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1、第第1講講第第1章章 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),P型硅,型硅,N型硅型硅 1.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管1.4 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1 半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和PN結(jié)結(jié)現(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體是硅和現(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺,它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。鍺,它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體共價(jià)健共價(jià)健 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子通過(guò)一定的工藝過(guò)程,可以將半導(dǎo)體通過(guò)一
2、定的工藝過(guò)程,可以將半導(dǎo)體制成制成晶體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體,稱為稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中,每個(gè)原子與其相臨的原在硅和鍺晶體中,每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成子之間形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵,共用一對(duì)價(jià)電子。,共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中,稱為鍵中,稱為束縛電子束縛電子,常溫下束縛電子很難,常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為脫離共價(jià)鍵成為自由電子自
3、由電子,因此本征半導(dǎo)體,因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少,所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電中的自由電子很少,所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。形成共價(jià)鍵后,每個(gè)原子的最外層電形成共價(jià)鍵后,每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè),構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。子是八個(gè),構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力,使原子規(guī)則排列,形成晶體。使原子規(guī)則排列,形成晶體。+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì),在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì),就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大
4、增加。載流子:電子,空穴大大增加。載流子:電子,空穴N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(主要載流子為電子,電子半導(dǎo)體)(主要載流子為電子,電子半導(dǎo)體)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(主要載流子為空穴,空穴半導(dǎo)體)(主要載流子為空穴,空穴半導(dǎo)體)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)五價(jià)元素磷(或元素磷(或銻),晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代,銻),晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代,磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子,其中四個(gè)與相臨的磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子,其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵,必定半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵,必定多出一個(gè)電子多出一個(gè)電子,這個(gè),這個(gè)電子幾乎不受束縛,很容易被
5、激發(fā)而成為自由電子,電子幾乎不受束縛,很容易被激發(fā)而成為自由電子,這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子,稱為磷原子給出一個(gè)電子,稱為施主原子施主原子。硅或鍺硅或鍺 +少量磷少量磷(五價(jià)五價(jià)) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSiP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)三價(jià)元素,如硼(或元素,如硼(或銦),晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代,銦),晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代,硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子,與相臨的半
6、導(dǎo)體原硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子,與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí),子形成共價(jià)鍵時(shí),產(chǎn)生一個(gè)空穴產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ),使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶引束縛電子來(lái)填補(bǔ),使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子,所以稱為負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子,所以稱為受主受主原子原子。硅或鍺硅或鍺 +少量硼少量硼(三價(jià)三價(jià)) P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體空穴空穴P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷,并且空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷,并且可以移動(dòng)可以移動(dòng)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P P
7、型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.1.3 PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造P型型半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散,型半導(dǎo)體,經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散,在它們的交界面處就形成了在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)多子少子漂移運(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)越寬,內(nèi)空間電荷區(qū)越寬,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng),就使漂移電場(chǎng)越強(qiáng),就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),而漂
