清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.1 半导体器件基础半导体器件基础1.1.1 本征半导体本征半导体一、半导体一、半导体 导体导体 绝缘体绝缘体 半导体：半导体：硅硅（Si） 锗锗（Ge）二、本征半导体二、本征半导体 的晶体结构的晶体结构图图1.1.1清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子载流子：载流子：自由电子自由电子空穴空穴图图1.1.2清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn四、本征半导体中载流子的浓度四、本征半导体中载流子的浓度本征本征激发激发、复合复合、动态、动态平衡平衡ni、pi:自由电子与空穴浓度（自由电子与空穴浓度（ ）；）；T：热力学温度；热力学温度；k：玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（ ）；）；EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量；热力学零度时破坏共价键所需的能量；K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能与半导体材料载流子有效质量、有效能 级密度有关的常量。级密度有关的常量。T=300K时，硅、时，硅、 锗本征载流子浓度锗本征载流子浓度 分别为分别为清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N型半导体型半导体 纯净硅晶体中掺入纯净硅晶体中掺入五价元素（如磷），使五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的之取代晶格中硅原子的位置。杂质原子提供电位置。杂质原子提供电子，所以称之为子，所以称之为施主原施主原子子。自由电子浓度大。自由电子浓度大,为为多数载流子多数载流子，空穴为，空穴为少数载流子少数载流子，简称，简称多子多子和和少子少子。图图1.1.3清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、二、P型半导体型半导体 纯净硅晶体中掺入纯净硅晶体中掺入三价元素（如硼），使三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的之取代晶格中硅原子的位置。杂质原子提供空位置。杂质原子提供空穴，所以称之为穴，所以称之为受主原受主原子子。空穴为。空穴为多数载流子多数载流子，自由电子为自由电子为少数载流子少数载流子，简称简称多子多子和和少子少子。图图1.1.4清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.1.3 PN结结一、一、 PN结的形成结的形成图图1.1.5浓度差浓度差扩散扩散运动运动复复 合合空间电荷区空间电荷区内电场内电场漂移漂移运动运动多子扩散多子扩散=少子漂移少子漂移达到达到动态平衡动态平衡，形成，形成PN结结。 在空间电荷区内自在空间电荷区内自由电子和空穴都很少，由电子和空穴都很少，所以称为所以称为耗尽层耗尽层。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性1、外加正向电压时、外加正向电压时PN结处于导通状态结处于导通状态图图1.1.6 PN结处于结处于正向偏置正向偏置。外电外电场将多数载流子推向空间电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，电场，破坏了原来的平衡，扩散加剧，漂移减弱。电源扩散加剧，漂移减弱。电源作用下，扩散运动源源不断作用下，扩散运动源源不断地进行，从而形成正向电流，地进行，从而形成正向电流，PN结导通。正向导通电压只结导通。正向导通电压只有零点几伏，所以串联电阻有零点几伏，所以串联电阻以限制电流。以限制电流。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、外加反向电压时、外加反向电压时PN 处于截止状态处于截止状态 PN结处于结处于反向偏置反向偏置状状态。外电场使空间电荷区态。外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，加剧止扩散运动的进行，加剧漂移运动的进行，形成反漂移运动的进行，形成反向电流，也称为向电流，也称为漂移电流。漂移电流。因为少子的数目极少，即因为少子的数目极少，即使都参与漂移，反向电流使都参与漂移，反向电流也非常小，认为也非常小，认为PN结处于结处于截止截止状态。状态。图图1.1.7清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn三、三、PN结的电流方程结的电流方程IS:反向饱和电流；反向饱和电流；q：电子的电量；电子的电量；k：玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T：热力学温度。热力学温度。;将式中的将式中的kT/q用用UT取代，则得取代，则得清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn u0, 正向特性；正向特性； u0, 反向特性；反向特性； 反向电压大时反向击穿。反向电压大时反向击穿。 