02半導(dǎo)體器件三極管場效應(yīng)管

1第1章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的特性1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管1.4場效應(yīng)三極管2§1.3雙極型三極管（BipolarJunctionTransistor)1.3.1基本結(jié)構(gòu)becNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極bcePNP型3becNPN型三極管becPNP型三極管三極管符號NPNcbePNPcbe4becNNP基極(base)發(fā)射極(emitter)集電極(collector)基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高5發(fā)射結(jié)集電結(jié)becNNP基極

發(fā)射極+++++++++++++__________________________+++++++++++++集電極61.3.2電流放大原理（NPN型）NNPcbebce7BECNNPEBRBVcc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散。進(jìn)入基區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB。多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。IEIB電流IB與上述電子電流共同形成發(fā)射極電流IE。8BECNNPVBBRBVccIE集電結(jié)反偏，使得從基區(qū)擴(kuò)散來的電子漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICn。ICICnIB集電結(jié)反偏，使得集電區(qū)的少子空穴在外電場作用下漂移形成反向飽和電流ICBO。ICBOIE=IC+IBIC

=ICn

+ICBO9共射直流電流放大系數(shù)=IC/

IBIC=IB共基直流電流放大系數(shù)=IC/

IEIC=IEIE=IC+IB10共射電流放大系數(shù)IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/

IB一般認(rèn)為=，近似為一常數(shù)，值范圍：20~100IC=

IB共基電流放大系數(shù)=IC/

IEIC=

IE或111.3.3特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBVCCVBB

實驗線路(共發(fā)射極接法)CBERC12UCE一定時，IB

與UBE的關(guān)系曲線（同二極管）（1）輸入特性

死區(qū)電壓，硅管0.5V工作壓降：硅管UBE0.7VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V13（2）輸出特性(IB

一定時，IC與UCE的關(guān)系曲線)IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/

IB=2mA/40A=50=IC/

IB=3mA/60A=50=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/

IB14輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB,且

IC=

IB

。此區(qū)域稱為放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,稱為截止區(qū)。15輸出特性三個區(qū)域的特點（NPN型）:(1)放大區(qū)發(fā)射（BE）結(jié)正偏，集電（BC）結(jié)反偏，即UBE>0，UBC<0。IC=IB,且

IC=

IB(2)飽和區(qū)BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UBE>0，UBC>0。UCEUBE

，

IB>IC，UCES<0.4V

(3)截止區(qū)BE結(jié)反偏，BC結(jié)反偏，UBE<0，UBC<0。IB=0，IC=ICEO0

16例：=50，VCC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)VBB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？VBB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止區(qū)

VBB=2V，IB=(VBB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC最大飽和電流ICS=(VCC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mAIC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位于放大區(qū)

ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBE17ICUCEIBUSCRBUSBCBERC例：=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)USB=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mA>

ICS=2mA

，Q位于飽和區(qū)(實際上，此時IC和IB已不是倍的關(guān)系）18一、電流放大系數(shù)1.3.4三極管的主要參數(shù)１、共射電流放大系數(shù)=IC/

IB２、共射直流電流放大系數(shù)IC/

IB19３、共基電流放大系數(shù)=IC/

IE４、共基直流電流放大系數(shù)IC/

IE20二、反向飽和電流１、集-基極間反向飽和電流ICBO２、集-射間穿透電流ICEOAICBOcebAICEOcebICEO=(1+)ICBO21３、極間反向擊穿電壓三、極限參數(shù)１、集電極最大允許電流ICM２、集電極最大允許功耗PCM22ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)過流區(qū)過壓區(qū)23１.3.5PNP型三極管NPN型PNP型24輸入特性IB(A)－UBE／V20406080輸出特性IC(mA)1234－UCE／V36912IB=020A40A60A80A100A25結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）絕緣柵場效應(yīng)管（MOS）場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型N溝道P溝道§1.4場效應(yīng)三極管(FieldEffectTransistor)261.4.1結(jié)型場效應(yīng)管（JunctionFieldEffectTransistor)（1）結(jié)構(gòu)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號N型溝道耗盡層(drain)(Gate)(Source)柵極漏極源極27(drain)(Gate)(Source)P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號型溝道N+N+柵極漏極源極28(2)工作原理（N溝道）PN結(jié)N型溝道攙雜程度低攙雜程度高攙雜程度高柵極和導(dǎo)電溝道間存在一個PN結(jié)，在柵極和源極之間加反向電壓UGS,使