8、移使運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),而漂移使空間電荷區(qū)變薄??臻g電荷區(qū)變薄。多子擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。荷區(qū)逐漸加寬。少子漂移運(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡,相當(dāng)?shù)狡胶?,相?dāng)于兩個(gè)區(qū)之間于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng),沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng),空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。多子少子1.1.4 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)結(jié)加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意的意思都是:思都是: P區(qū)加正、區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。區(qū)
9、加負(fù)電壓。 PN結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓、反向偏置反向偏置的意的意思都是:思都是: P區(qū)加負(fù)、區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場(chǎng)減弱,使擴(kuò)散加強(qiáng),內(nèi)電場(chǎng)減弱,使擴(kuò)散加強(qiáng),擴(kuò)散擴(kuò)散 飄移,正向電流大飄移,正向電流大空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流正向電流PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+空間電荷區(qū)變厚空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng),使擴(kuò)散停止,內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng),使擴(kuò)散停止,有少量飄移,反向電流很小有少量飄移,反向電流很小反向飽和電流反向飽和電流很小,很小, A級(jí)級(jí)PNPN符號(hào)符號(hào)陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管(1)、基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)PNP
10、N結(jié)加上管殼和引線,就成為半導(dǎo)體二結(jié)加上管殼和引線,就成為半導(dǎo)體二極管。極管。陰極引線陰極引線陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極( d ) 符號(hào)符號(hào)D反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1 1)最大整流電流最大整流電流I IF F:指管
11、子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí),允許通過(guò)的指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí),允許通過(guò)的最大正向平均電流。最大正向平均電流。2 2)反向擊穿電壓反向擊穿電壓U UB B:指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。3 3)最大反向工作電壓最大反向工作電壓U UDRMDRM:二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的最大反向電壓(約為最大反向電壓(約為U UB B 的一半)。的一半)。4 4)反向電流反向電流I IR R:指管子未擊穿時(shí)的反向電流,其值越:指管子未擊穿時(shí)的反向電流,其值越小,則管子的單向?qū)щ娦栽胶?。小,則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩? 5)最高工作頻率最高工作頻率f fm m:。正向電阻為零,正向?qū)〞r(shí)為短路特
12、性,正向電阻為零,正向?qū)〞r(shí)為短路特性,正向壓降忽略不計(jì);反向電阻為無(wú)窮大,反向截止正向壓降忽略不計(jì);反向電阻為無(wú)窮大,反向截止時(shí)為開(kāi)路特性,反向漏電流忽略不計(jì)。時(shí)為開(kāi)路特性,反向漏電流忽略不計(jì)。(5) 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用定性分析:定性分析:判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的,若二極管是理想的,例例1:二極管:死區(qū)電壓:二極管:死區(qū)電壓=0 .5V,正向壓降,正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管:死區(qū)電壓理想二極管:死區(qū)電壓=0 ,正向壓降,正向壓降=0 RLuiuOuiuott二極管半波整流二極管半波整流例例2:D6V1
13、2V3k BAUAB+例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 1. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號(hào)穩(wěn)壓二極管符號(hào)UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流當(dāng)工作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時(shí)之間時(shí),其兩端電壓近似為其兩端電壓近似為常數(shù)常數(shù)正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓(6) 特殊二極管特殊二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡,曲線越陡,電壓越穩(wěn)定。電壓越穩(wěn)定。+-UZ動(dòng)態(tài)電
14、阻:動(dòng)態(tài)電阻:ZZIUZr rz越小,穩(wěn)壓越小,穩(wěn)壓性能越好。性能越好。穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù): :(%/)ZZ ZIUr zmax例:穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用例:穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZui uoiziURuo= ui - URuo2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)有正向電流流過(guò)時(shí),發(fā)出一定波長(zhǎng)時(shí),發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光,目前的范圍的光,目前的發(fā)光管可以發(fā)出從發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的紅外到可見(jiàn)波段的光,它的電特性與光,它的電特性與一般二極管類(lèi)似。一般二極管類(lèi)似。3. 光電二極管光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IU
15、照度增加照度增加1.3 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管1.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型BECNPN型三極管型三極管BECPNP型三極管型三極管三極管符號(hào)三極管符號(hào)NPNCBEPNPCBEBECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基區(qū):較薄,基區(qū):較薄,摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū):集電區(qū):面積較大面積較大發(fā)射區(qū):摻發(fā)射區(qū):摻雜濃度較高雜濃度較高發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _
