《電工電子技術(shù)》

1、第9章 常用半導體器件 本章學習要點半導體基礎(chǔ)知識半導體二極管半導體三極管場效應(yīng)晶體管本章小結(jié)9.1 半導體基礎(chǔ)知識 9.1.1 半導體的基本特性 根據(jù)導電性能的不同，自然界的物質(zhì)大體可分為導體、絕緣體和半導體三大類。其中，容易導電、電阻率小于10-4cm的物質(zhì)稱為導體，如銅、鋁、銀等金屬材料；很難導電、電阻率大于104cm的物質(zhì)稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體，如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物等。 半導體之所以被作為制造電子器件的主要材料在于它具有熱敏性、光敏性和摻雜性。 熱敏性：是指半導體的導電能力隨著溫度的升高而迅速增加的特性。利用

2、這種特性可制成各種熱敏元件，如熱敏電阻等。 光敏性：是指半導體的導電能力隨光照的變化有顯著改變的特性。利用這種特性可制成光電二極管、光電三極管和光敏電阻等。 摻雜性：是指半導體的導電能力因摻入微量雜質(zhì)而發(fā)生很大變化的特性。利用這種特性可制成二極管、三極管和場效應(yīng)管等。 9.1.2 本征半導體和雜質(zhì)半導體 1本征半導體 本征半導體是指完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體。 在電子器件中，用得最多的半導體材料是硅和鍺。將鍺和硅材料提純并形成單晶體后，所有原子便基本上整齊排列了，其平面示意圖如下圖所示。 本征半導體在絕對溫度T0K和沒有外界影響的條件下，價電子全部束縛在共價鍵中。當溫度升高或受光照時，半

3、導體共價鍵中的價電子會從外界獲得一定能量，少數(shù)價電子將掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來共價鍵的相應(yīng)位置上留下一個空位，這個空位稱為空穴，如下圖所示。 顯然，在本征半導體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子與空穴的數(shù)量總是相等的，稱為電子空穴對。 我們把在熱或光的作用下，本征半導體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 共價鍵中出現(xiàn)空穴后，在外電場或其他能源的作用下，鄰近的價電子就可填補到這個空穴上，而在這個價電子原來的位置上又會留下新的空穴，以后其他價電子又可轉(zhuǎn)移到這個新的空穴上。 為了區(qū)別于自由電子的運動，我們把這種價電子的填補運動稱為空穴運動，認為空穴是一種帶正電荷的載流子，它所帶

4、的電荷和電子的電荷大小相等，符號相反。由此可見，本征半導體中存在兩種載流子：電子和空穴。 2雜質(zhì)半導體 摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可分為N型半導體和P型半導體兩種。 （1）N型半導體 在本征半導體硅（或鍺）中摻入微量五價元素磷，由于磷原子有5個價電子，它與周圍的硅原子組成共價鍵時，多余的一個價電子很容易擺脫原子核的束縛成為自由電子。這種半導體導電主要靠電子，所以稱為電子型半導體或N型半導體，如下圖所示。N型半導體中，自由電子是多子，空穴是少子。 （2）P型半導體 在本征半導體硅（或鍺）中摻入微量三價元素硼，由于硼原子只有3個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時

5、，因缺少一個價電子而形成一個空穴，相鄰的價電子很容易填補這個空穴，形成新的空穴。這種半導體導電主要靠空穴，所以稱為空穴型半導體或P型半導體，如下圖所示。P型半導體中，空穴是多子，自由電子是少子。 9.1.3 PN結(jié) 1PN結(jié)的形成 在P型半導體和N型半導體交界處，由于P型半導體中的空穴多于電子，N型半導體中的電子多于空穴，所以，在交界面附近將產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴散運動。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，與N區(qū)的電子復合；N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，與N區(qū)的空穴復合。 由于這種擴散運動，N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到電子產(chǎn)生負離子，結(jié)果在界面兩側(cè)形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區(qū)。在這個區(qū)域內(nèi)，由于多數(shù)載流子

