第五章場效應(yīng)管

1.NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極c基極b發(fā)射極e一、三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號Pecb

三個區(qū)、兩個結(jié)、三個極特點：基區(qū)薄，摻雜濃度低發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高集電區(qū)，結(jié)面積大1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型1.3雙極型晶體管可按頻率、功率、材料、結(jié)構(gòu)分類。若按結(jié)構(gòu)分類，可分為2種：ECRCIC

UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路1.3.2晶體管的電流放大作用---放大？三極管具有電流控制作用的外部條件:

（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于NPN型三極管應(yīng)滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應(yīng)滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VE輸出回路輸入回路公共端EBRBIB發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子IEIB電子在基區(qū)擴散與復(fù)合集電區(qū)收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成

發(fā)射極電流IE三極管的電流控制原理VBB正極拉走電子，補充被復(fù)合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBIEPIBNICBOICNIENiC

/mAuCE

/V0放大區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū)IB=

0μA20μA40μA截止區(qū)60μA80μA飽和區(qū)（2）截止區(qū)：IB≤0的區(qū)域，兩結(jié)反偏。嚴格說，IE=0,即IC≤ICBO的區(qū)域，管子基本不導(dǎo)電。（1）放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電極反偏。特性曲線的平坦部分。滿足有電流控制作用。（3）飽和區(qū)：兩結(jié)正偏，靠近縱軸的區(qū)域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只隨UCE增加而增加。UCE=UBE稱為臨界飽和，在深度飽和時，飽和壓降UCES很小。臨界飽和的估算：三個工作區(qū)的分析1.3.5晶體管的應(yīng)用電路舉例例1.3.1現(xiàn)已測得某電路中有幾只晶體管三個極的直流電位如表所示，各晶體管b-e見開啟電壓Uon均為0.5V。試分別說明各管子的工作狀態(tài)。晶體管基極直流電位UB/V發(fā)射極直流電位UE/V集電極直流電位UC/V工作狀態(tài)T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.70015對NPN管，當UBE＜Uon時，管子截止；當UBE＞Uon且UCE≥UBE(或UC≥UB)，管子放大；當UBE＞Uon且UCE＜UBE(或UC＜UB)，管子飽和。放大放大飽和截止§

5.1

場效應(yīng)管增強型E型耗盡型D型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）場效應(yīng)管(FET)結(jié)型(JFET)絕緣柵型(MOSFET)特點：分類：體積小，重量輕，耗電省，壽命長；輸入阻抗高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強，制造工藝簡單。尤其MOS管在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要地位。5.1.1結(jié)型場效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)一、工作原理和結(jié)構(gòu)P+P+漏極DID柵極G源極SGSD1、結(jié)構(gòu)：在N型硅棒兩端加上一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流ID。在N型硅棒兩側(cè)做成兩個高濃度的P+區(qū)，并將其連在一起，如圖。若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝道中電流強弱的目的。N圖5.1.1N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2、工作原理（1）D、S間短路，G、S間加反向電壓P+P+DGSNUGS︱UGS︱增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，電阻加大，當︱UGS︱加大到一定值時，兩側(cè)的耗盡區(qū)幾乎碰上，導(dǎo)電溝道仿佛被夾斷，D、S間電阻趨于無窮大。此時，UGS=UGS(off)—夾斷電壓當︱UGS︱

≥︱UGS(off)︱后，耗盡區(qū)無明顯變化，太大會出現(xiàn)擊穿。由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。一般不用正偏。圖5.1.2（2）G、S間短路，D、S間加正向電壓P+P+DGSUDSR隨UDS↑，ID↑

。由于電壓降，靠近D極UGD反壓越高，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，呈現(xiàn)楔型。當UDS=︱UGS(off)︱,即UGD=UGS(off)時，在漏極兩側(cè)的耗盡區(qū)開始合攏，稱為預(yù)夾斷。UDS↑，預(yù)夾斷區(qū)變長，UDS的增加部分落在預(yù)夾斷區(qū)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的ID基本不變。（3）G、S間加負電壓，D、S間加正向電壓P+P+UDSRUGSG、S的負電壓使耗盡區(qū)變寬，導(dǎo)電溝道變窄；D、S間的正電壓使耗盡區(qū)和導(dǎo)電溝道不等寬。當UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即UDS=UGS-UGS(off)時，發(fā)生預(yù)夾斷，此后UDS

↑，ID基本不變。圖5.1.3二、特性曲線及電流方程1、漏極特性曲線（輸出特性曲線）432104812–2V–3V圖5.1.5轉(zhuǎn)移特性123UGS

=0V–1012–1–2–3uGS/VIDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mA恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)UGS=