16、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 1.3.2 電流放大原理電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射偏,發(fā)射區(qū)電子不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)擴(kuò)散,形擴(kuò)散,形成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IE。IE1進(jìn)入進(jìn)入P區(qū)的電子區(qū)的電子少部分與基區(qū)的少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成空穴復(fù)合,形成電流電流IB ,多數(shù)擴(kuò),多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。散到集電結(jié)。IBBECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴(kuò)從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電散來(lái)的電子漂移進(jìn)子漂移進(jìn)入集電結(jié)入集電結(jié)而被收集,而被收集,形成形成IC。IC2ICIB要使三極管能放大電流,必
17、須使發(fā)射結(jié)要使三極管能放大電流,必須使發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。正偏,集電結(jié)反偏。IE=IC+IB靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù),動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù),動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù) = IC / IBIC = IB動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)IB : IB + IBIC : IC + IC = IC / IB一般認(rèn)為:一般認(rèn)為: = = ,近似為一常數(shù),近似為一常數(shù), 值范圍:值范圍:20100 IC = IB1.3.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSB 實(shí)驗(yàn)線路實(shí)驗(yàn)線路(共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法)CBERC IB 與與UBE的關(guān)系曲線(同二
18、極管)的關(guān)系曲線(同二極管)(1)輸入特性)輸入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死區(qū)電壓,死區(qū)電壓,硅管硅管0.5V工作壓降:工作壓降: 硅管硅管UBE 0.7V(2)輸出特性)輸出特性(IC與與UCE的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50輸出特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A
19、當(dāng)當(dāng)UCE大于一定的數(shù)大于一定的數(shù)值時(shí),值時(shí),IC只與只與IB有關(guān),有關(guān),IC= IB , 且且 IC = IB 。此區(qū)域此區(qū)域稱為線稱為線性放大區(qū)。性放大區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中UCE UBE,集集電結(jié)正偏,電結(jié)正偏, IBIC,UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEVBVE、PNP:VCVBVE), IC= IB , 且且 IC = IB(2) 飽和區(qū)飽和區(qū) BE結(jié)正偏,結(jié)正偏,BC結(jié)正偏結(jié)正偏(NPN:VCVE、PNP:VCVBIC,UCE 0.3V (3) 截止區(qū)截止區(qū) UBE 死區(qū)電壓,死區(qū)電壓, IB=0 , IC=ICE
20、O 0 ICmA AVVUCEUBERBIBUSCUSBCBERC例:例: =50, USC =12V, RB =70k , RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V,2V,5V時(shí),時(shí),晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)?于哪個(gè)區(qū)?USB =-2V, IB=0 , IC=0,Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) USB =2V, IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA IC= IB =50 0.019=0.95 mA ICS =2 mA , Q位于飽位于飽和區(qū)和區(qū)(實(shí)際上,此時(shí)實(shí)際上,此時(shí)IC和和IB 已不是已不是 的關(guān)系)的關(guān)系)三極管的技術(shù)數(shù)據(jù):(自學(xué)
21、)三極管的技術(shù)數(shù)據(jù):(自學(xué))(1)電流放大倍數(shù))電流放大倍數(shù) (2)集)集-射間穿透電流射間穿透電流ICEO(3)集)集-射間反向擊穿電壓射間反向擊穿電壓UCEO (BR)(4)集電極最大電流)集電極最大電流ICM(5)集電極最大允許功耗)集電極最大允許功耗PCM1.4 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同,它是多子場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同,它是多子導(dǎo)電,輸入阻抗高,溫度穩(wěn)定性好。導(dǎo)電,輸入阻抗高,溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩種場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:N溝道溝道P溝道溝道耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型DSGN符符
22、號(hào)號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)圖圖 1.4.1N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+P 型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層( (PN 結(jié)結(jié)) )在漏極和源極之間加在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓,上一個(gè)正向電壓,N 型半型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是導(dǎo)電溝道是 N 型的,型的,稱稱 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖圖 1.4.2P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型型溝溝道道GSD P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在溝道場(chǎng)效應(yīng)管
23、是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的雜的 N 型區(qū)型區(qū)( (N+) ),導(dǎo)電溝導(dǎo)電溝道為道為 P 型型,多數(shù)載流子為,多數(shù)載流子為空穴??昭?。符號(hào)符號(hào)GDS二、工作原理二、工作原理 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變用改變 UGS 大小來(lái)控制漏極電大小來(lái)控制漏極電流流 ID 的。的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層*在柵極和源極之間在柵極和源極之間加反向電壓,耗盡層會(huì)變加反向電壓,耗盡層會(huì)變寬,導(dǎo)電溝道寬度減小,寬,導(dǎo)電溝道寬度減小,使溝道本身的電阻值增大,使溝道本身的電阻值增大,漏極電流漏極電流 ID 減小,反之,減小,反之,漏極漏
24、極 ID 電流將增加。電流將增加。 *耗盡層的寬度改變耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。主要在溝道區(qū)。1. 設(shè)設(shè)UDS = 0 ,在柵源之間加負(fù)電源在柵源之間加負(fù)電源 VGG,改變,改變 VGG 大小。觀察耗盡層的變化。大小。觀察耗盡層的變化。ID = 0GDSN型型溝溝道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 時(shí),耗時(shí),耗盡層比較窄,盡層比較窄,導(dǎo)電溝比較寬導(dǎo)電溝比較寬UGS 由零逐漸增大,由零逐漸增大,耗盡層逐漸加寬,導(dǎo)耗盡層逐漸加寬,導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)當(dāng) UGS = UP,耗盡層合,耗盡層合攏,導(dǎo)電溝被夾斷,夾攏,導(dǎo)電溝被夾斷,夾斷電壓斷電壓 UP 為負(fù)值。為
