電子線路基礎(chǔ)(15-16)

1、1.5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電導(dǎo)電(單極型），輸入阻抗高，溫度穩(wěn)單極型），輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。定性好。結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種場效應(yīng)管有兩種:N溝道溝道P溝道溝道耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型 1.5.1MOS絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底型基底兩個兩個N區(qū)（高摻雜）區(qū)（高摻雜）SiO2絕緣層絕緣層金屬鋁金屬鋁N導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道未預(yù)留未預(yù)留 N溝道增強型溝道增強型預(yù)留預(yù)留 N溝道耗盡型溝道耗盡型1.5.1.1N溝道

2、增強型溝道增強型MOS絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管PNNGSDGSDN溝道增強型溝道增強型2.符號符號N溝道耗盡型溝道耗盡型GSD柵極柵極漏極漏極源極源極3. N溝道增強型溝道增強型MOS絕緣柵場效應(yīng)管工作原理絕緣柵場效應(yīng)管工作原理源極和漏極之間形成背靠背的兩個二極管，無論加什么電壓，總有一個反偏基本無電流(1).柵極電壓對溝道的控制作用（見圖1.5.3）當(dāng)柵極與襯底間的電壓達到一定的高度時，在兩個N區(qū)間形成反型層（出現(xiàn)N溝道）開啟電壓（閾值電壓）：VGS(th):剛剛出現(xiàn)反型層時的柵極與襯底間的電壓（通常襯底與源極相接，也稱柵源電壓）(2).漏源電壓vDS對導(dǎo)電溝道的影響（見圖1.5.4)漏

3、源電壓vDS 增加，在漏極處溝道變窄當(dāng)vDS(vGS-VGS(th)時,漏極處的夾斷點左移，右端出現(xiàn)由耗盡層構(gòu)成的夾斷區(qū)，大部分電壓加在耗盡區(qū)之間，溝道中的電子在電場的作用下從源極流向漏極。4. N溝道增強型溝道增強型MOS絕緣柵場效應(yīng)管的特性絕緣柵場效應(yīng)管的特性(1)輸入特性：絕緣柵：iG0, 阻抗100M以上(一般不再描述）(2)輸出特性constvDSDGSvfi| )(輸出特性曲線類似晶體管的輸出特性曲線，分為四個區(qū)輸出特性曲線類似晶體管的輸出特性曲線，分為四個區(qū)(a)截止區(qū)：vGSVGS(th),VDSVGS(th),vDS (vGS-VGS(th),溝道形成，但已夾斷，iD不隨vD

4、S的增加（不考慮溝道寬度調(diào)制效應(yīng)）（對應(yīng)晶體管的放大區(qū)）(d)擊穿區(qū)：由于夾斷區(qū)內(nèi)耗盡層的電場過強而導(dǎo)致的擊穿(3)轉(zhuǎn)移特性曲線描述iD與vGS之間的關(guān)系：（見圖1.5.6(b)）constvGSDDSvfi| )(為了描述vGS對iD的控制作用，引入跨導(dǎo)gm: vDS為常數(shù)時，iD變化量與vGS的變化量之比:(主要描述恒流區(qū)）DpmthGSGSpmvGSDmiLWkgVvLWkgvigDS2)(|)(0或：即：(4)襯底電位對MOS場效應(yīng)管的影響分立元件中，襯底B一般與源極S相接，在集成電路中，由于所有元件為同一襯底，為保證所有元件的溝道與襯底間反偏，vBS0,所以，開啟電壓和轉(zhuǎn)移特性曲線右

5、移。1.5.1.2N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)和工作原理絕緣層中摻入大量正離子，在正離子作用下形成初始溝道當(dāng)vDS=0時，vGS加負(fù)電壓，溝道變窄耗盡層變厚當(dāng)vGS=VGS(off)時，溝道完全夾斷，即使vDS0,也無iDVGS(off):稱截止電壓，或閾值電壓vDS增加，會使D端溝道變窄（同增強型）當(dāng)vGD=VGS(off)時，D端溝道夾斷2.耗盡型耗盡型N溝道溝道MOS管的特性曲線管的特性曲線iDmAVVDSVGS (共源極接法共源極接法)GSDN溝道耗盡型與增強型特性相近，主要不同點在于：增強型：開啟電壓：VGS(th) 為正值耗盡型：截止電壓：VGS(off) 為負(fù)值(a)截止區(qū)