高掺杂情况，耗尽层很高掺杂情况，耗尽层很 窄，不大的反向电压可产生窄，不大的反向电压可产生 很大的电场，直接破坏很大的电场，直接破坏 共价共价 键，产生电子键，产生电子-空穴对，称为齐纳击穿；掺杂浓度空穴对，称为齐纳击穿；掺杂浓度较低，反向电压较大时，电场使少子加快漂移速较低，反向电压较大时，电场使少子加快漂移速度，把价电子撞出共价键，产生电子度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，又空穴对，又撞出价电子，称为雪崩击穿。击穿时要限制电流撞出价电子，称为雪崩击穿。击穿时要限制电流,否则造成永久性损坏。否则造成永久性损坏。四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性图图1.1.10清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn五、五、PN结的电容效应结的电容效应1、势垒电容、势垒电容 耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相当于电容的充、放电，其所等效的电容称为当于电容的充、放电，其所等效的电容称为势垒电势垒电容容Cb。如图如图1.1.11所示。所示。图图1.1.11清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、扩散电容扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子称为结处于平衡状态时的少子称为平衡少子平衡少子。 正向偏置时，参加扩散的正向偏置时，参加扩散的P区空穴和区空穴和N区的自由电子区的自由电子均称为均称为非平衡少子非平衡少子。外加正向电压一定时，靠近耗。外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，远离交界尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，远离交界面地方的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到面地方的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩散电流。外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度散电流。外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电流增大。当外加正向电压减小时，变化情况相反。流增大。当外加正向电压减小时，变化情况相反。 扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充放电过程相同，这种电容效应称为放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容扩散电容Cd。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.1.12 PN结的结电容结的结电容Cj是势垒电容是势垒电容Cb和扩散电容和扩散电容Cd之和，即之和，即 Cj=Cb+Cd清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.2 半导体二极管半导体二极管图图1.2.11.2.1 半导体二极管的常见结构半导体二极管的常见结构图图1.2.2(a)是点接触型；是点接触型；(b)是面接触型；是面接触型；(c)是平面型；是平面型；(d)是二极管的符号。是二极管的符号。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、二极管和一、二极管和PN结伏安特性的区别结伏安特性的区别 因存在体电阻和引线电阻，电流相同时二极管因存在体电阻和引线电阻，电流相同时二极管端电压比端电压比PN结压降大。二极管开始导通的临界电结压降大。二极管开始导通的临界电压称为压称为开启电压（开启电压（Uon）。导通后的电压则为工作。导通后的电压则为工作电压电压。图图1.2.3材料开启电压导通电压反相饱和电流硅si0.5V 0.6-0.8V1V的来代替的来代替UCE1V的所有曲线。的所有曲线。二、输出特性曲线二、输出特性曲线清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图 1.3.6三个工作区域：三个工作区域：1、截止区、截止区ICEO在几十甚至在几十甚至1微安以下，所微安以下，所以可近似认为以可近似认为 iC 0清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、放大区、放大区 uBEUon, 且且uCE uBE 即发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。即发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。iC仅与仅与IB有关，而与有关，而与uCE无关。无关。3、饱和区、饱和区uBEUon, 且且 uCE uBE 即发射结和集电结均处于正向偏置。即发射结和集电结均处于正向偏置。uCE=uBE,即即 uCB=0iC不随不随IB变化而变化。变化而变化。当当uBE=uCE时，是临界饱和（临界放大）状态时，是临界饱和（临界放大）状态饱和区的重要标志是饱和区的重要标志是uCE约等于零约等于零.清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。工作在放大状态。状态状态UBEicUCE极电位极电位(NPN)截止截止UBUCUB放大放大= UoniB= UBEUCUB UE饱和饱和= UoniBUCUBUE清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 1.3.4 1.3.