電工電子技術(shù) 課件-電工電子技術(shù) 第3章

1第三章半導(dǎo)體器件3.1半導(dǎo)體及PN結(jié)3.2

二極管及其應(yīng)用3.3

三極管3.4場(chǎng)效應(yīng)管2圖

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性3.1.半導(dǎo)體及PN結(jié)圖

電子和空穴的移動(dòng)1.本征半導(dǎo)體2.本征激發(fā)自由電子空穴復(fù)合自由電子空穴載流子:運(yùn)載電荷的粒子3本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。4

（2）電子空穴對(duì)

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫共價(jià)鍵的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。5圖1N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1半導(dǎo)體及PN結(jié)圖2P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.N型半導(dǎo)體摻入少量的五價(jià)元素磷P2.P型半導(dǎo)體摻入少量的三價(jià)元素硼B(yǎng)自由電子是多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空穴是少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）空穴是多數(shù)載流子自由電子為少數(shù)載流子。6圖PN結(jié)的形成(a)載流子的擴(kuò)散(b)空間電荷區(qū)(c)結(jié)區(qū)電位分布曲線3.1.3PN的形成3.1半導(dǎo)體及PN結(jié)1.PN結(jié)的形成7PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散8

最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

9

圖

外加正向電壓時(shí)的PN結(jié)圖

外加反向電壓時(shí)的PN結(jié)3.1.4PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1半導(dǎo)體及PN結(jié)10

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P

區(qū)流到N

區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。11圖PN結(jié)伏安特性3.1.5PN結(jié)的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性倍增效應(yīng)雪崩擊穿齊納擊穿3.1半導(dǎo)體及PN結(jié)12圖1勢(shì)壘電容與外加電壓關(guān)系圖2擴(kuò)散電容效應(yīng)(1)勢(shì)壘電容CB(2)擴(kuò)散電容CD3.1.6.PN結(jié)電容效應(yīng)3.1半導(dǎo)體及PN結(jié)13知識(shí)小結(jié)（半導(dǎo)體及PN結(jié)）1.本征半導(dǎo)體：特性、兩種載流子、本征激發(fā)與復(fù)合2.雜質(zhì)半導(dǎo)體N型摻雜5價(jià)元素，自由電子>空穴P型摻雜3價(jià)元素，空穴>自由電子3.PN結(jié)的形成：空間電荷區(qū)形成并達(dá)到穩(wěn)定寬度。4.單向?qū)щ娦哉≒接正N接負(fù)）正向?qū)ǚ雌≒接負(fù)N接正）反向截止5.伏安特性143.2二極管及其應(yīng)用3.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性3.2.2

二極管的主要參數(shù)與等效電路3.2.3

二極管的應(yīng)用電路3.2.4

其他二極管將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.

二極管的結(jié)構(gòu)3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性圖3.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性圖3.2.2幾種常見(jiàn)二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)(a)

點(diǎn)接觸型(b)

面接觸型(c)

平面型點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小故結(jié)允許的電流小最高工作頻率高面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大故結(jié)允許的電流大最高工作頻率低平面型：結(jié)面積可小、可大小的工作頻率高大的結(jié)允許電流大材料開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開(kāi)啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性2.

二極管的伏安特性18(a)硅二極管的2CP10的伏安特性（b）鍺二極管2AP15的伏安特性圖3.2.3二極管的伏安特性曲線3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性單向?qū)щ娦苑蔡匦允軠囟扔绊慣（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃3.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性21IF

、UR

和fM均為極限參數(shù)，實(shí)際使用中不能超過(guò)。3.2.2

二極管的主要參數(shù)與等效電路1.二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)理想二極管近似分析中最常用理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化？100V？5V？1V？3.2.2

二極管的主要參數(shù)與等效電路2.二極管的等效電路微變等效電路Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流3.2.2

二極管的主要參數(shù)與等效電路24如何判斷二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)—導(dǎo)通還是截止？開(kāi)路電壓法：確定參考零電位點(diǎn)；二極管視為開(kāi)路，求和；分析兩端電位差，判導(dǎo)通或截止；求輸出。3.2.2

二極管的主要參數(shù)與等效電路3.