6、已擴散到對方并復合掉，好像耗盡了一樣，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。 由于空間電荷區(qū)的形成，建立了由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。顯然，內(nèi)電場對多數(shù)載流子的擴散運動起阻礙作用，故空間電荷區(qū)也稱為阻擋層。 同時，內(nèi)電場有助于少數(shù)載流子的漂移運動，因此，在內(nèi)電場作用下，N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移，其結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場削弱。顯然，擴散運動與漂移運動是對立的，當二者的運動達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度便基本穩(wěn)定下來。這種寬度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?（1）正向偏置 給PN結(jié)外加正向偏置電壓，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，稱PN結(jié)為正向偏置，如下圖所示

7、。 由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反，因此，擴散運動與漂移運動的平衡被破壞，使整個空間電荷區(qū)變窄，并形成較大的擴散電流，方向由P區(qū)指向N區(qū)，稱為正向電流。此時，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。 （2）反向偏置 給PN結(jié)加反向偏置電壓，即N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負極，稱PN結(jié)反向偏置，如下圖所示。 由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致，因而加強了內(nèi)電場，促進了少子的漂移運動，阻礙了多子的擴散運動，使空間電荷區(qū)變寬。此時，主要由少子的漂移運動形成的漂移電流將超過擴散電流，方向由N區(qū)指向P區(qū)，稱為反向電流。由于常溫下少子的數(shù)量很少，所以反向電流很小。此時，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。 9.2 半導

8、體二極管 在PN結(jié)上加上電極引線和管殼，就成為一個晶體二極管（簡稱二極管），其結(jié)構(gòu)和電路符號如下圖所示。其中，從P區(qū)引出的電極稱為陽極；從N區(qū)引出的電極稱為陰極。 9.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)和類型 按結(jié)構(gòu)不同，二極管可分為點接觸型、面接觸型和平面型三大類，如下圖所示。 按材料不同，二極管可分為硅二極管和鍺二極管。按用途不同，二極管可分為普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管及變?nèi)荻O管等。 9.2.2 二極管的特性 1伏安特性 二極管的典型伏安特性曲線如右圖所示。根據(jù)二極管所加電壓的正負，其伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩部分。 （1）正向特性 當二極管所加的正向電壓較小時，二極管

9、呈現(xiàn)較大的電阻，正向電流很小，幾乎為零。與這一部分相對應(yīng)的電壓稱為死區(qū)電壓或閾值電壓。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料及溫度等因素有關(guān)。室溫下，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。 當正向電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，二極管正向?qū)?。導通后，隨著正向電壓的升高，正向電流急劇增大，電壓與電流的關(guān)系基本上為一指數(shù)曲線。導通后的正向壓降，硅管約為0.60.7V，鍺管約為0.20.3V。 （2）反向特性 二極管外加反向電壓時，反向電流很小，且在一定的電壓范圍內(nèi)基本不隨反向電壓變化，這個電流稱為反向飽和電流。當反向電壓增大到某一數(shù)值后，反向電流急劇增大，此時二極管失去單向?qū)щ?/p>

10、性，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，其所對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓UBR。 反向擊穿會造成PN結(jié)損壞（燒毀），但只要反向電流不超過一定值，PN結(jié)就不會損壞，穩(wěn)壓二極管就是利用這一特性制作的。普通二極管的反向擊穿電壓一般在幾十伏以上，高反壓管可達幾千伏。 2溫度特性 二極管的伏安特性對溫度非常敏感。如下圖所示，溫度升高，正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。在室溫附近，溫度每升高1，正向壓降約減小22.5mV，溫度每升高10，反向電流約增大1倍。 9.2.3 二極管的主要參數(shù) 1最大整流電流 最大整流電流IF是指二極管長期工作允許通過的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管的正向平均電流不能超過此

