ICBO 的影响,(a) ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的；(b) 温度升高10oC，ICBO增加约一倍;(c) 硅管的ICBO 比锗管小得多，所以

26、受温度的影响也小得多。,（2）温度对输入特性 的影响,温度升高1oC，VBE 减小约22.5mV，具有负的温度系数。若VBE 不变，则当温度升高时，iB将增大，正向特性将左移；反之亦然。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,（3）温度对输出特性的影响,温度升高，IC增大， 增大。温度每升高1oC ， 要增加 0.5% 1.0%,图1.3.16,1.3 双极性晶体管,Home,Next,6. 光电三极管,Back,光电三极管依照光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能等效于一只光电二极管与一只晶体管相连。如图所示。,图1.3.17,图1.3.18,1.3 双极性晶体管,Home,

27、Next,思考题,Back,1. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。,2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？,3. 为什么说BJT是电流控制型器件？,例 题,例1.3.1 图1.3.19 所示各晶体管处于放大工作状态，已知各电极直流电位。试确定晶体管的类型（NPN /PNP、硅/锗），并说明x、y、z 代表的电极。,图1.3.19,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,提示： （1）晶体管工作于放大状态的条件：NPN管：VC VBVE，PNP管：VEVBVC；（2）导通电压：硅管|VBE|= 0.60.7V，锗管|VBE|

28、= 0.20.3V，,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,例1.3.2 已知NPN型硅管T1 T4 各电极的直流电位如表1.3.1所示，试确定各晶体管的工作状态。,提示： NPN管（1）放大状态：VBE Von, VCE VBE; （2）饱和状态： VBE Von, VCE VBE; （3）截止状态： VBE Von,表1.3.1,放大,饱和,放大,截止,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,例1-7 图1.3.20 所示电路中，晶体管为硅管， VCES=0.3V 。求：当VI=0V、VI=1V 和VI=2V时VO=?,图1.3.20,解：(1) VI=0V时，

29、VBE Von，晶体管截止，IC=IB=0， VO= VCC=12V。,1.3 双极性晶体管,Home,Next,Back,(3) VI=2V时：,(2) VI=1V时：,图1.3.20,Home,Back,作业： P6769： 1.121.19,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容： 双极性晶体管的结构和类型：NPN、PNP 晶体管的电流放大作用和电流分配关系 晶体管具有放大作用的内部条件 晶体管具有放大作用的外部条件 IE=IB+IC=(1+)IB， IC=IB， 晶体管的特性及参数 VBE、Von 晶体管的三个工作状态 温度对晶体管参数的影响 简要介绍了光电三极管。,1.3 双极性晶体管,

30、Home,1. 场效应管的特点和分类,Next,1.4 场效应管,（2）分类,（1）特点,利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（1071012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。,2. 结型场效应管,1.4 场效应管,（1）结型场效应管的结构（如图1.4.1所示）,Home,Next,Back,源极S,漏极D,栅极G,符号,P型区,N型导电沟道,图1.4.1,1.4 场效应管,（2）结型场效应管的工作原理（如图1.4.2所示）,Home,Next,Back, vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用,当vGS 0时， PN

31、结反偏，| vGS |耗尽层加厚沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。, vGS=(VGS(off)0) 的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用,当vDS=0时，iD=0；vDS iD ，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。,1.4 场效应管,Home,Next,Back, 当vGD VGS(off)时，vG

32、S对iD的控制作用,当vGD = vGS - vDS vGS - VGS(off) 0，导电沟道夹断， iD 不随vDS 变化 ； 但vGS 越小，即|vGS| 越大，沟道电阻越大，对同样的vDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变vGS 控制iD 的大小， iD与vDS 几乎无关，可以近似看成受vGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。,用gm来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用， gm称为低频跨导,综上分析可知：(a) JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管； (b) JFET 栅极与沟道间的PN

33、结是反向偏置的，因此输入电阻很高；(c) JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；(d)预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,（3）结型场效应管的特性曲线,转移特性, 输出特性,3. 绝缘栅型场效应管,1.4 场效应管,Home,Next,Back,IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）,vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD0，为耗尽型管。,（一）N沟道增强型MOS管（其结构和符号如图1.4.

34、4所示）,图1.4.4,1.4 场效应管,（1）N沟道增强型MOS管的工作原理,Home,Next,Back, vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用,当vDS=0且vGS0时， 因SiO2的存在，iG=0。但g极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥P型衬底靠近g极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。如图1.4.5所示。,当vGS=0时， 漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道，无论 vDS 为多少， iD=0 。,图1.4.5,当vGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称之为反型层，构成

35、了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图1.4.6所示。,图1.4.6,使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压VGS(th)。 vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。,1.4 场效应管,Home,Next,Back, vGSVGS(th) 的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用,当vDS=0时，iD=0；vDS iD ，同时使靠近漏极处的耗尽层变窄。当vDS增加到使vGD=VGS(th) 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。如图1.4.7所示。,图1.4.7,1.4 场效应管,Home,Next,Back,（2） N沟道增强型MO