6、：vGSVGS(off), 0VDSVGS(off),VDS (vGS-VGS(off),D端溝道已夾斷，iD不隨vDS的增加（不考慮溝道寬度調(diào)制效應(yīng)）（對應(yīng)晶體管的放大區(qū)）2)()(2offGSGSpDVvLWki上式中：當(dāng)vGS=0時稱為飽和電流2)()(2offGSpDSSDVLWkIi因此漏極電流表達式又可表示為2)()1 (offGSGSDSSDVvIi常用公式考慮到溝道長度的調(diào)制效應(yīng)：VA厄爾利電壓，曲線向左與橫軸的交叉點，交于 VA處，代表了在不同的工作點的輸出電阻，此時iD為：為溝道長度調(diào)制因子式中：A2)(V1)1()(2DSoffGSGSpDVVvLWki或：)1()1(2

7、)(DSoffGSGSDSSDvVvIi1.5.1.3 P溝道MOS場效應(yīng)管符號與N溝道MOS場效應(yīng)管不同，所有的電壓、電流應(yīng)反向。由于空穴的遷移率小于電子，所以，在相同溝道體積時，溝道電阻大。以下給出的是耗盡型還是增強型曲線？1.5.1.4 MOS場效應(yīng)管的模型1.5.1.5垂直溝道絕緣柵場效應(yīng)管（VMOS）VMOS場效應(yīng)管的特點：1.vGS控制溝道的厚度，溝道調(diào)制效應(yīng)極小，恒流特性好。2.當(dāng)vGS較大時，轉(zhuǎn)移特性呈線性。（動態(tài)范圍大）3.漏極面積大，利于散熱，用于大功率。4.漏源間的擊穿電壓高。5.柵漏間的電容小，可用于高頻。1.5.2結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）分為：N溝道、P溝道N溝道P溝

8、道1.5.2.2N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理1.vGS對溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時（vDS=0)，溝道存在.當(dāng)vGS 0（vDS=0)，時溝道變窄.當(dāng)vGS=VGS(off)時（vDS=0)，溝道夾斷.VGS(off)稱截止電壓或閾值電壓2。漏源電壓對溝道的影響當(dāng)vGS一定（VGS(off)vGSvGSVGS(off),vDSvGSVGS(off),vDS vGS-VGS(off),為溝道長度調(diào)制因子式中：A2)(V1)1()(2DSoffGSGSpDVVvLWki)1()1(2)(DSoffGSGSDSSDvVvIi或：當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，即0或VA時，上式可簡化。1.5.3場效應(yīng)管底

9、主要參數(shù)及溫度特性1.閾值電壓：開啟電壓（VGS(th)：用于增強型場效應(yīng)管，使得剛剛開始有iD時的柵源電壓截止電壓（VGS(off)：用于耗盡型場效應(yīng)管，使得剛剛開始iD為零時的柵源電壓2.飽和電流（IDSS): 用于耗盡型場效應(yīng)管，VGS=0時漏源電流3.輸入電阻(RGS)：結(jié)型：107，MOS：109 1015 4.低頻跨導(dǎo)(gm): 表征vGS對iD的控制作用constvGSDmDSvig|5.極間電容（CGS,CGD): 表征高頻性能6.極限參數(shù)：(1)最大漏源電壓(VBR(DS): 引起溝道雪崩擊穿時的vDS(2)最大柵源電壓(VBR(GS):引起柵源間PN結(jié)反向擊穿時的vGS(3

10、)最大漏極耗散功率(PDM):防止過熱所限制的功率(4)最大漏源電流(IDM): 對工作電流的限制（與功耗等有關(guān)）1.5.3.2溫度對場效應(yīng)管特性的影響1.溫度升高時，閾值電壓降低，使得在同一vGS下，iD增加2.溫度升高時，載流子遷移率降低，gm下降根據(jù)右側(cè)曲線，適當(dāng)選擇iD，可使溫度的影響降至最低1.6模擬集成電路中的元件三極管電阻二極管電容（自學(xué)）1.7.l 單結(jié)晶體管 1、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路 在一個低摻雜的N型硅棒上利用擴散工藝形成一個高摻雜P區(qū)，在P區(qū)與N區(qū)接觸面形成 PN結(jié)，構(gòu)成單結(jié)晶體管（UJT）結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。17單結(jié)晶體管和晶閘管單結(jié)晶體管和晶閘管P型半導(dǎo)體引出的

