第2章 半导体二极管及其应用B

廖惜春 模拟电子技术基础 课后答案

第2章 半导体器件基础

2.1 教学基本要求

2.2 重点和难点 一、重点

1．理解PN结的形成和特点。

2．理解PN结的单向导电性、半导体二极管的伏安特性。 二、难点

1．正确理解PN结的组成及其工作原理。

2．正确理解二极管(包括稳压管)的伏安特性和特点。

2.3 知识要点

什么是半导体

N型和P型半导体 1．半导体与PN结 PN结的形成

PN结的单向导电性 PN结的伏安特性

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二极管的结构及分类 二极管的伏安特性 2．半导体二极管及其应用 主要参数 等效电路 二极管的应用

稳压二极管

3．特殊二极管 发光二极管 光电二极管 变容二极管 晶体管的结构及类型 电流分配及电流放大作用 4．双极型晶体管 共发射极特性、工作区域 主要参数

场效应管的结构及类型 场效应管的工作原理 5．结型场效应管 转移特性和输出特性 主要参数

MOS场效应管的结构及类型 MOS场效应管的工作原理 6．MOS场效应管 转移特性和输出特性 主要参数

MOS场效应管的使用注意事项

2.4 主要内容

2.4.1 半导体及其特性

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体，典型的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）及许多金属氧化物和金属硫化物等。半导体具有以下特性： （1）热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏电阻。 （2）光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

（3）杂敏特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素(如磷、硼等)时，其导电能力会显著增加，利用这个特性制成半导体器件，如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等等。 2.4.2 本征半导体

1．本征半导体

具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。

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2．半导体的共价键结构

在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-1所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。

3．载流子

在绝对零度和未获得外加能量时，半导体不具备导电能力。但由于共价键中的电子为原子核最外层电子，在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易被热激发成为自由电子，如图2-2所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，电子和空穴成对出现，称为载流子。空穴参与导电是半导体导电的特点，也是与导体导电最根本的区别。 2.4.3 N型半导体和P型半导体

为了提高本征半导体导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。 1．N型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价元素（如磷）后，其自由电子数目远远大于空穴数目，故这种半导体称为N型电子半导体，简称N型半导体。N型半导体中自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），磷原子称为施主杂质。而且多数载流子决定于掺杂浓度，少数载流子取决于温度。 2．P型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。在P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼

(a)

图2-1 共价键结构示意图图2-2 自由电子和空穴的形成

原子称为受主杂质。

无论是N型半导体还是P型半导体，尽管有一种载流子占多数，但整体上仍然是电中性的。 2.4.4 PN结及其单向导电性 1. PN结的形成

利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。由于PN结

(c)

O

(b)

图2-3 PN 结的形成

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的特殊性质，使得它成为制成各种半导体器件的基础。PN结形成的示意图如图2-3所示。 2．工作原理

由于两边载流子浓度的差异，P型半导体中的“多子”空穴向N型区扩散，而N型半导体中的“多子”自由电子向P型区扩散。在“多子”扩散到交界面附近时，自由电子和空穴相复合，在交界面附近只留下不能移动的带正负电的离子，形成一空间电荷区并形成的内电场使P区的“少子”电子和N区的“少子”空穴漂移。扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结就形成了。

3．PN结的单向导电性 1）PN结外加正向电压

如图2-4所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极，形成较大的扩散电流IF，其方向是由P区流向N区，该电流称为正向电流。在一定范围内，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的正向导通，此时PN结呈低电阻状态。 2）PN结外加反向电压

PN结外加反向电压，即P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图2-5所示。此时即在外电场的作用下，P区的自由电子向N区运动，N区的空穴向P区运动，形成反向电流IR，其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，IR 0，此时PN反向截止，呈现高阻状态。

总之，当PN结加正向电压时导通，呈低阻态，有较大的正向电流流过；当PN结加反向电压时截止，呈高阻态，只有很小的反向电流（纳安级）流过。PN结的这种特性称为单向导电性。

阴极

阳极

F

(b)

(a)

(a)

U

U0 U

U

(b)