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 一、直流参数一、直流参数 1、共射直流电流放大系数、共射直流电流放大系数2、共基电流放大系数、共基电流放大系数清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn3、 极间反向电流极间反向电流 ICBO 、 ICEO 硅管的极间反向电流硅管的极间反向电流 比锗管的小比锗管的小23个数量级，个数量级，且其温度稳定性也比锗管的好。且其温度稳定性也比锗管的好。二、交流参数二、交流参数1、共射交流电流放大系数、共射交流电流放大系数清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、共基交流电流放大系数、共基交流电流放大系数近似分析可以认为近似分析可以认为3、特征频率、特征频率fT 使使的数值下降到的数值下降到1的信号频率称为特征频率的信号频率称为特征频率fT。三、极限参数三、极限参数1、最大集电极耗散功率、最大集电极耗散功率PCM清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.3.72、最大集电极电流、最大集电极电流ICM3、极间反向击穿电压极间反向击穿电压 UCBOUCEX UCES UCER UCEO清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对一、温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10oC，ICBO增加约一倍。增加约一倍。二、温度对输入特性的影响二、温度对输入特性的影响图图1 .温度每升高温度每升高oC,|UBE|大约下降大约下降.mV。具有负温度系数。具有负温度系数。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn三、温度对输出特性的影响三、温度对输出特性的影响图图1.3.9 温度升高时，温度升高时，晶体管的晶体管的值，值，ICEO值都增大，值都增大，且输入特性左且输入特性左移，所以导致移，所以导致集电极电流增集电极电流增大。如图中虚大。如图中虚线所示。线所示。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.3.6 光电三极管光电三极管图图1.3.10图图1.3.11 基极电流基极电流IB入射光照度入射光照度EE为为1000时，光电流从时，光电流从1mA到几到几mA不等不等清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.4 场效应管场效应管1.4.1结型场效应管结型场效应管 一、结型场效应管一、结型场效应管 的工作原理的工作原理图图1.4.1 一块一块N型半导体上制作两个高掺杂的型半导体上制作两个高掺杂的P区且连接区且连接在一起，形成在一起，形成栅极栅极g，N型半导体两端引出两个电极，型半导体两端引出两个电极，漏极漏极d和和源极源极s。P区与区与N区交界面形成耗尽层区交界面形成耗尽层,漏极与漏极与源极间的非耗尽层区域称为源极间的非耗尽层区域称为导电沟道导电沟道。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.4.2图图1.4.31、当、当uDS=0时，时，uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用uGS=0,耗尽层窄，导电沟道很宽；耗尽层窄，导电沟道很宽； |uGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，大到增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，大到 一定值时，耗尽层闭合，沟道消失，此时的电压一定值时，耗尽层闭合，沟道消失，此时的电压称为称为夹断电压夹断电压UGS(off)。分别如图分别如图1.4.3中的（中的（a）、）、（b）、（）、（c）所示。正常工作时，所示。正常工作时， uGS0,则有电流则有电流iD,如图如图1.4.4（a）所示。所示。 因为栅因为栅漏电压漏电压uGD=uGS-uDS，所以当所以当uDS从零逐从零逐渐增大时，渐增大时，uGD逐渐减小逐渐减小,靠近漏极一边的沟道变窄，靠近漏极一边的沟道变窄，到到UGD=UGS(off)时称为时称为预夹断预夹断。如图。如图（b）所示。在所示。在预夹断前，预夹断前，iD随随uDS的增大而增大，的增大而增大，D-S间呈间呈电阻电阻特特性。性。 预夹断后，若预夹断后，若uDS继续增加，则继续增加，则uGD夹断区加长，夹断区加长，如图如图（c）所示。夹断区加长将使所示。夹断区加长将使iD减小，但减小，但uDS增大增大使电场增强，从而又使使电场增强，从而又使iD增大，所以导致增大，所以导致iD基本不变，基本不变，呈呈恒流恒流特性。特性。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 这时这时uGD=uGS-uDS uGS-UGS(off)时，时，当当uDS为一常量为一常量UDS时，对于确定的时，对于确定的uGS就有确定对应就有确定对应的的iD。此时通过此时通过改变改变uGS的大小来控制的大小来控制iD的大小的大小。漏极。漏极电流受栅电流受栅源电压的控制，故称场效应管为电压控制源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。元件。 