PN結(jié)反偏，通過改變UGS來改變耗盡層寬度，使得導(dǎo)電溝道的寬度相應(yīng)改變，造成溝道的電阻值改變，于是漏極電流ID改變。即通過改變UGS的大小來控制漏極電流ID的大小。耗盡層主要向?qū)щ姕系酪粋?cè)展寬29N溝道當(dāng)UGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝道較寬。N溝道|UGS|由零逐漸增大時，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)|UGS|=Up時，兩側(cè)的耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷。夾斷電壓UDS=030NNIDIDISISP+P+P+P+VDDVDDVGGUGS=0,UDG<|Up|,耗盡層較窄，導(dǎo)電溝道較寬，溝道的電阻小，由于源漏極間有電壓，所以它們之間有一個較大的電流ID。UDS>0UGS<0,UDG<|Up|,耗盡層寬度增大，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。31NISISIDIDP+P+P+P+UGS<0,UDG=|Up|，耗盡層繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)電溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小UGSUp,UDG>|Up|，耗盡層全部合攏，ID0，夾斷改變柵極和源極之間的電壓UGS可控制漏極電流ID.32N+N+P+P+PBSGD源極漏極襯底極SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGBD電路符號

二、絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）（1）結(jié)構(gòu)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型MOS管33UDS>0

(保證柵漏PN結(jié)反偏)。U與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。UGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDBUDS-+-+

UGS柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。34

假設(shè)UDS=0，討論UGS作用PP+N+N+SGDBUDS=0-+UGS形成空間電荷區(qū)并與PN結(jié)相通UGS襯底表面層中負(fù)離子、電子UGS開啟電壓UT形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pUGS越大，反型層中n

越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層35UDS對溝道的控制（假設(shè)UGS>UT

且保持不變）UDS很小時

→

UGDUGS。此時Ron不變。由圖

UGD=UGS-UDS因此UDS→ID線性。

若UDS→則UGD→近漏端溝道→

Ron增大。此時Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDBUDS-+UGS-+PP+N+N+SGDBUDS-+UGS-+36

當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時→A點出現(xiàn)預(yù)夾斷

若UDS繼續(xù)→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時UAS=UAG+UGS=-UT+UGS（恒定）因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDBUDS-+UGS-+APP+N+N+SGDBUDS-+UGS-+AUDS→ID基本維持不變。

37MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。

三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。

利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓UGS的變化，改變感應(yīng)電荷的多少，從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：38雙極型三極管場效應(yīng)管多子導(dǎo)電多子和少子同時導(dǎo)電流控型壓控型輸入阻抗高輸入阻抗低溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性差39輸出特性曲線UDS（V）ID（mA）01324UGS=UT固定一個UDS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)40轉(zhuǎn)移特性曲線UT開啟電壓IDUGS41UT=3VUDS

=5VID/mAUDS/V0UGS=5V3.5V4V4.5VUDS

=5VID/mAuGS/V012345

轉(zhuǎn)移特性曲線中,ID=0時對應(yīng)的UGS值,即開啟電壓UT。42SGBDIDPP+N+SGDBN+N溝道DMOSUGS=0時，導(dǎo)電溝道已存在溝道線是實線N溝道耗盡型MOS管43耗盡型N溝道MOS管的特性曲線IDmAVUDSUGS

實驗線路(共源極接法)GSD44輸出特性曲線UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V固定一個UDS，畫出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線UDS>0，UGS

正、負(fù)、零均可。外部工作條件：45耗盡型N溝道M