11、電極為發(fā)射極(e)；N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別為基極1(b1)和基極2(b2)。單結(jié)晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。其符號如上圖所示。單結(jié)晶體管的等效電路如圖，發(fā)射極所接P區(qū)與N型硅棒形成的PN結(jié)，等效為極管D，N型硅棒因摻雜濃度很低而呈現(xiàn)高電阻，二極管負(fù)極與基極2(b2)之間的等效電阻為rb2,二極管負(fù)極與基極1(b1)之間的等效電阻為rb1。rb1的阻值受eb1間電壓的控制，所以等效為可變電阻。2、工作原理和特性曲線 單結(jié)晶體管的發(fā)射極電流Ie與e- b1 之間電壓 VEB1的關(guān)系曲線稱為特性曲線。特性曲線的測試電路如圖所示，虛線框內(nèi)為單結(jié)晶體管的等效電路。 當(dāng)b2-b1

12、間加電源VBB，且發(fā)射極開路時A點電位為BBBBbbbAVVrrrV211式中稱為單結(jié)晶體管的分壓比，其數(shù)值主要與管子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在0.50.9之間。基極b2的電流為IB2=VBB/(rb1+r b2)當(dāng)e-b1間電壓為零時，二極管承受反向電壓，其值為反向飽和電流，很小。當(dāng)eb1兩端電壓增加到（VA+Von)時大，使 PN結(jié)正向電壓大于開啟電壓時，則Ie變?yōu)檎螂娏鳎瑥陌l(fā)射極e流向基極 b1。此時，空穴濃度很高的 P區(qū)向電于濃度很低的硅棒的 A-b1區(qū)注入非平衡少子；由于半導(dǎo)體材料的電阻與其載流于的濃度緊密相關(guān)，注入的載流子使rb1減小，而且rb1的減小，使其壓降減小，導(dǎo)致PN結(jié)正向電壓增

13、大，IE必然隨之增大，注入的載流于將更多，于是rb1進一步減小；當(dāng)IE增大到一定程度時，二極管的導(dǎo)通電壓將變化不大，此時VEB1將因rbl的減小而減小，表現(xiàn)出負(fù)阻特性。所謂負(fù)阻特性，是指輸入電壓增大到某一數(shù)值后，輸入電流（即發(fā)射極電流IE）愈大，輸入端的等效電阻愈小的特性。 一旦單結(jié)晶體管進入負(fù)阻工作區(qū)域，輸入電流IE的增加只受輸入回路外部電阻的限制，除非將輸入回路開路或?qū)E減小到很小的數(shù)值，否則管于將始終保持導(dǎo)通狀態(tài)。單結(jié)晶體管的特性曲線如圖，當(dāng)VBE1=0時，IE=IEO(IEO為反向飽和電流）當(dāng)VBE1增大至 VP（峰點電壓）時，PN結(jié)開始正向?qū)?，VP=VA+Von，再增大一點，管子

14、就進入負(fù)阻區(qū)，隨著IE增大，rb1減小，VEB1減小，直至 VEB1=VV(谷點電壓)，IE=IV（谷點電流），VV取決于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓和rb1的飽和電阻rs。當(dāng)IE再增大，管子進入飽和區(qū)。單結(jié)晶體管的三個工作區(qū)域如圖中所標(biāo)注。單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性廣泛應(yīng)用于定時電路和振蕩電路之中。除了單結(jié)晶體管外，具有負(fù)阻特性的器件還有隧道二極管、負(fù)阻場效應(yīng)管等。 3、應(yīng)用舉例 下圖所示為單結(jié)晶體管組成的振蕩電路。所謂振蕩，是指在沒有輸入信號的情況下，電路輸出一定頻率、一定幅值的電壓或電流信號。 在圖示電路中，當(dāng)通電時，電容C上的電壓為零，管子截止，電源VBB通過電阻R對C充電，隨時間增長電容上電壓vC逐漸

