发布时间 : 星期四 文章第2章 半导体二极管及其应用B更新完毕开始阅读205cc9d065ce050876321388
第2章 半导体二极管及其应用
1. N沟道增强型MOSFET的结构
N沟道增强型MOSFET结构的示意图如图2-17（a）所示，增强型MOSFET的符号如图2-17（b）所示。
2. N沟道增强型MOSFET的工作原理 (1) uGS对iD的控制作用
a. uGS?0时，没有N型导电沟道 b. uGS?UGS(th)时，出现N沟道。
可以通过uGS控制N型沟道的厚度，此时在uDS的作用下将产生漏极电流iD。显然uGS越大导电沟道越厚，沟道电阻值越小，通常将在uDS作用下开始导电时的uGS称为开启电压，用UGS(th)表示。也正是由于这种场效应管在uGS?UGS(th)时才形成导电沟道，才称之为增强型场效应管。 (2) uDS对iD的影响
当uGS?UGS(th)导电沟道形成，此时外加漏源电压uDS将产生漏极电流iD。
当uDS较小时，iD随uDS增大而迅速增大。当
UDDiD?0UGGiD?0sN?gdN?sN?g???????????????????PdN?uDS增加到uDS?uGS?UGS(th)时，靠近漏极端的
沟道厚度为零，出现预夹断。若uDS继续增大，使
P衬底 B(a)uDS?(uGS?UGS(th))，导电沟道的夹断点向源极
方向移动，夹断区域向源极方向延伸，沟道电阻增大，电流iD趋于饱和，基本不随uDS的变化而变化，仅取决于uGS。
3. N沟道增强型MOSFET的特性曲线
N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移特性。输出特性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。转移特性同样是在uDS?常数的条件下，从输出特性曲线上用作图法求出。
增强型MOSFET的转移特性同样以uDS为参变量时，漏极电流iD随栅源电压uGS变化的关系曲线。漏极电流iD的近似表达式为 iD?IDO(UDD衬底 B(b)UGGiDUDDsN?gd迅速增大UGGiDsN?g?????????????????????????????PdN?夹断区饱和???????????????????????N??????????P衬底 B(c)N型导电沟道衬底 B(d)图2-18 N沟道增强型 MOSFET的基本工作原理示意图uGS?0 时，(a) 无导电沟道uGS?UGS(th) 时，(b) 出现沟道(c) uGS?UGS(th) ,uDS较小时，iD 迅速增大(d) uGS?UGS(th) ,uDS较大时出现夹断，iD 趋于饱和uGS?1)2 (uGS?UGS(th)) (2-15)
UGS(th)式中，IDO是uGS?2UGS(th)时的漏极电流iD。 2) N沟道耗尽型MOSFET
1. N沟道耗尽型MOSFET的结构
N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图2-19（a）所示。耗尽型MOSFET的符号如图2-19（b）所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离子(图中2-19中用“＋”表示)，使漏源之间
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第2章 半导体二极管及其应用
的导电沟道在uGS?0时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。因此称为N沟道耗尽型MOSFET。由于uGS?0时就存在初始导电沟道，所以只要加上uDS就能形成漏极电流iD。 2. N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线
N沟道耗尽型MOSFET的漏极电流可近似表示为
绝缘层SiO2sg????????????????????????????????????????????????????????????????d铝电极iD?IDSS(1?(2-16)
uGS2导电沟道 ) (UGS(off)?uGS?0) PN结耗尽层UGS(off)P 衬底半导体材料N?N?耗尽型 N 沟道 式中IDSS是uGS?0时的漏极电流。
表2-1 各种场效应管特性比较 结 构 结 型 场 效 应 管 N 沟 道 J F E T P 沟 道 J F E T M O S 场 N 沟 道 M O S 管 工作方式 耗 尽 型 耗 尽 型 符号 衬底 B耗尽型 P 沟道(a) N沟道耗尽型MOSFET 的结构示意图(b) 耗尽型 MOSFET的符号图2-19 耗尽型 MOSFET 的结构及其符号转移特性 iDmA输出特性 guDS?uGS?UGS(off)N沟道JFET iDmAuDS?uGS?UGS(off)0V-1VIDSSds -2V-3V-4VuDSuGSV0N沟道JFETUGS(off)0 P沟道JFET+3V0 dgsiDmAiDuDSuDS?uGS?UGS(off)0UGS(off)uGSVP沟道JFET+2V+1V0V dgs IDSSuDS?uGS?UGS(off) 增 强 型 耗 尽 型 iDmA