R

U0 U

U0

图2-4 PN 结加正向电压时导通

图2-5 PN 结加反向电压时截止

(a) 二极管的表示符号

1N4000系列

2.5 半导体二极管

2.5.1 二极管的结构、类型及符号

将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-6（a）所示。二极管的外形如图2-6（b）所示。

二极管按材料可分为硅二极管、锗二极管、砷化镓等；按工艺结

(b) 几种二极管的外型图2-6 半导体二极管

构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管。点接触型二极管的PN结是由一根很细的金属丝和

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一块半导体通过瞬间大电流熔接在一起形成的，其结面积很小，故不能承受大电流和较高的反向电压，一般用于高频检波和开关电路。面接触型二极管的PN结采用合金法或扩散法形成，其结面积比较大，可以承受大电流。但由于结面积大，其结电容也比较大，故工作频率低，一般用在低频整流电路。

2.5.2 二极管的伏安特性及主要性能参数 2.5.2.1二极管的伏安特性 1．正向特性：

二极管的正向特性对应图2-7曲线的（1）段，此时二极管加正向电压，阳极电位高于阴极电位。当正向电压较小时（小于开启电压），二极管并不导通。硅材料的二极管开启电压约为0.5V，锗材料的二极管开启电压约为0.1V。

当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大

图2-7 二极管伏安特性

大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.6~0.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.1~0.3V，典型值取0.2V。

二极管正向导通时的电流和电压近似满足下式：

iD IS(eu/UT 1) (2-1)

23

式中iD为二极管通过的电流，u为二极管两端的电压；U T为温度电压当量，且UT kT/q，其中k为波耳兹曼常数，k 1.38 10

19

J/K，q为电子电荷，q 1.60 10C，T为热力学温度，

即绝对温度（300K），室温下UT 26mV；IS为二极管的反向饱和电流。 2．反向特性：

二极管的反向特性对应图2-7所示曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。应注意到，硅管的反向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1μA，锗管约为几个微安。 3．击穿特性：

当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-7图中的（3）段。由于这一段电流大、电压高， PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。 2.5.2.2 主要性能参数

1. 额定整流电流IF：二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。 2. 最高反向工作电压URM：保证二极管不被击穿的最高反向电压。 3. 反向饱和漏电流IS：二极管两端加反向电压时流过二极管的电流。 4. 直流电阻RD 5. 交流电阻rd

UD

：RD的几何意义是静态工作点Q点到原点的直线斜率的倒数。 ID

Q

uD iD

duD

：几何意义是二极管伏安特性曲线上Q点处切线斜率的倒数。

diDQ

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6. 最高工作频率fmax：二极管正常工作时允许通过交流信号的最高频率。

7.反向恢复时间trr：二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IS时所需要的时间。

大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间trr是二极管的一项重要指标。

2.5.2.3 二极管的等效模型及其应用 1.小信号模型

当二极管外加正向偏置电压时，可得到其直流工作点Q(UD,ID)，如图2-8（a）所示，称为静态工作点。在此基础上给二极管外加微小变化的信号u uD，则二极管的电压和电流将在其伏安特性曲线上Q点附近变化，且变化范围较小，可近似认为是在特性曲线的线性范围之内变化，于是用过Q点的切线代替微小变化的曲线，如图2-8a中Q点附近的小直角三角形所示，并由此将工作在低频小信号时的二极管等效成一个动态电阻rd 称为二极管的小信号电路模型。 2.大信号模型

二极管在许多情况下都是工作在大信号条件下(如整流二极管、开关二极管等)。在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用折线模型、恒压降模型和理想模型来表示。

(1) 折线模型

图2-8（b）为二极管的折线模型。该模型中考虑了二极管的开启电压Uth，当uD Uth时二极管才导通，且电流iD与uD成线性关系，直线的斜率为gd rd，其中rd UD ID，当uD Uth时二极管截止，电流为零。 (2) 恒压降模型

图2-8（c）为二极管的恒压降模型。当二极管的正向导通压降与外加电压相比不能忽略时，二极管正向导通可看成是恒压源（硅管典型值为0.7V，锗管典型值为0.2V），且不随电流变化而变化；截止时反向电流为零，做开路处理。