15、增大，增大到峰點電壓VP后，管子進入負(fù)阻區(qū)，輸入端等效電阻急劇減小，使C通過管子的輸入回路迅速放電，iE隨之迅速減小，當(dāng)vc減小到谷點電壓VV后，管于截止；電容又開始充電。上述過程循環(huán)進行，因而產(chǎn)生振蕩。由于充電時間常數(shù)遠大于放電時間常數(shù)，當(dāng)穩(wěn)定振蕩時，電容上的電壓波形如圖所示。1.7.2 晶閘管 晶體閘流管簡稱晶閘管，也稱為硅可控元件(SCR），是由三個PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件，多用于可控整流、逆變、調(diào)壓等電路，也作為無觸點開關(guān)。 1、結(jié)構(gòu)和等效模型 晶閘管是大功率器件，一般均用在較高電壓和較大電流的情況，常常需要安裝散熱片，故其外形都制造得便于安裝和散熱。常見的晶閘管外形有螺栓形和

16、平板形，此外，其封裝形式有金屬外殼和塑封外殼等。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖所示，由四層半導(dǎo)體材料組成，四層材料由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交替組成，分別為P1、N1、P2、和N2。，它們的接觸面形成三個PN結(jié)，分別為J1、J2和J3，故晶閘管也稱為四層器件或PNPN器件。P1區(qū)的引出線為陽極（A），N2區(qū)的引出線為陰極（C），P2區(qū)的引出線為控制極（G）。為了更好地理解晶閘管的工作原理，常將其分解成兩部分，由一只PNP型管和一只NPN構(gòu)成。 2、工作原理 當(dāng)晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓而控制極不加電壓時，J2處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，稱為阻斷狀態(tài)。 當(dāng)晶閘管的陽極 A和陰極C之間加正向電壓且控

17、制極和陰極之間也加正向電壓時，如下圖所示J3 處于導(dǎo)通狀態(tài)。若T2管的基極電流為IB2，則其集電極電流為IB2，T1管的基極電流為IC1。T1管的集電極電流則為1 2IB2。因為T1管的集電極電流又作為2管的基極電流，再一次進行上述放大過程，形成正反饋。在很短的時間內(nèi)一般不超過幾微秒，兩只管子均進入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導(dǎo)通，這個過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通過程。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就失去控制作用，管于依靠內(nèi)部的正反饋始終維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，陽極和陰極之間的電壓一般為0.61.2V，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載電阻上陽極電流為IA。因型號不同可達幾十幾千安。如果能夠使陽極電流IA減小到一定數(shù)值，導(dǎo)致

18、晶閘管不能維持正反饋過程，管子將關(guān)斷，這種關(guān)斷稱為正向阻斷，IH稱為維持電流，如果在陽極和陰極之間加反向電壓，晶閘管也將關(guān)斷，這種關(guān)斷稱為反向阻斷。因此，控制極只能通過加正向電壓控制晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；而要使晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，則必須通過減小陽極電流或改變電壓極性的方法實現(xiàn)。3、晶閘管的伏安特性 以晶閘管的控制極電流IG為參變量，陽極電流I與AC間電壓V的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性，即 I=f(v)|IG=const下圖所示為晶閘管的伏安特性曲線。v0時的伏安特性稱為正向特性。從圖示的伏安特性曲線可知，當(dāng)IG=0時，v逐漸增大，在一定限度內(nèi)，由于J2處于反向偏置，i為很小的正向漏電流，曲線與二極管的反向特性類似；當(dāng)v增大到一定數(shù)值后，晶閘管導(dǎo)通，i驟然增大，v迅速下降，曲線與二極管的正向特性類似；電流的急劇增大容易造成晶閘管損壞，應(yīng)當(dāng)在A-C所在回路加電阻（通常為負(fù)載電阻)限制陽極電流。使晶閘管從阻斷到導(dǎo)通的AC間電壓v稱為轉(zhuǎn)折電壓的VBO。正常工作時，應(yīng)在控制極和陰極間加觸發(fā)電壓，因而IG 大于零；而且，IG愈大，轉(zhuǎn)折電壓愈小。 v0時的伏安特性稱為反向特性。從圖所示的伏安特性曲線可知，晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似。當(dāng)晶閘