11、值，否則可能使會二極管因過熱而損壞。 2最大反向工作電壓 最大反向工作電壓URM是指二極管工作時允許外加的最大反向電壓。若超過此值，二極管可能會被擊穿。通常取反向擊穿電壓UBR的一半作為URM。URM數(shù)值較大的二極管稱為高壓二極管。 3最大反向電流 最大反向電流IRM是指二極管在常溫下承受最大反向工作電壓URM時的反向電流。反向電流越小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶?。反向電流受溫度的影響很大，隨著溫度的升高，其值增大。 4最高工作頻率 最高工作頻率fM是指允許加在二極管兩端的交流電壓最高頻率值。使用中，若加在二極管兩端的交流電壓頻率超過此值，二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆儾钌踔潦?。fM值主要取決于PN

12、結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容越大，二極管允許的最高工作頻率越低。 9.2.4 特殊二極管 1穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管，其正常工作在反向擊穿區(qū)，通過反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓作用，其符號和伏安特性曲線如右圖所示。 穩(wěn)壓管二極的正向特性曲線與普通二極管類似，而當外加反向電壓的數(shù)值增大到一定程度時，發(fā)生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行于縱軸，所以，當電流在很大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓二極管在電路中能起穩(wěn)壓作用。 只要反向電流不超過其最大穩(wěn)定電流，穩(wěn)壓二極管就不會形成破壞性的熱擊穿，因此，在電路中應(yīng)與穩(wěn)壓二極管串聯(lián)適當?shù)南蘖麟娮琛?（1）穩(wěn)定電壓U

13、Z 穩(wěn)定電壓UZ是指流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓值。即使是同一型號的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值也有一定的離散性，使用時要進行測試，按需選用。 （2）穩(wěn)定電流IZ 穩(wěn)定電流IZ只是穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定工作時的參考電流值，通常為工作電壓等于UZ時所對應(yīng)的電流值。對每一種型號的穩(wěn)壓二極管，都規(guī)定有一個最大穩(wěn)定電流IZmax。 （3）動態(tài)電阻rZ 動態(tài)電阻rZ是指穩(wěn)壓范圍內(nèi)的電壓變化量與相應(yīng)電流變化量之比，即 穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性曲線越陡，則動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。 （4）電壓溫度系數(shù)U 電壓溫度系數(shù)U是指溫度每增加1時，穩(wěn)定電壓的相對變化量，即 2發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（LED）是一種能將電能轉(zhuǎn)換

14、成光能的半導體器件，其材料主要為砷化鎵、氮化鎵等，主要用于音響設(shè)備的電平顯示及線路通、斷狀態(tài)的指示等。 發(fā)光二極管與普通二極管一樣，也是由PN結(jié)構(gòu)成的，同樣具有單向?qū)щ娦?，但它在正向?qū)〞r能發(fā)出可見光或不可見光。發(fā)光二極管的電路符號如下圖所示。 3光電二極管 光電二極管是一種能將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導體器件，它主要用于需光電轉(zhuǎn)換的自動探測、計數(shù)和控制裝置中。 光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是在管殼上有一個能入射光線的窗口。光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，其反向電流隨光照強度的變化而變化。光電二極管的電路符號如下圖所示。 9.3 半導體三極管 9.3.1 三極管的結(jié)構(gòu) 如下圖所示為三極管的結(jié)構(gòu)

15、，它是由三層不同性質(zhì)的半導體組合而成的。按半導體的組合方式不同，三極管可分為NPN型和PNP型兩類。 無論是NPN型管還是PNP型管，它們均有三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并相應(yīng)地引出三個電極：發(fā)射極E、基極B和集電極C。同時，在三個區(qū)的交界處形成兩個PN結(jié)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。 三極管的電路符號如下圖所示，符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時的電流方向。 9.3.2 三極管的類型 三極管的分類方法很多，除可分為NPN型和PNP型之外，還可進行以下分類。 按使用的半導體材料不同，三極管可分為硅管和鍺管。 按工作頻率不同，三極管可分為高頻管和低頻管。其中，高頻管的工作頻率不低于3MHz；低頻管的工作