開(kāi)路電壓法25知識(shí)總結(jié)2.二極管及其應(yīng)用二極管基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?、溫度特性主要參?shù)：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開(kāi)關(guān)）

恒壓降模型（開(kāi)啟電壓近似為導(dǎo)通壓降）開(kāi)路電壓法：視開(kāi)路，求UD+-UD-，判斷工作狀態(tài)26

圖3.2.3單相半波整流電路3.2.3

二極管的應(yīng)用電路1.

整流電路將交流電變換成大小波動(dòng)、方向不變的脈動(dòng)電的過(guò)程稱為整流。27

（a）電路圖

（b）v2和vo的波形圖3.2.4單向全整流電路【思考題】二極管電路如圖3.2.4(a)所示，已知u1為正弦信號(hào)，D為理想二極管，試分析電路輸出電壓uo的波形。3.2.3

二極管的應(yīng)用電路283.2.3

二極管的應(yīng)用電路2.

限幅電路限幅電路的作用是把輸出信號(hào)幅值限定在一定范圍。圖3.2.5二極管限幅電路29穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，是一種特殊的硅材料二極管，由于其在一定條件下能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。其符號(hào)如圖3.2.6所示。圖3.2.6穩(wěn)壓二極管的外形圖及符號(hào)(a)外形圖(b)符號(hào)3.2.4

其他二極管1.

穩(wěn)壓二極管伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動(dòng)態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若穩(wěn)壓管電流太小則不穩(wěn)壓，太大則會(huì)因功耗過(guò)大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？3.2.4

其他二極管31輸入電壓變化，輸入電流隨之變化，穩(wěn)壓管中電流同步變化，但輸出電壓基本不變；

負(fù)載電阻變化，輸出電流隨之變化，穩(wěn)壓管中電流反向變化，電壓仍不變。圖3.2.7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路限流電阻，保證穩(wěn)壓安全地工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。工作區(qū)：反向擊穿區(qū)接法：反接RL：負(fù)載穩(wěn)壓電路工作原理3.2.4

其他二極管32光電二極管是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。該器件PN結(jié)在反偏下運(yùn)行，反向電流隨光照強(qiáng)度增加而上升。外形圖及符號(hào)如圖3.2.8所示。圖3.2.8光電二極管的符號(hào)（a）外形圖（b）符號(hào)3.2.4

其他二極管2.

光電二極管33圖3.2.9光電二極管電路圖（a）等效電路（b）基本電路工作區(qū)：反向偏置接法：反接作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)3.2.4

其他二極管電路原理34光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，無(wú)光照時(shí)，具有單向?qū)щ娦裕挥泄庹諘r(shí)，特性曲線下移，三象限特性曲線平行橫軸，四象限時(shí)呈現(xiàn)光電池特性。圖3.2.10光電二極管的特性曲線暗電流光電流3.2.4

其他二極管特性曲線35發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，是一種能將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體材料，外形圖及符號(hào)如圖3.2.11所示。圖3.2.11發(fā)光二極管的外形圖及符號(hào)（a）外形圖（b）符號(hào)3.2.4

其他二極管3.

發(fā)光二極管特點(diǎn)：體積小、工作電壓低、發(fā)光均勻穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等。36工作區(qū)：正向偏置接法：正接作用：把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)主要應(yīng)用：作為顯示器圖3.2.12發(fā)光二極管電路圖（a）光—電轉(zhuǎn)換電路（b）基本電路3.2.4

其他二極管電路原理37知識(shí)總結(jié)2.二極管及其應(yīng)用二極管基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?、溫度特性主要參?shù)：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開(kāi)關(guān)）

恒壓降模型（開(kāi)啟電壓近似為導(dǎo)通壓降）開(kāi)路電壓法：視開(kāi)路，求UD+-UD-，判斷工作狀態(tài)基本電路：整流電路、限幅電路特殊二極管：穩(wěn)壓、光電、發(fā)光383.3

三極管3.3.1三極管的結(jié)構(gòu)及類型3.3.2

三極管電流關(guān)系及輸入/輸出特性3.3.3

三極管主要參數(shù)及溫度影響中功率管大功率管為什么有孔？1.