用低频用低频跨导跨导gm来描述栅来描述栅源电压源电压ugs对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用 gm=3 3、当当u uGDGDUGS(off)时，时，u uGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1、输出特性曲线、输出特性曲线图图1.4.5a.可变电阻区可变电阻区（非饱和区）（非饱和区）b.恒流区恒流区（饱和区）（饱和区）c.夹断区夹断区清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、转移特性、转移特性图图1.4.6(UGS(off)uGS0时，由于有时，由于有SiO2，所以栅极电流为零。所以栅极电流为零。但此时栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥但此时栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图尽层，如图1.4.8(a)所示。所示。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.4.8当当uGS增大时，耗尽层加宽，同时将衬底的自由增大时，耗尽层加宽，同时将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层型薄层，称为，称为反型层反型层，如图，如图.4.8(b）所示。这个反型层就所示。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅构成了漏源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅源电压称为源电压称为开启电压开启电压UGS(th)。uGS越大，反型层越厚，越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。导电沟道电阻越小。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 图图.4.9uGS大于开启电压后大于开启电压后uDS对对iD的影响的影响(a)uDSuGS-UGS(th)，uDS较小，它的增加使较小，它的增加使iD线性增线性增大，沟道沿源大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄；漏方向逐渐变窄；(b)uDS=uGS-uGS(th)，即即uGD=UGS(th)，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断；预夹断；(c)uDS再增大，夹断区延长，再增大，夹断区延长，uDS的增大部的增大部分几乎全部克服夹断区对漏极电流的阻力，管子进分几乎全部克服夹断区对漏极电流的阻力，管子进入恒流区。入恒流区。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn2、特性曲线与电流方程、特性曲线与电流方程图图1.4.10 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线 （a）转移特性转移特性 （b）输出特性输出特性；IDO为为uGS=2UGS(th)时的时的iD。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、二、 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管图图1.4.11 在制造在制造MOS管时，在管时，在SiO2绝缘层中掺入大量绝缘层中掺入大量正离子，则在正离子，则在uGS=0时，在正离子作用下，时，在正离子作用下，P型衬型衬底表层就存在反型层底表层就存在反型层,即漏即漏-源间有导电沟道，这时源间有导电沟道，这时只要在漏只要在漏-源之间加正向电压，就会有漏极电流，源之间加正向电压，就会有漏极电流，如图如图1.4.11(a)所示。所示。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 当当uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD变大；而当变大；而当uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD变小。当变小。当uGS减小到某一负值时，反型层消失，漏减小到某一负值时，反型层消失，漏-源源间的导电沟道随之消失，间的导电沟道随之消失，iD=0。此时的此时的uGS称为夹断电称为夹断电压压UGS(off)。三、三、P沟道沟道MOS管管P沟道增强型沟道增强型MOS管的开启电压管的开启电压UGS(th)0。四、四、VMOS管管 从结构上解决散热问题。从结构上解决散热问题。V型槽，漏极散热面型槽，漏极散热面积大，便于安装散热器。其耗散功率最大可达千积大，便于安装散热器。其耗散功率最大可达千瓦以上。其结构如图瓦以上。其结构如图1.4.12所示。所示。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.4.12 N沟道增强型沟道增强型VMOS管结构示意图管结构示意图清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.4.13 1.4.13 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1、开启电压、开启电压UGS(th):uDS为一常量时，使为一常量时，使 iD 大于零大于零 （5A)所需的最小所需的最小|uGS|值。值。