iDmAuDS?uGS?UGS(th)+5V+4VuDS?uGS?UGS(th)N沟道增强型MOSFET+3V+2V+1VuDS0B dgsB 0uGSVN沟道MOS增强型UGS(th)iDmA iDmA uDS?uGS?UGS(off)?2VuDS?uGS?UGS(off)N沟道耗尽型MOSFET0VIDSS-1V-2V-3VuDS uGSV0UGS(off)0N沟道MOS耗尽型 18
第2章 半导体二极管及其应用
效 应 管 P 沟 道 M O S 管 增 强 型 dgsBiDmAP沟道MOS增强型-2V0UGS(th)0uDSuGSVuDS?uGS?UGS(off)-3V-4V-5V 耗 尽 型 P沟道增强型MOSFETuDS?uGS?UGS(th) iDmA P沟道MOS耗尽型+2V+1V0 dgsBuDS?uGS?UGS(off)uDS0UGS(off)uGSV0V-1VIDSS P沟道耗尽型MOSFETuDS?uGS?UGS(off)
2.10典型例题分析
[例2-1] 电路如例2-1图所示，设二极管是理想的，试判断二极管是导通还是截止？并求输出电压UAO。
解：若要判断二极管是导通还是截止，则可先假设二极管移开，计算二极管的阳极和阴极之间的电位差。若该电位差大于零，则表明二极管可能导通；若该电位差小于或等于零，则二极管截止。对于例2-1图（a）所示电路，移开二极管后的电路如图例2-1图（b）所示，两个二极管的阳极和阴极之间的电位差分别为
(a)D1D2AUD1UD2AD1D2AR12V9V0(b)R12V9V012VR9V0(c)例2-1图(a) 原理电路图(b) 移去二极管后的电路(c)二极管D1导通时的等效电路UD1?0?(?9) V?9 V?0
UD2??12?(?9)??3V?0 故二极管D1导通，D2截止。由于二极管为理想二极管，所以D1做短路处理，D2做开路处理，其等效电路如例2-1图（c）所示。则输出电压为：
UAO?0V [例2-2] 例2-2图所示电路中的二极管是硅管，①若二极管为理想二极管，则
R1U6V4.7kΩIDUDR120VU4.7kΩIDR203Ω0(a)DR203Ω0(b)UDD 例2-2图(a)原理电路图(b)二极管导通时等效电路19
第2章 半导体二极管及其应用
流过二极管中的电流是多少？②如果二极管正向导通压降为0.7V，则流过二极管中的电流又是多少？③若U＝20V，且二极管正向导通压降为0.7V，则流过二极管中的电流又是多少？ 解：由例2-2图（a）所示电路
① 若二极管为理想二极管，二极管D承受正向电压而导通，UD＝0V，二极管中的电流为
ID?U6??1.28 mA R14.7?103② 如果二极管正向导通压降为0.7V，先判断二极管是导通还是截止。假设将二极管移开，则R2两端的电压为 UD?R20.3U??6?0.36 V
R1?R24.7?0.3由于硅二极管的开启电压约为0.5V，故二极管截止，ID＝0。
③ 若U＝20V，且二极管正向导通压降为0.7V，则假设移开二极管后R2两端的电压为
UD?R20.3U??20?1.2V
R1?R24.7?0.3由于二极管两端电压大于开启电压，故D导通，二极管用恒压源代替，其等效电路如例2-2图（b）所示，恒压源两端电压为UD＝0.7V，则二极管中的电流为
ID?U?UDUD20?0.70.7????1.773mA R1R24.70.3[例2-3] 如图2-10所示电路中，UI＝12V，稳压管稳定电压UZ＝6V，稳定电流Iz＝10mA，电阻R＝100Ω，RL＝150Ω 。①求Uo、IR和稳压管实际工作电流 IZ；②若稳压管最大稳定电流IZM=50mA，试问UI允许波动的范围是多少？③若VI =12V，VZ=6V,稳压管稳定电流IZ＝10mA，最大稳定电流
Iz=50mA，问负载电阻RL允许变化的范围是多少？
解：① 由电路可知，Uo?UZ?6V。 IR? Io?UI?UZ12?6??60 mA R100Uo6??40 mA RL150则稳压管的实际工作电流为
IZ?IR?Io?60?40?20 mA
②若稳压管最大稳定电流IZM=50mA，而稳定电流IZ＝10mA，则由电路可知 UI?IRR?UZ?(IZ?Io)R?UZ 当IZ＝10mA时
UImin?(IZ?Io)R?UZ?(10?40)?10?3?100?6?11V
当IZM＝50mA时
UImax?(IZM?Io)R?UZ?(50?40)?10?3?100?6?15V 故UI允许波动的范围是（11～15）V。
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