(3) 理想模型

图2-8（d）为二极管的理想模型。在二极管的工作电压幅度较大时，认为可以忽略二极管的正向导通压降和反向饱和电流，即正偏时二极管导通电压为零，相当于开关闭合；反偏压时二极管截止电流为零，相当于开关断开。

uD

iD

，同时用图2-8（a）中的rd表示的模型，

Q

uD 0iD 0

d

d

(b) 折线模型

(d)

理想模型

(a) 小信号模型

图 2-8 二极管的等效模型及其代表符号

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2.6 特殊半导体二极管

2.6.1 稳压管及其应用

稳压管是一种由特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其表示符号与伏安特性如图2-9所示。稳压管工作在反向击穿区，并且在一定电流范围内（△IZ），稳压管不会损坏。由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。由图2-9（b）可以看出，稳压管加一定的反向电压击穿后，反向电流在很大范围内变化，管子两端的电压基本保持不变，这就是稳压管之所以稳压的原因。 稳压管的主要参数如下：

1. 稳定电压UZ：稳压管正常工作时的反向击穿电压。 2. 稳定电流IZ：稳压管工作在稳定电压时的参考电流。 3. 最大稳定电流IZM：稳压管在反向工作时的最大稳定电流。

4. 最大允许耗散功率PZM：是指稳压管的PN结不至于由于结温过高而损坏的最大功率。 5．动态电阻rZ

(a)

V

图2-9 稳压管的符号及伏安特性

(a)符号

(b)伏安特性

UZ IZ

：在稳压工作区域内电压的变化量与电流变化量的比值。

6．电压温度系数 u 受温度影响的参数。

1 UZ

：是反映稳压管稳定电压

TUZ

Uo

在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相配合使用，其电路如图2-10所示。其中R为限流电阻，使得稳压管的稳定电流在一定范围内，另外也起到电压的调节作用。

选择稳压管一般取

UZ＝Uo

IZM＝(1.5 ~3) IOM

(2-2) UI = (2~3) Uo

当负载电阻RL和输入电压UI一定时，电阻R的选择是根据稳压管的电流不超过正常工作范围来选的。稳压管的电流是在IZmin < IZ < IZM之间，由图2-10可知 IZmin 可得电阻R的取值范围为

图2-10 稳压管稳压电路

UI UZUZ

IZM (2-3) RRL

UI UZUI UZ R (2-4) UZUZ

IZM IZmin

RLRL

2.6.2* 半导体光电器件

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2.6.2.1发光二极管

发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，因此不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。故发光二极管工作时要加正向电压。 2.6.2.2* 光电二极管

光电二极管（也叫光敏二极管）是将光信号变成电信号的半导体器件，与光敏电阻相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，在光电二极管的管壳上有一个能射入光线的窗口，窗口上镶着玻璃透镜，光线可通过透镜照射到管芯，而且PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些， PN结的结深很浅，一般小于1微米，这主要是为了提高光的转换效率。 2.6.2.3* 变容二极管

变容二极管是利用外加反向电压改变二极管结电容容量的特殊二极管，与普通二极管相比，其结电容变化范围较大。由于改变反向电压的大小可以改变结电容容量的大小，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等电路。 2.6.2.4* 快速二极管

(a)

(b)

VR

(c)

图2-11 变容二极管

快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的，但由于普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约4～5 s，不能适应高频开关电路的要求。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。

快速二极管主要包括肖特基二极管和快恢复二极管。肖特基二极管是由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二极管，其主要特点是正向导通压降小（约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小。但目前肖特基二极管存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较大，用于功率变换电路中的肖特基二极管的大体水平是耐压在150V以下，平均电流在100A以下，反向恢复时间在10～40ns。肖特基二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。

目前快速恢复二极管主要应用在逆变电源中作整流元件，高频电路中的限幅、钳位等。

2.7 半导体二极管的应用示例

二极管的应用范围很广泛，主要是由于二极管具有单向导电性，所以利用二极管可以进行整流、限幅、保护、检波、钳位及开关电路等，下面主要介绍二极管在几个方面的应用。 1．整流电路