36、S管的特性曲线与电流方程,N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图1.4.8所示，与JFET一样，可分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,转移特性, 输出特性,1.4 场效应管,Home,Next,Back,（二）N沟道耗尽型MOS管（其结构和符号如图1.4.9所示）,图1.4.9,与 N沟道增强型MOS管不同的是， N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使在vGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就会产生iD。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,若

37、vDS为定值，而vGS 0， vGS iD ；若vGS VGS(off)，且为定值，则iD 随vDS 的变化与N沟道增强型MOS管的相同。但因VGS(off) 0，所以vGS在正、负方向一定范围内都可以实现对iD的控制。其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。,（三）P沟道MOS管,P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构相同，只是掺杂的类型刚好相反，所以其电压和电流的极性与N沟道MOS管的相反。其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,4. 场效应管的主要参数,（一）直流参数,开启电压VGS(th)：对增强型MOS管，当VDS为定值时，使iD刚

38、好大于0时对应的VGS值。,夹断电压VGS(off) （或VP）：对耗尽型MOS管或JFET ，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。, 饱和漏极电流IDSS：对耗尽型MOS管或JFET ，VGS=0时对应的漏极电流。,1.4 场效应管,Home,Next,Back, 直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，RGS大于107， MOS管的RGS大于109， 。,（二）交流参数, 低频跨导gm：低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得。,1.4 场效应管,Home,Next,Back, 极间电容： Cgs和Cgd约为13pF，和 Cds约为0.11pF。

39、高频应用时，应考虑极间电容的影响。,（三）极限参数,最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。,击穿电压V(BR) DS、 V(BR) GS：管子漏-源、栅-源击穿电压。,最大耗散功率 PDM ：决定于管子允许的温升。,注意 ：对于MOS管，栅-衬之间的电容容量很小，RGS很大，感生电荷的高压容易使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是工作中还是存放的MOS管，都应为栅-源之间提供直流通路，避免栅极悬空；同时，在焊接时，要将烙铁良好接地。, 输出电阻rd：,1.4 场效应管,Home,Next,Back,图1.4.11 例1.4.图,例1.4.电路如图1.4.11(a) 所示

40、，场效应管的输出特性如图1.4.11(b) 所示 。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,(c)当uI=10V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-28=2V， uDS - VGS(th) =2-6=-4V，显然小于uGS =10V时的预夹断电压，故假设不成立 ，管子工作于可变电阻区。此时，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故,解: (a)当uI=2V 时， uI=uGS VGS(th) ，场效应管工作于夹断区，iD=0，故uO=VDD- iD

41、Rd= VDD =18V。,(b)当uI=8V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=1mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-18=10V， uDS - VGS(th) =10-4=6V，大于uDS =10V时的预夹断电压，故假设成立 。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,例 题,例1.4. 已知各场效应管的输出特性曲线如图1.4.10 所示。试分析各管子的类型。,图1.4.10 例1.4.图,1.4 场效应管,Home,Next,Back,解: (a) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS 0，故为JFET（耗尽型）。,(b) iD0（或vDS0），

42、则该管为P沟道； vGS0，故为增强型MOS管。,(c) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS可正、可负，故为耗尽型MOS管。,提示： 场效应管工作于恒流区：（1） N沟道增强型MOS管：VDS0, VGSVGS(th) 0；P沟道反之。 （2） N沟道耗尽型MOS管： VDS0, VGS可正、可负，也可为0；P沟道反之。 （3） N沟道JFET： VDS0, V GS0 ；P沟道反之。,1.4 场效应管,Home,Next,Back,5. 场效应管与晶体管的比较, 场效应管的漏极d 、栅极g和源极s分别对应晶体管的集电极c、基极b和发射极e，其作用类似。, 场效应管以栅-源电压控制

43、漏极电流，是电压控制型器件，且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，晶体管内既有多子又有少子参与导电，是双极性晶体管。, 场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。,场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大，只有在特殊情况下才互换使用。但要注意的是，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬底和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互换使用。,1.4 场效应管,Home,Next,Back, 场效应管的种类多，栅-源电压可正、可负，使用更灵活。, 场效应管集成工艺

44、更简单、功耗小、工作电源电压范围宽，使之更多地应用于大规模和超大规模集成电路中。, 一般情况下，由晶体管构成的放大电路具有更高的电压放大倍数和输出功率。,思考题 为什么FET的输入电阻比BJT的高得多？为什么MOSFET比JFET的输入电阻高？ 场效应管正常放大时，导电沟道处于什么状态？,1.4 场效应管,Home,Next,Back,图1.4.12,解：由图中得N沟道JFET的vGS=0，此时， iD=IDSS=4mA。 而uDS|VGS(off)|=4V ，所以 vOmax=VDD -4V=12 4=8V ，故 RL= vO / IDSS =(08V)/4mA=(02)k 。,例1.4.3 电路如图1.4.12 所示，场效应管的夹断电压VGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS=4mA。为使场效应管工作于恒流区，求RL的取值范围。,1.4 场效应管,Home,Back,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容： 场效应管的结构和类型 场效应管的工作原理 场效应管的特性曲线 场效应管的主要参数 场效应管与晶体管的比较,作业,1.4 1.5 1.7 1.9 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.22 1.23,