三極管的結(jié)構(gòu)3.3.1

三極管的結(jié)構(gòu)及類型小功率管

半導(dǎo)體三極管又稱晶體三極管（簡(jiǎn)稱晶體管），是按照一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的半導(dǎo)體器件，是電子線路的核心器件，具有電流放大作用。多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。2.

三極管的類型-NPN管3.3.1

三極管的結(jié)構(gòu)及類型圖3.3.1

NPN結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)(a)NPN管結(jié)構(gòu)示意圖(b)NPN管電路符號(hào)發(fā)射結(jié)正偏時(shí)射極電流方向多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個(gè)極、三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)。2.

三極管的類型-PNP管3.3.1

三極管的結(jié)構(gòu)及類型圖3.3.2

PNP結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)(a)PNP管結(jié)構(gòu)示意圖(b)PNP管電路符號(hào)發(fā)射結(jié)正偏時(shí)射極電流方向42圖3.3.3

三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程

三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程發(fā)射結(jié)加正偏電壓集電結(jié)加反偏電壓(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子(2)載流子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合(3)集電區(qū)收集

載流子ICN注意：

少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)ICBO

1.

工作原理3.3.2

電流關(guān)系及輸入/輸出特性電流分配：IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的電流

IC－漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開(kāi)路集電極回路會(huì)有穿透電流？2.

電流分配關(guān)系3.3.2

電流關(guān)系及輸入/輸出特性44共基極

共發(fā)射極

共集電極圖3.3.4BJT的三種連接方式（或稱為三種組態(tài)）注意：

無(wú)論是哪種連接方式，要使三極管有放大作用，都必須保證發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，則三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)和分配過(guò)程，以及各電極的電流將不隨連接方式的變化而變化。電流傳輸關(guān)系:輸出端電流與輸入端電流之間的關(guān)系。3.3.2

電流關(guān)系及輸入/輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對(duì)于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？

輸入特性3.

輸入/輸出特性3.3.2

電流關(guān)系及輸入/輸出特性

輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對(duì)應(yīng)于一個(gè)IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。

為什么uCE較小時(shí)iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)3.3.2

電流關(guān)系及輸入/輸出特性

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)

交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號(hào)頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEO3.3.3

主要參數(shù)及溫度影響1.

主要參數(shù)3.3.3

主要參數(shù)及溫度影響2.

溫度對(duì)特性曲線的影響49知識(shí)總結(jié)1.半導(dǎo)體及PN結(jié)半導(dǎo)體材料的特性：光敏、溫敏本征半導(dǎo)體：本征激發(fā)

復(fù)合

兩種載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體：N型（5價(jià)元素、自由電子>空穴）

P型（3價(jià)元素、空穴>自由電子）PN結(jié)：多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)正向?qū)ǎ≒正、N負(fù)，促擴(kuò)散阻漂移）

反向截止（P負(fù)、N正，促漂移阻擴(kuò)散）50知識(shí)總結(jié)PN結(jié)伏安特性：PN結(jié)電容效應(yīng)：Cj=Cb+Cd51知識(shí)總結(jié)2.二極管及其應(yīng)用二極管基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?、溫度特性主要參?shù)：IF、UBR、IR、fM

等效電路：理想模型（理想開(kāi)關(guān)）

恒壓降模型（開(kāi)啟電壓近似為導(dǎo)通壓降）開(kāi)路電壓法：視開(kāi)路，求UD+-UD-，判斷工作狀態(tài)基本電路：整流電路、限幅電路特殊二極管：穩(wěn)壓、光電、發(fā)光52知識(shí)總結(jié)3.三極管結(jié)構(gòu)與類型：NPN管、PNP管（3區(qū)3電極，2PN結(jié)）輸入/輸出特性：工作原理：放大條件（發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏）

電流關(guān)系溫度對(duì)特性曲線的影響：533.4場(chǎng)效應(yīng)管3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.4.2絕緣刪型效應(yīng)管54