16、頻率低于3MHz。 9.3.3 三極管的電流分配與放大原理 1三極管實現(xiàn)電流放大作用的條件 （1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件 發(fā)射區(qū)很小，但摻雜濃度高。 基區(qū)最薄且摻雜濃度最?。ū劝l(fā)射區(qū)小23個數(shù)量級）。 集電結(jié)面積最大，且集電區(qū)的摻雜濃度小于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度。 （2）外部條件 外部條件是要保證外加電源的極性使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，使集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。 2實驗說明 下面通過一個實驗來說明三極管各電流之間的關(guān)系，實驗電路如下圖所示。改變可變電阻RB，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生變化。測量結(jié)果如下表所示。 由此實驗及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論： （1）各極電流的關(guān)系滿足：IEIBI

17、C，符合基爾霍夫電流定律。 （2）IC和IE比IB大得多。 （3）從上表各列數(shù)據(jù)中求得IC和IB的變化量，加以比較。例如，選第4列和第5列的數(shù)據(jù)，可得 這說明，基極電流的少量變化可以引起集電極電流的較大變化，這就是三極管的電流放大作用。 3三極管內(nèi)部載流子的運動 三極管內(nèi)部載流子的運動情況如下圖所示。 （1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子 由于發(fā)射結(jié)加正偏電壓，因此發(fā)射結(jié)兩側(cè)多子的擴散運動大于少子的漂移運動，發(fā)射區(qū)的多子源源不斷地越過發(fā)射結(jié)到達基區(qū)，同時，基區(qū)的多子源源不斷地越過發(fā)射結(jié)到達發(fā)射區(qū)，由電子電流和空穴電流共同形成了發(fā)射極電流IE。 因基區(qū)很薄且摻雜濃度最小，空穴電流IEP很小，可以忽略不計，

18、所以，發(fā)射極電流IEIEN。 （2）電子在基區(qū)的擴散與復合 由發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子濃度，在靠近發(fā)射結(jié)處的濃度要高于靠近集電結(jié)處的濃度，因此，在基區(qū)中形成了電子的濃度差，這樣，電子會向集電結(jié)繼續(xù)擴散。在擴散過程中，絕大部分電子擴散到集電結(jié)邊沿，很少部分電子與基區(qū)的多子空穴復合，復合掉的空穴由基區(qū)電源補充，從而形成基極電流IB的主要部分IBN。 擴散到集電結(jié)的電子與復合掉的電子的比例決定了三極管的電流放大能力，三極管的電流控制就發(fā)生在這一過程。 （3）電子被集電區(qū)收集 集電結(jié)反偏，使得其內(nèi)電場很強。這個內(nèi)電場阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，而對基區(qū)擴散過來的電子有很強的吸引力，故從基區(qū)擴散來的電子在強

19、電場的作用下將迅速漂移越過集電結(jié)進入集電區(qū)，形成集電極電流IC的主要部分ICN。 同時，集電結(jié)加反向電壓使基區(qū)的少子電子和集電區(qū)的少子空穴通過集電結(jié)形成反向飽和電流ICBO。它的數(shù)值很小，但受溫度影響很大，會造成管子的工作性能不穩(wěn)定。所以，在制造管子時，應(yīng)盡量設(shè)法減小ICBO。 4電流分配關(guān)系 通過以上分析可知三極管各極電流的關(guān)系為： 實驗表明，在發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的條件下，三極管基極與集電極上的電流不是孤立的，它們之間存在一定的比例關(guān)系。這一比例關(guān)系是由管子的結(jié)構(gòu)特點所決定的，管子做好之后這一比例關(guān)系就基本確定了。 為了反映ICN和IBN之間的比例關(guān)系，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，即