整流电路就是利用二极管单向导电性将方向双向交替变化的正弦波变换成单一方向脉动的直流电。 2．开关电路

由于二极管正向导通电阻小，理想情况下可以看成零，相当开关接通；而反向电阻很大，理想情况下可以看成无穷大，相当开关断开。 3．限幅电路

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把输出电压的最高电平限制在某一数值或某一范围内，称为限幅电路。 4．低电压稳压电路

稳压电路是电子电路中常见的组成部分，它可以作为基准电源，常用特殊二极管－稳压管(齐纳二极管)构成稳压电路。 5．检波电路

利用二极管的单向导电性，从经过调制的高频调幅振荡电流中，取出调制信号的过程称为检波，电路如图2-12所示。二极管单向导通，将负半周的波形去掉，然后通过电容滤波将高频成分滤掉，只剩下低频（包络线）信号通过负载输出。

uo

图2-12 二极管峰值检波原理电路

2.8 晶体三极管

2.8.1 晶体三极管的分类及结构

晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。

c

NPN 管

e b c

PNP管

（a） NPN管结构示意图

（b） NPN管芯结构剖面示意图

（c） PNP管结构示意图

（d）三极管符号

图2-13 三极管结构示意图及其符号

晶体管的结构示意图及其符号如图2-13所示。图2-13（a）所示为NPN型晶体管，图2-13（c）所示为PNP型晶体管。晶体管有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。其结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度远低于发射区且很薄。

2.8.2晶体管的工作原理

1. 晶体管放大交流信号的外部条件

要使晶体管正常放大交流信号，除了需要满足内部条件外，还需要满足外部条件：发射结外加正向电压（正偏压），集电结外加反向电压（反偏压），对于NPN管，UBE 0，

UUBC 0；对于PNP管，UBE 0，UBC 0。

2. 晶体管内部载流子运动过程 ①发射区的电子向基区运动

图2-14 三极管内部载流子运动示意图

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如图2-14所示。由于发射结外加正向电压，多数载流子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流IEN。同时基区的多子—空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流IEP。 ② 发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合

当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合。 ③ 集电区收集发射区扩散过来的电子

由于集电结加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子”电子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流ICN。同时，集电区“少子”空穴和基区本身的“少子”电子，也向对方做漂移运动，形成反向饱和电流ICBO。ICBO是由“少子”形成的电流，称为集电结反向饱和电流。 3. 晶体管的电流分配关系 由图2-14可得

IB IBN ICBO (2-5)

IC ICN ICBO (2-6)

IE IEN IBN ICN (2-7)

IE (IB ICBO) (IC ICBO) IB IC (2-8)

2.8.3 晶体管的特性曲线及主要参数 1. 晶体管的特性曲线 1）输入特性

输入特性曲线是指在集射极电压uCE为一定值时，输入基极电流iB与输入基射极电压uBE之间的关系曲线，如图2-15（a）所示，即

iB f(uBE)u

2） 输出特性

CE 常数

(2-9)

晶体管输出特性是指当iB为定值时，集电极电流iC与集射极之间电压uCE的关系曲线，如图2-15（b）所示，即

iC f(uCE)i

3）工作区域

B 常数

(2-10)

一般将输出特性分成三个区：放大区、饱和区和截止区。 (1) 放大区

晶体管工作在放大区时，其发射结正向偏置，集电结处于反向偏置。 (2) 饱和区

晶体管工作在饱和区时uCE 1V，此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 (3) 截止区

i/μA

iI V

/V

(a) 输入特性(b) 输出特性

图2-15 晶体管的特性曲线

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当晶体管工作在截止区时，发射结反偏压或正偏压小于开启电压且集电结反偏置，iB 0，

iC ICEO很小。

2. 晶体管的主要参数

IC

IB i

共发射极交流电流放大系数

C

iBI

1．电流放大倍数 共基极直流电流放大系数 C

IEI

共集电极直流电流放大系数 E

IB

2．极间反向电流 集电极－基极之间的反向饱和电流ICBO

共发射极直流电流放大系数 集电极－发射极之间的穿透电流ICEO 集电极最大允许电流ICM

3．极限参数 集电极－发射极之间反向击穿电压U(BR)CEO 集电极最大允许功率损耗PCM

2.9 结型场效应管(JFET)