常數(shù)iD

=f

(uDS)預(yù)夾斷軌跡低頻跨導(dǎo)：圖5.1.4場效應(yīng)管的輸出特性(1)可變電阻區(qū)iD幾乎與uDS成線性關(guān)系增加，呈電阻特性。其等效電阻可看作一個受柵源電壓uGS控制的可變電阻。(2)恒流區(qū)（飽和區(qū)）iD的大小受uGS控制。飽和區(qū)與可變電阻區(qū)的分界線為uDS=uGS-UGS(off)。(3)夾斷區(qū)uGS<UGS(off)，溝道被夾斷，iD≈02、轉(zhuǎn)移特性曲線UDS=

常數(shù)iD

=f

(uGS)SiO2N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號5.1.2絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)P型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BN+N+DBSG符號1.結(jié)構(gòu)和符號一、N溝道增強型MOS管四種類型：N溝道增強型；N溝道耗盡型；P溝道增強型；P溝道耗盡型。圖5.1.6SiO2圖5.1.7(a)工作原理圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。2.工作原理(1)UGS=0P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)由柵極指向襯底方向的電場排斥P區(qū)空穴向下移動,在P型硅襯底的上表面形成耗盡層仍然沒有漏極電流。UGSN+N+UDS圖5.1.7(b)工作原理圖P型硅襯底N++BSGD。UDS耗盡層ID柵極下P型半導(dǎo)體中少子被吸引內(nèi)至其表面，形成N型導(dǎo)電溝道—反型層，當D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID。(3)UGS>UGS(th)N+N+UGS增強型MOS管的iD與uGS的近似關(guān)系為：其中IDO是uGS=2UGS(th)時的iD圖5.1.7(c)工作原理圖N型導(dǎo)電溝道4321051015UGS

=5V6V4V3V2ViD/mAUDS=10V圖5.1.8增強型

NMOS

管的特性曲線

0123恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246uGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性uDS/ViD/mA夾斷區(qū)二、N溝道耗盡型MOS管P型硅襯底源極S漏極D柵極G襯底引線B耗盡層1.結(jié)構(gòu)特點和工作原理N+N+正離子N型溝道SiO2DBSG符號圖5.1.9N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性耗盡型NMOS管的特性曲線

1230V–1012–1–2–3uGS/V2.特性曲線IDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mAN型硅襯底N++BSGD。耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道三、P溝道絕緣柵場效應(yīng)管（PMOS）PMOS管與NMOS管互為對偶關(guān)系，使用時UGS

、UDS的極性也與NMOS管相反。P+P+UGSUDSID1.P溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管開啟電壓UGS(th)為負值，UGS<UGS(th)

時導(dǎo)通。SGDB符號

iD/mAuGS

/V0UGS(th)

轉(zhuǎn)移特性2.P溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管DBSG符號

iD/mAuGS

/V0UGS(off)

轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓UGS(off)為正值，UGS

<

UGS(off)時導(dǎo)通。注:場效應(yīng)管的符號及特性如圖所示在UDS=0時，柵源電壓與柵極電流的比值。結(jié)型管大于107,MOS管大于109。1.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.開啟電壓UGS(th)

指在一定的UDS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它是增強型MOS管的參數(shù)，NMOS為正，PMOS為負。2.夾斷電壓UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，NMOS管是負值，PMOS管是正值。4.直流輸入電阻RGS（DC）一、直流參數(shù)3.飽和漏極電流IDSS在UGS=0時，管子發(fā)生預(yù)夾斷時的漏極電流。另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊穿電壓U(BR)GS以及漏極最大耗散功率PDM、最大漏極電流IDM是管子的極限參數(shù)，使用時不可超過。gm=iD

/uGSUDS=常數(shù)是衡量場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。1.低頻跨導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)2.極間電容Cgs、Cgd、Cds由PN結(jié)的勢壘電容及分布電容構(gòu)成。三、極限參數(shù)1.4.4場效應(yīng)管應(yīng)用舉例例1.4.1已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應(yīng)管。2105101510V8V6VuDS/ViD/mAN溝導(dǎo)增強型MOS管。圖1.4.14輸出特性曲線例1.4.2電路及管子的輸出特性如圖所示。使分析uI為0、8V和10V三種情況下uO分別為幾伏。2105101510V8V6VuDS/ViD/mA+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-圖1.4.15例1.4.2電路圖圖1.4.14例1.4.3電路如圖所示，場效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=-4V，飽和漏極電流IDSS=4mA。試問：為保證負載電阻RL上的