20、上式可變換為： 上式中，ICEO稱為穿透電流。由于ICBO很小，ICEO也很小，分析時可忽略不計，所以今后電路分析中常用的關(guān)系式為： 9.3.4 三極管的特性曲線 1輸入特性曲線 輸入特性曲線是指當集射極電壓UCE為常數(shù)時，輸入電路（基極電路）中基極電流IB與基射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線IBf（UBE），如下圖所示。 UCE0時，集電極與發(fā)射極短接，三極管相當于兩個二極管并聯(lián)，UBE即為加在并聯(lián)二極管上的正向電壓，故三極管的輸入特性曲線與二極管伏安特性曲線的正向特性相似。 UCE1V時，曲線右移，因為此時集電結(jié)已反向偏置，內(nèi)電場足夠大，可以把從發(fā)射區(qū)進入基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。因此

21、，在相同的UBE下，UCE1V時的基極電流IB比UCE0時的小。但是當UCE超過1V以后，即使其再增加，只要UBE不變，IB也不再明顯減小，所以通常只畫出UCE1V的一條輸入特性曲線。 由上圖可以看出，三極管的輸入特性中也存在死區(qū)電壓，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時，三極管才會產(chǎn)生基極電流。2輸出特性曲線 輸出特性曲線是指當基極電流IB為常數(shù)時，輸出電路（集電極電路）中集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線ICf（UCE）。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以，三極管的輸出特性曲線是一組曲線，如下圖所示。 （1）放大區(qū) 輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，IC和IB成正

22、比關(guān)系，即ICIB，所以，放大區(qū)又稱為線性區(qū)。放大區(qū)具有可控性（IB可以控制IC）和恒流性（IC幾乎不隨UCE和負載的變化而變化）。三極管工作在放大區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。此時，UCEUBE。 （2）飽和區(qū) 對應(yīng)于UCE較小的區(qū)域是飽和區(qū)。此時，UCEUBE。在飽和區(qū)，UCE略有增加，IC迅速上升，但ICIB，IB不能控制IC，因此，三極管不能起放大作用。UCEUBE的情況稱為臨界飽和狀態(tài)，對應(yīng)點的軌跡稱為臨界飽和線。飽和時，集電極與發(fā)射極之間的電壓稱為飽和壓降。三極管工作在飽和區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。 （3）截止區(qū) 基極電流IB0對應(yīng)曲線下方的區(qū)域是截止區(qū)。

23、在截止區(qū)，IB0，IC0，三極管不導通，同樣也失去了電流的放大作用。三極管工作在截止區(qū)的電壓條件是：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏。 由以上分析可知，當三極管飽和時，UCE0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很小；當三極管截止時，IC0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大。可見，三極管除了具有放大作用外，還具有開關(guān)作用。 9.3.5 三極管的主要參數(shù) 1電流放大系數(shù) 當三極管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)（無輸入信號）下，集電極電流IC和基極電流IB的比值稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，即 在動態(tài)（有輸入信號）下，集電極電流變化量IC和基極電流變化量IB的比值稱為共發(fā)射極交流

24、電流放大系數(shù)，即 2極間反向電流 （1）集電極基極反向飽和電流ICBO ICBO是指發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向電流。ICBO受溫度影響較大，溫度升高，其值增加。要求ICBO越小越好。室溫下，小功率硅管的ICBO在1微安以下，鍺管的ICBO一般為幾微安到幾十微安，所以硅管的熱穩(wěn)定性比較好。 （2）集電極發(fā)射極穿透電流ICEO ICEO是指基極開路時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的電流。因ICEO（1 ）ICBO，溫度升高時，ICEO比ICBO增加的更快，它對三極管的工作影響更大，所以，ICEO是衡量管子質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，其值越小越好。 3極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流ICM 三極管

25、工作在放大區(qū)時，若集電極電流超過一定值，其電流放大系數(shù)就會下降。三極管的值下降到正常值的2/3時的集電極電流稱為三極管的集電極最大允許電流ICM。因此，使用三極管時，若IC超過ICM，并不一定會損壞三極管，但是以降低值為代價的。 （2）集電極發(fā)射極反向擊穿電壓U（BR）CEO 基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓稱為集電極發(fā)射極反向擊穿電壓U（BR）CEO。當電壓UCE大于U（BR）CEO時，ICEO會突然大幅度上升，說明三極管已被擊穿。 （3）集電極最大允許耗散功率PCM 集電極電流在流經(jīng)集電結(jié)時將產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高，從而會引起三極管的參數(shù)變化。當三極管因受熱而引起的參數(shù)變化不