2、夹断电压、夹断电压UGS(off):是结型和耗尽型是结型和耗尽型MOS场效应场效应 管管iD为规定的微小电流（为规定的微小电流（5A）时的时的uGS值。值。3、饱和漏极电流、饱和漏极电流IDSS:耗尽型管在耗尽型管在uGS=0的情况下的情况下 产生预夹断时的漏极电流。产生预夹断时的漏极电流。4、直流输入电阻、直流输入电阻RGS(DC)：栅栅-源电压和栅极电流源电压和栅极电流 之比。结型管的大于之比。结型管的大于107，而而MOS 管的大于管的大于 109 。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、交流参数二、交流参数1、低频跨导、低频跨导gm:2、极间电容：、极间电容：Cgs 和和Cgd约为约为0.11 pF ，Cds约为约为 13pF。 三、极限参数三、极限参数1、最大漏极电流、最大漏极电流IDM2、击穿电压击穿电压U(BR)DS 对于结型场效应管栅对于结型场效应管栅-源源PN结反向击穿电压结反向击穿电压 和和MOS场效应管栅场效应管栅-源击穿电压为源击穿电压为U(BR)GS3、最大耗散功率最大耗散功率PDM清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 对于对于MOS管，栅管，栅-衬之间的电容量很小，若感应少衬之间的电容量很小，若感应少量的电荷便会产生很高的电压造成很薄的绝缘层击穿。量的电荷便会产生很高的电压造成很薄的绝缘层击穿。在存放和在工作电路中，要为栅在存放和在工作电路中，要为栅-源之间提供直流通路，源之间提供直流通路，避免栅极悬空，在焊接时要使电烙铁良好接地。避免栅极悬空，在焊接时要使电烙铁良好接地。1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较控制控制导电导电噪声噪声使用使用种类种类用途用途晶体管晶体管 电流电流多子多子少子少子大大固定固定少少放大、放大、开关开关场效应场效应管管电压电压多子多子小小栅栅-源源互换互换多多放大、放大、开关、开关、IC清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管1.5.1 单结晶体管单结晶体管一、单结晶体管的结构和等效电路一、单结晶体管的结构和等效电路图图1.5.1在一个低掺杂在一个低掺杂N型硅棒上扩散一个高掺型硅棒上扩散一个高掺杂的杂的P区。只有一个区。只有一个PN结，故称为单结晶体结，故称为单结晶体管（管（UJT）,P区为发射极区为发射极e，N区引出两个基区引出两个基极极b1和和b2，所以也称为双基极晶体管。所以也称为双基极晶体管。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn二、工作原理和特性曲线二、工作原理和特性曲线特性曲线：发射极电流特性曲线：发射极电流IE与与e-b1间电压间电压UEB1的关系的关系 曲线。曲线。图图1.5.2分压比分压比为为0.50.9清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cnUEB1=0时，时，UEA=VBB。发射极电流发射极电流IE为二极管为二极管的反向电流的反向电流IEO。UEA接近零时，接近零时，IE的数值明显减小。的数值明显减小。当当UEB1=UA时，二极管端电压为零，时，二极管端电压为零，IE=0。UEB1继续继续增加，到增加，到PN结正向导通时，结正向导通时，IE为正，此电流由为正，此电流由e到到b1，P区浓度很高的空穴向电子浓度很低的硅棒的区浓度很高的空穴向电子浓度很低的硅棒的A-b1区区注入非平衡少子，注入的载流子使注入非平衡少子，注入的载流子使rb1减小，其上压降减小，其上压降减小，从而减小，从而PN结正向电压增大，注入的载流子更多，结正向电压增大，注入的载流子更多，rb1进一步减小；当进一步减小；当IE增大到一定程度时，二极管的导增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时通电压将变化不大，此时UEB1将因将因rb1减小而减小，表减小而减小，表现出现出负阻特性负阻特性。 负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。负负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。负阻器件还有隧道二极管、负阻场效应管和阻器件还有隧道二极管、负阻场效应管和双极晶体双极晶体管等。管等。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn三、应用举例三、应用举例图图1.5.3 VBB合闸通电时，合闸通电时，电容电容C充电充电,其上电其上电压上升，达峰值电压上升，达峰值电压压UP时进入负阻区，时进入负阻区，输入端等效电阻急输入端等效电阻急剧减小，电容迅速剧减小，电容迅速放电，达谷点电压放电，达谷点电压UV后，管子截止后，管子截止,电容再次充电，如电容再次充电，如此循环往复形成振荡。此循环往复形成振荡。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.5.2 晶闸管（晶闸管（Thyristor) 亦称为硅可控元件（亦称为硅可控元件（SCR)，是由三个是由三个PN结结构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压、无触点开关电路中。变、调压、无触点开关电路中。一、结构和等效模型一、结构和等效模型图图1.5.4清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.5.5二、工作原理二、工作原理 A-C间加正向电压而控制极间加正向电压而控制极G不加电压时，不加电压时，J2结不结不通，呈阻断状态。