一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)圖1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(a)結(jié)構(gòu)剖面圖(b)結(jié)構(gòu)示意圖(b)符號(hào)導(dǎo)電溝道55一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.工作原理(a)vGS＝0 (b)VP＜vGS＜0時(shí) (c)vGS≤VP時(shí)圖2vDS＝0時(shí)，柵源電壓vGS改變對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(1)vGS對(duì)導(dǎo)電溝道及iD的控制作用

當(dāng)vGS0時(shí)，在反偏電壓vGS作用下，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層將加寬。由于P＋區(qū)，所以耗盡層主要向溝道擴(kuò)展，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。

當(dāng)|vGS|進(jìn)一步

到|VP|時(shí)，兩側(cè)耗盡層在中間合擾，溝道全部被夾斷，此時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大。相應(yīng)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管56

(2)vDS對(duì)iD的影響(a)vDS＜vGS

VP時(shí)的情況 (b)vDS=vGS

VP時(shí)的情況 (c)vDS＞vGS

VP時(shí)的情況圖3vGS為固定值時(shí)，vDS對(duì)iD的影響一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.工作原理

當(dāng)vDS0時(shí)，則iD0，在溝道內(nèi)產(chǎn)生電位梯度。使柵極與溝道之間的電位差不相等，導(dǎo)電溝道呈楔形。故vDS

，靠近漏極的導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增加。

在vDS較小時(shí)，阻礙的因素是次要的，iD將隨vDS

幾乎成正比地增加(可變電阻)

當(dāng)vDS

=vGS

VP(vGD＝vGS－vDS＝VP)時(shí)，靠近漏極的耗盡層在A點(diǎn)相遇(預(yù)夾斷)

若vDS繼續(xù)

，夾斷區(qū)加長(zhǎng)。vDS增加部分主要降落在夾斷區(qū)，形成較強(qiáng)的電場(chǎng)，將電子拉過(guò)夾斷區(qū)形成iD。溝道內(nèi)電場(chǎng)基本上不隨vDS而變化，所以iD趨于飽和。3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管57二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線及參數(shù)圖4N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性圖5

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性3.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管58

一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管3.4.2絕緣刪型場(chǎng)效應(yīng)管BJT三極管場(chǎng)效應(yīng)管電流控制電流型器件電壓控制電流型器件雙極型器件單極型器件場(chǎng)效應(yīng)管按基本結(jié)構(gòu)分類:金屬一氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）N溝道（電子型）P溝道（空穴型）增強(qiáng)型耗盡型重點(diǎn)討論N溝道增強(qiáng)型MOS管1.結(jié)構(gòu)2.工作原理3.特性曲線與特性方程591.結(jié)構(gòu)一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管(a)結(jié)構(gòu)圖(b)結(jié)構(gòu)剖面圖(c)電路符號(hào)圖1N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)及符號(hào)602.工作原理一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管（1）vGS對(duì)iD的控制作用①

vGS＝0，沒(méi)有導(dǎo)電溝道②

vGS≥VT時(shí)，出現(xiàn)N型溝道（2）vDS對(duì)iD的影響①

vDS較小時(shí)，iD迅速增大②

vDS較大出現(xiàn)夾斷時(shí)，iD趨于飽和612.工作原理（1）vGS對(duì)iD的控制作用（a）（b）一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管①

vGS＝0，沒(méi)有導(dǎo)電溝道②

vGS≥VT時(shí)，出現(xiàn)N型溝道

在vGS作用下，產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)，排斥空穴而吸引電子。P型襯底中的電子被吸引到柵極下的襯底表面。

源區(qū)、襯底和漏區(qū)之間就形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)反偏，因此，iD＝0。