2.9.1 N沟道结型场效应管

1) N沟道结型场效应管的结构

结型场效应管的结构示意图及其符号如图2-16所示。

图2-16（a）所示为N沟道JFET的结构示意图。FET也有三个电极，分别称为栅极G、源极S和漏极D。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道，其符号如图2-16（c）所示。

图2-16（b）所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图2-16（c）所示。 2) N沟道结型场效应管的工作原理 (1) uGS对导电沟道和iD的控制作用

(Drain) (Drain)

(Gate)

(Gate)

(Source)

(a) N沟道JFET的结构

(Source)

(b) P沟道JFET的结构

(c) JFET的符号

图2-16 结型场效应管的结构及符号

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当uGS 0时，导电沟道未受任何电场的作用，导电沟道最宽，当外加uDS时，iD最大；当uGS

由零向负值增大时，在uGS的反向偏置电压作用下，耗尽层将加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，外加uDS时，iD将减小；当│uGS│＝UGS(off)时 ，两侧的耗尽层在中间完全合拢，导电沟道被夹断；相应的栅－源极之间的电压称为夹断电压UGS(off)。可见，改变uGS的大小可以有效控制导电沟道电阻的大小。

(2) uDS对导电沟道和iD的控制作用

当uGS为某一固定值，且UGS(off) uGS 0时，若uDS 0则iD 0。增大uDS，沟道中的DS之间的电位梯度将发生变化，在电场的作用下导电沟道中形成的沟道电流iD也增大。当uDS增大到

uDS uGS UGS(off)，即uGD uGS uDS UGS(off)时，靠近漏极端的耗尽层出现预夹断。这时uDS增

大也不会使iD有明显的增大。沟道中相应电位差用夹断电压UGS(off)表示。预夹断处A点的电压

UGS(off)与uDS和uGS关系如下

uDS uGS UGS(off) (2-11) 3) 结型场效应管的特性曲线 1. 输出特性曲线

N沟道结型场效应管的输出特性曲线是指当栅源电压uGS一定时，FET漏极电流iD与漏源电压

uDS之间的关系曲线，用函数关系表示为

iD f(uDS)u

1) 可变电阻区。

2) 放大区。

3) 击穿区。 4) 截止区。 2．转移特性曲线

转移特性是指在漏源电压uDS为某一常数时，uGS与iD之间的关系曲线，即

iD f(uGS)u

DS 常数

GS 常数

(2-12)

JFET的输出特性曲线也分为几个区域，其曲线如表2-1所示。

(2-13)

由于输出特性和转移特性都是用来描述FET的电压与电流之间关系，因此，转移特性可以直接从输出特性上通过作图法求得。在UGS(off) uGS 0的范围内，iD随uGS的增加(负数减小)近似按平方律上升，即

iD IDSS(1

uGS2

) (2-14)

UGS(off)

增强型N2.9.2 绝缘栅场效应管

JFET的直流输入电阻可以高达106~9 ，为了进一步提高FET的输入电阻，可采用MOSFET。由于MOSFET的栅极处于绝缘状态，其输入电阻可以高达1015 。 1) N沟道增强型MOSFET

(b) 增强型MOSFET的符号

(a) N沟道增强型MOSFET 的结构示意图

图2-17 增强型 MOSFET 的结构及其符号

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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

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

(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(

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

廖惜春 模拟电子技术基础 课后答案

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

iD IDSS(1

(2-16)

uGS2) (UGS(off) uGS 0)

UGS(off)

式中IDSS是uGS 0时的漏极电流。

(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

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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

D10

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

U

U

(b)

例2-2图

(a)原理电路图(b)二极管导通时等效电路

廖惜春 模拟电子技术基础 课后答案

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 R14.7 103

② 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

R20.3

U 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

R20.3

U 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 R100

Uo6 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。