但在控制极通，呈阻断状态。但在控制极G也加正向电压时，也加正向电压时，T2导通并发生正反馈，几微秒时间两管全导通，靠正导通并发生正反馈，几微秒时间两管全导通，靠正反馈维持导通，控制极反馈维持导通，控制极G失去作用。此时失去作用。此时A-C间电压间电压0.61.2V，阳极电流阳极电流IA可达几十可达几十几千安。几千安。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断：晶闸管导通后，采用下列措施才能将其关断：1、使阳极电流减小到小于维持电流、使阳极电流减小到小于维持电流IH的数值；的数值；2、在阳极和阴极之间加反向电压。、在阳极和阴极之间加反向电压。三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性图图1.5.7清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数1、额定正向平均电流、额定正向平均电流IF: 连续通过的工频正弦波连续通过的工频正弦波 电流平均值。电流平均值。2、维持电流、维持电流IH: 控制极开路，维持导通的最小阳控制极开路，维持导通的最小阳 极电流。极电流。3、触发电压、触发电压UG和触发电流和触发电流IG: u=6v时使晶闸管导时使晶闸管导 通所需最小的控制极电压和电流，一般为通所需最小的控制极电压和电流，一般为15V 和几十至几百和几十至几百mA。4、正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDRM: 控制极开路，允许重控制极开路，允许重 复作用在晶闸管上的最大正向电压。复作用在晶闸管上的最大正向电压。(UBO0.8)5、反向重复峰值电压、反向重复峰值电压URRM: 控制极开路，允许重控制极开路，允许重 复作用在晶闸管上的最大反向电压。复作用在晶闸管上的最大反向电压。(UBO0.8)清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn例：可控半波整流例：可控半波整流图图1.5.8清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.6 集成电路中的元件集成电路中的元件1.6.1 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介图图1.6.2集成电路剖集成电路剖面图及外形面图及外形清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 图图1.6.3 PN结隔离结隔离的制造工艺的制造工艺 (a)P型硅衬底型硅衬底(b)氧化氧化(c)光刻光刻(d)腐蚀腐蚀(e)扩散扩散(f)外延及氧化外延及氧化(g)光刻光刻(h)腐蚀腐蚀(i)扩散及氧化扩散及氧化清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn图图1.6.4 在隔离岛上制作在隔离岛上制作PNP型管型管清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.6.2 集成双极型管集成双极型管一、一、PNP型管型管图图1.6.5 集成电路中的集成电路中的PNP型管型管清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 图图1.6.6 多发射极管多发射极管 图图1.6.7多集电极管多集电极管二、其它类型晶体管二、其它类型晶体管清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.6.3 集成单极型管集成单极型管图图1.6.8 CMOS电路电路清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn1.6.4 1.6.4 集成电路中元件的特点集成电路中元件的特点一、具有良好的对称性。一、具有良好的对称性。二、电阻和电容的数值有一定的限制。电阻二、电阻和电容的数值有一定的限制。电阻 几十欧几十欧- -几百欧，电容一般小于几百欧，电容一般小于100100pFpF。三、纵向晶体管的三、纵向晶体管的值大，横向晶体管的值大，横向晶体管的值值 小，小，PNPN结耐压高。结耐压高。四、用有源元件取代无源元件。尽量多采用四、用有源元件取代无源元件。尽量多采用 纵向纵向NPNNPN型管型管, ,少用电阻和电容。少用电阻和电容。清华模电 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn 清华大学 王宏宝 hongbaowmail.tsinghua.edu.cn学完本章后，应能掌握以下几点：学完本章后，应能掌握以下几点：1、熟悉熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴，下列定义、概念及原理：自由电子与空穴， 扩散与漂移，复合，空间电荷区、扩散与漂移，复合，空间电荷区、PN结、耗尽结、耗尽 层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管 的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及 三个工作区域。三个工作区域。2、掌握掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外 特性、主要参数的物理意义。特性、主要参数的物理意义。3、了解了解选用器件的原则。选用器件的原则。清华模电