26、超過允許值時，集電極所消耗的最大功率稱為集電極最大允許耗散功率PCM，其計算公式為： 由ICM、U（BR）CEO、PCM三者共同確定三極管的安全工作區(qū)，如左圖所示。 9.4 場效應(yīng)晶體管* 場效應(yīng)晶體管（FET）是一種利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的半導體器件，屬于電壓控制器件。它只依靠一種載流子參與導電，故又稱為單極型三極管。它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、功耗小、制造工藝簡單和便于集成化等優(yōu)點。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場效應(yīng)管可分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）。由于MOS管的性能更優(yōu)越，發(fā)展更迅速，應(yīng)用更廣泛，因此，本節(jié)將僅介紹MOS管。 9.

27、4.1 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 1N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu) 如下圖所示，N溝道增強型MOS管基本上是一種左右對稱的結(jié)構(gòu)，它是在P型硅半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出漏極D和源極S兩個電極。在漏極和源極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底，用符號B表示。 可以看出，柵極與其他電極之間是絕緣的，工作時，漏極與源極之間形成導電溝道，稱為N溝道。如左圖所示為N溝道增強型MOS管的電路符號，其箭頭方向由P（襯底）指向N（導電溝道）；若箭頭方向由N（導電溝道）指向P（襯底），則為P溝道，如右圖所示。 2N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu) N溝道耗

28、盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如左圖所示。它也是在P型硅襯底上形成一層SiO2薄膜絕緣層，與增強型所不同的是，它在SiO2絕緣層中摻有大量的正離子，不需要外電場作用，這些正離子所產(chǎn)生的電場也能在P型硅襯底與絕緣層的交界面上感應(yīng)出大量或足夠多的電子，形成N型導電溝道。N溝道和P溝道耗盡型MOS管的電路符號如中圖和右圖所示。9.4.2 MOS管的工作原理 1N溝道增強型MOS管的工作原理 （1）柵源電壓UGS的控制作用 當UGS0時，漏源之間相當于兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管極性如何，總有一個PN結(jié)反向，所以不存在導電溝道，不會形成漏極電流ID。 當0UGSUGS（th）（UGS（th）稱為

29、開啟電壓），即柵極有一定的較小電壓時，通過柵極和襯底間的電容作用，在靠近柵極下方，P型半導體中的空穴將會被向下排斥，從而出現(xiàn)一薄層電子的耗盡層。耗盡層中的電子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以漏極電流ID仍為零。 當UGSUGS（th）時，柵極電壓較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集了較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓UDS，就可以形成漏極電流ID。柵極下方的導電溝道，因其載流子（電子）與P型區(qū)載流子（空穴）的極性相反，所以又稱為反型層。隨UGS的繼續(xù)增加，導電溝道變寬，溝道電阻變小，ID將不斷增加。 （2）漏源電壓UDS對漏極

30、電流ID的控制作用 當UGSUGS（th），且為某一固定值時，在漏極和源極之間加上正電壓UDS，會有ID形成。如下圖所示為不同的漏源電壓UDS對溝道的影響。根據(jù)此圖可得如下關(guān)系：UDSUDGUGSUGDUGSUGDUGSUDS 在UDS為0或較小時，溝道電阻一定，ID隨UDS的增大而線性增大。 當UDS較大，且UGDUGS（th）時，靠近漏端的耗盡層變寬，溝道變窄，出現(xiàn)楔形，溝道電阻增大，ID增大緩慢。 當UDS繼續(xù)增大到使UGDUGS（th）時，溝道在漏端出現(xiàn)預夾斷。若UDS繼續(xù)增大，溝道的夾斷區(qū)將逐漸延長，增大部分的UDS都降在夾斷區(qū)上，ID趨于飽和，不再隨UDS增大。 2N溝道耗盡型MO