當(dāng)正vGS到達(dá)一定數(shù)值(開(kāi)啟電壓)時(shí)，這些電子在柵極附近的P型硅表面便形成了一個(gè)N型薄層，稱之為反型層(導(dǎo)電溝道)。(增強(qiáng)型)vGS愈大，導(dǎo)電溝道愈厚，溝道電阻的阻值將愈小(場(chǎng)效應(yīng)－電壓控制)。622.工作原理8.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管（d）（c）①

vDS較小時(shí)，iD迅速增大②

vDS較大出現(xiàn)夾斷時(shí)，iD趨于飽和（2）vDS對(duì)iD的影響

導(dǎo)電溝道形成后加上vDS，將產(chǎn)生iD。在vGS和vDS共同作用下的綜合電位梯度，使得溝道厚度不均勻，靠近漏極一端的溝道最薄。

當(dāng)vDS較小時(shí)，溝道厚度不均勻現(xiàn)象對(duì)溝道影響較小。

當(dāng)vDS

到使vGD=vGS

vDS=VT時(shí)，漏極一端的溝道厚度為零，這種情況稱為預(yù)夾斷。

當(dāng)vDS繼續(xù)，使vGS

vDS<VT時(shí)，形成一夾斷區(qū)。vDS

部分主要降落在夾斷區(qū)，形成較強(qiáng)的電場(chǎng)，電子仍能克服夾斷區(qū)阻力到達(dá)漏極。但導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)基本上不隨vDS

而

，iD趨于飽和，僅取決于vGS。632.工作原理一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管圖2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本工作原理示意圖①當(dāng)vGS＜VT

時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道，iD＝0。②當(dāng)vGS≥VT，導(dǎo)電溝道形成，iD

0。

vDS較小，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷前，iD與vDS成線性關(guān)系。

當(dāng)vDS

到預(yù)夾斷出現(xiàn)后，iD趨于飽和。③漏極電流iD受柵源電壓vGS控制，因此場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件。由上述分析可知：643.特性曲線與特性方程一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管(1)輸出特性及特性方程(2)轉(zhuǎn)移特性(1)輸入特性曲線(2)輸出特性曲線65(1)

輸出特性及特性方程3.特性曲線與特性方程

一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管圖3N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性①

截止區(qū)②

可變電阻區(qū)③

飽和區(qū)（恒流區(qū)、放大區(qū)）vGS<VT，沒(méi)有導(dǎo)電溝道，iD＝0。vGS＞VT，有溝道；但vDS≤(vGS

VT)，導(dǎo)電溝道未預(yù)夾斷。漏源之間可以看成受vGS控制的可變電阻vDS≥(vGS

VT)，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷后。66(2)

轉(zhuǎn)移特性3.特性曲線與特性方程

一、

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管圖4N溝道增強(qiáng)型MOS管轉(zhuǎn)移特性圖3N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性

轉(zhuǎn)移特性可以直接從輸出特性上用作圖法求出。在飽和區(qū)內(nèi)，不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。67

二、

N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管(a)結(jié)構(gòu)剖面圖圖5N溝道耗盡型MOSFET(b)電路符號(hào)1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)述耗盡型與增強(qiáng)型的區(qū)別:生產(chǎn)耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入大量正離子。在正離子的作用下，即使vGS=0，也會(huì)在P型襯底上感應(yīng)出電子，形成N型溝道，此時(shí)只要加上正的vDS，就會(huì)產(chǎn)生電流iD。當(dāng)vGS

＜0時(shí)，則溝道變窄，從而使iD減小。當(dāng)vGS

＞0時(shí)，柵極與溝道間的電場(chǎng)將在溝道中感應(yīng)出更多的電子，使溝道變寬，溝道電阻減小，iD增加。當(dāng)vGS＜0并達(dá)到某值時(shí)，使感應(yīng)的電子消失，溝道完全被夾斷。這時(shí)即使加正向vDS，也不會(huì)有電流iD。此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓Vp。3.4.2絕緣刪型場(chǎng)效應(yīng)管68

二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管2.特性曲線與特性方程圖6N溝道耗盡型MOS管特性曲線(a)輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性①

截止區(qū)②

可變電阻區(qū)③飽和區(qū)（恒流區(qū)、放大區(qū)）vGS＜VP，iD=0vGS＞VP，0＜vDS＜vGS

VP

vGS＞VP，vDS≥vGS

VP

3.4.2絕緣刪型場(chǎng)效應(yīng)管69

三、

P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道MOS管是在N型襯底表面生成P型反型層作為溝道。P溝道MOS管與N溝道MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理類