25、負(fù)值。ID = 0GDSP+P+N型型溝溝道道 ( (b) ) UGS 0,在柵源間加負(fù),在柵源間加負(fù)電源電源 VGG,觀察,觀察 UGS 變化時(shí)耗盡層和漏極變化時(shí)耗盡層和漏極 ID 。UGS = 0,UDG ,ID 較大。較大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0,UDG 0 時(shí),耗盡層呈現(xiàn)楔形。時(shí),耗盡層呈現(xiàn)楔形。( (a) )( (b) )GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,夾斷夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改變改變 UGS ,改變了改變了 PN 結(jié)中電場(chǎng),控制了結(jié)中電場(chǎng),控制了 ID ,故稱場(chǎng)效應(yīng)管;,故稱
26、場(chǎng)效應(yīng)管; ( (2) )結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓,使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓,使 PN 反偏,柵極反偏,柵極基本不取電流,因此,場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高?;静蝗‰娏?,因此,場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。( (c) )( (d) )三、特性曲線三、特性曲線1. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性( (N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例) )常數(shù)常數(shù) DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP圖圖 1.4.6轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性UGS = 0 ,ID 最大;最大;UGS 愈負(fù),愈負(fù),ID 愈??;愈??;UGS = UP,ID 0。兩個(gè)重要參數(shù)兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS( (
27、UGS = 0 時(shí)的時(shí)的 ID) )夾斷電壓夾斷電壓 UP ( (ID = 0 時(shí)的時(shí)的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖 1.4.5特性曲線測(cè)試電路特性曲線測(cè)試電路+ + mA1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬金屬-氧化物氧化物-半半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,或簡(jiǎn)稱,或簡(jiǎn)稱 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn):輸入電阻可達(dá)特點(diǎn):輸入電阻可達(dá) 109 以上。以上。類(lèi)型類(lèi)型N 溝道溝道P 溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱時(shí)漏
28、源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管;耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管;UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。一、一、N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)P 型襯底型襯底N+N+BGSDSiO2源極源極 S漏極漏極 D襯底引線襯底引線 B柵極柵極 G圖圖 1.4.8N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2. 工作原理工作原理 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用 UGS 來(lái)控制來(lái)控制“感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷”的多的多少,改變由這些少,改變由這些“感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況,形成的導(dǎo)電溝道的狀
29、況,以控制漏極電流以控制漏極電流 ID。工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的背的 PN 結(jié),無(wú)論漏源之間加何結(jié),無(wú)論漏源之間加何種極性電壓,種極性電壓,總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電。SBD圖圖 1.4.9( (2) ) UDS = 0,0 UGS 0, UGS UT漏極通過(guò)漏極通過(guò)導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道形成電流形成電流 ID 。DP型襯底型襯底N+N+BGSVGGVDD3. 特性曲線特性曲線( (a) )轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性( (b) )漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VOTGSUU 預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū) 可變可變電阻
30、區(qū)電阻區(qū)UGS UT 時(shí)時(shí)) )三個(gè)區(qū):可變電阻區(qū)、三個(gè)區(qū):可變電阻區(qū)、恒流區(qū)恒流區(qū)( (或飽和區(qū)或飽和區(qū)) )、擊穿、擊穿區(qū)。區(qū)。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO圖圖 1.4.12 ( (a) )圖圖 1.4.12 ( (b) )二、二、N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底型襯底N+N+BGSD+制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子,制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子,這些正離子電場(chǎng)在這些正離子電場(chǎng)在 P 型襯底中型襯底中“感應(yīng)感應(yīng)”負(fù)電荷,形成負(fù)電荷,形成“反反型層型層”。即使。即使 UGS = 0 也會(huì)形成也會(huì)形成 N 型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)
31、電溝道。+UGS = 0,UDS 0,產(chǎn)生,產(chǎn)生較大的漏極電流;較大的漏極電流;UGS 0;UGS 正、負(fù)、正、負(fù)、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUP( (a) )轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS圖圖 1.4.15MOS 管的符號(hào)管的符號(hào)SGDBSGDB( (b) )漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20圖圖 1.4.14特性曲線特性曲線1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)1. 飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS2. 夾斷電壓夾斷電壓 UP3. 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓 UT4. 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在 107 以上,絕以上,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高,一般大于緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高,一般大于 109 。二、交流參數(shù)二、交流參數(shù)1. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm2. 極間電容極間電容 用以描述柵源
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