31、S管的工作原理 由于耗盡型MOS管自身能形成導電溝道，所以只要有UDS存在，就會有ID產(chǎn)生。如果加上正的UGS，則吸引到反型層中的電子增加，溝道加寬，ID增大。如果加上負的UGS，則此電場將會削弱原來絕緣層中正離子的電場，使吸引到反型層中的電子減少，溝道變窄，ID減小。若負UGS達到某一值，則溝道中的電荷將耗盡，反型層消失，管子截止，此時的值稱為夾斷電壓UGS（off）或UP。 P溝道MOS管的工作原理與N溝道MOS管完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓的極性不同而已。 9.4.3 MOS管的特性曲線 1N溝道增強型MOS管的特性曲線 MOS管的特性曲線包括轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。如

32、下圖所示為N溝道增強型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。 （1）轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線又稱為輸入特性曲線，是指漏源電壓UDS一定時，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線IDf（UGS）。 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。gm的量綱為mA/V，所以，gm又稱為跨導，其定義為： （UDS為常數(shù)） （2）輸出特性曲線 輸出特性曲線是指柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏極電壓UDS之間的關(guān)系曲線IDf（UDS）。它可分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和截止區(qū)。 可變電阻區(qū)是輸出特性曲線的最左側(cè)部分。在這個區(qū)域，UDS較小，溝道尚未夾斷，ID隨UD

33、S的增大而線性增大，此時，場效應(yīng)管近似一個線性電阻。當UGS不同時，直線的斜率不同，相當于電阻的阻值不同，所以這個區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。 恒流區(qū)又稱為線性放大區(qū)，是輸出特性曲線的中間部分。在這個區(qū)域，溝道預夾斷，ID基本上不隨UDS發(fā)生變化，只受UGS的控制。當組成場效應(yīng)管放大電路時，應(yīng)使其工作在該區(qū)域。 截止區(qū)又稱為夾斷區(qū)，是輸出特性曲線下面靠近橫坐標的部分。在這個區(qū)域，溝道完全夾斷，ID0。 2N溝道耗盡型MOS管的特性曲線 N溝道耗盡型MOS管的特性曲線如下圖所示。耗盡型MOS管工作時，其柵源電壓UGS可以為零，也可以取正值或負值，在應(yīng)用中有較大的靈活性。UDS為一定值，UGS0時，對應(yīng)的

34、漏極電流稱為飽和漏極電流IDSS。 9.4.4 場效應(yīng)管與三極管的比較 1場效應(yīng)管是電壓控制器件，它依靠柵源電壓UGS控制漏極電流ID；三極管是電流控制器件，它依靠基極電流IB控制集電極電流IC。 2場效應(yīng)管參與導電的載流子只有多子，為單極型器件；三極管有多子和少子共同參與導電，為雙極型器件。場效應(yīng)管受溫度、輻射等因素的影響小，噪聲系數(shù)低；三極管受溫度、輻射等因素的影響大，噪聲系數(shù)高。所以，在環(huán)境條件變化很大的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)管。 3場效應(yīng)管的直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高，可達數(shù)百兆歐以上；三極管的發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，因此，基極和發(fā)射極之間的輸入電阻較小，一般只有幾百歐至幾十千歐。 4場效應(yīng)管的跨導較小，當組成放大電路時，在相同的負載電阻下，電壓放大倍數(shù)比三極管低。 5場效應(yīng)管的源極未與襯底連在一起時，漏極和源極可以互換使用，且特性變化不大；而三極管的集電極和發(fā)射極不能互換使用。 6場效應(yīng)管和三極管都可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但由于前者制造工藝簡單，且具有耗電少、熱穩(wěn)定性好、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。 9.4.5 場效應(yīng)管的使用注意事項 1使用場效應(yīng)管時要注意電壓極性，