媒质 4.1 半导体物理基础 导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。

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1 媒质 4.1 半导体物理基础 导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。
　　本章从半导体器件的工作机理出发，简单介绍半导体物理基础知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，重点是掌握器件的特性。 4.1　半导体物理基础 导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。 绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 ~ 1020 ·m。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs) 。 媒质 　　半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。

2 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。 4.1.1 本征半导体
4.1.1　本征半导体 　　硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。

3 每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。
　　每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。 　　价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。 　　本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。

4 自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，
　　价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。 　　自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，

5 　　平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上
其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗为0.78 eV；k = 8.63  eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87  1016 cm- 3 K- 3 / 2，锗为1.76  1016 cm- 3 K- 3 / 2。 4.1.2　N 型半导体和 P 型半导体 　　本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。

6 一、N 型半导体 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为
多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴 但半导体仍保持电中性　　 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为 因为 ni 容易受到温度的影响发生显著变化，所以 pn 也随环境的改变明显变化。 自由电子浓度 杂质浓度

7 二、P 型半导体 而自由电子的浓度 np 为 环境温度也明显影响 np 的取值。 多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子
　　在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离 多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子 但半导体仍保持电中性 而自由电子的浓度 np 为 环境温度也明显影响 np 的取值。 空穴浓度 掺杂浓庹

8 4.1.3　漂移电流和扩散电流 　　半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。 　　半导体电流 漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。 扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。 半导体电流

9 4.2 PN 结 4.2.1 PN 结的形成 多子扩散 少子漂移 动态平衡
　　通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。 4.2.1　PN 结的形成 多子扩散 　　　　空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移 动态平衡

10 　　空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。

11 4.2.2 PN 结的单向导电特性 一、正向偏置的 PN 结 二、反向偏置的 PN 结 正向偏置 耗尽区变窄 反向偏置 耗尽区变宽
扩散运动加强，漂移运动减弱 正向电流 扩散运动减弱，漂移运动加强 反向电流

12 4.2.3 PN 结的击穿特性 PN 结击穿 当 PN 结上的反向电压足够大时，其中的反向电流会急剧增大，这种现象称为 PN 结的击穿。

13 4.2.4　PN 结的电容特性 　　PN 结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明 PN 结具有电容效应。 一、势垒电容 CT0为 u = 0 时的 CT，与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在 1 / 3 ~ 6 之间。当反向电压 u 绝对值增大时，CT 将减小。

14 二、扩散电容 　　PN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当 PN 结正偏时，CD 远大于 CT ，即 Cj  CD ；反偏的 PN 结中，CT 远大于 CD，则 Cj  CT 。

15 4.3　晶体二极管 　　二极管可以分为硅二极管和锗二极管，简称为硅管和锗管。 4.3.1　二极管的伏安特性一一 指数特性 IS 为反向饱和电流，q 为电子电量 (1.60  C) ；UT = kT/q，称为热电压，在室温 27℃ 即 300 K 时，UT = 26 mV。 一、二极管的导通，截止和击穿 　　当 uD > 0 且超过特定值 UD(on) 时，iD 变得明显，此时认为二极管导通，UD(on) 称为导通电压 (死区电压) ；uD < 0 时，二极管是截止的；当反向电压足够大时，PN 结击穿，二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。

16 二、二极管的管压降 三、二极管的电阻 直流电阻 交流电阻
二、二极管的管压降  　　当电源电压 E 变化时，负载线平移到新的位置，虽然 ID 有比较大的变化，UD 变化却不大，仍然近似等于 UD(on) ，所以也可以认为 UD(on) 是导通的二极管两端固定的管压降。 三、二极管的电阻 直流电阻 交流电阻

17 RD 和 rD 随工作点的位置变化而改变 4.3.2 温度对二极管伏安特性的影响 T 增大； 减小， 雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。
4.3.2　温度对二极管伏安特性的影响 T 增大； Is 增大，T增大10倍，Is增大一倍。 减小， 雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。

18 4.3.3　二极管的近似伏安特性和简化电路模型

19 【例 4. 3. 1】电路如图 (a) 所示，计算二极管中的电流 ID 。已知二极管的导通电压UD(on) = 0
【例 4.3.1】电路如图 (a) 所示，计算二极管中的电流 ID 。已知二极管的导通电压UD(on) = 0.6 V，交流电阻 rD 近似为零。 解：可以判断二极管处于导通状态，将相应的电路模型代入，得到图 (b) 。节点 A 的电压 UA = E - I1R1 = - I2R2 = - E + UD(on) = ，解得 I1 = 5.7 mA，I2 = 5.4 mA，于是 ID = I1 + I2 = 11.1 mA 。

20 4.3.4　稳压二极管 工作电流IZ可以在IZmin到IZmax的较大范围内调节，两端的反向电压成为稳定电压UZ。IZ应大于IZmin以保证较好的稳压效果。同时，外电路必须对IZ进行限制，防止其太大使管耗过大，甚至烧坏PN结，如果稳压二极管的最大功耗为PM，则IZ应小于IZmax = PM / UZ。

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22 ［例4.3.2］稳压二极管电路如图所示，稳定电压 UZ = 6 V。当限流电阻 R = 200  时，求工作电流 IZ 和输出电压 UO；当R = 11 k 时，再求 IZ 和 UO 。
解：当 R = 200  时，稳压二极管 DZ处于击穿状态 当 R = 11 k 时，DZ 处于截止状态，IZ = 0

23 4.3.5　二极管应用电路举例 一、整流电路 ［例4.3.3］分析图 (a) 所示的二极管整流电路的工作原理，其中二极管D的导通电压UD(on) = 0.7 V，交流电阻rD  0。输入电压ui的波形如图 (b) 所示。

24 解：当ui > 0. 7 V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0. 7；当ui < 0
解：当ui > 0.7 V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0.7；当ui < 0.7 V时，D处于截止状态，等效成开路，所以uo = 0。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图 (b) 所示，传输特性则如图 (c) 所示。电路实现的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on) 得到输出。

25 ［例4.3.4］分析图 (a) 所示的二极管桥式整流电路的工作原理，其中的二极管D1 ~ D4为理想二极管，输入电压ui的波形如图 (b) 所示。

26 解：当ui > 0时，D1和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而D3和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连，它们的负极通过D2相连，所以uo = ui；当ui < 0时，D1和D2上加的是反向电压，处于截止状态，而D3和D4上加的是正向电压，处于导通状态。uo的正极与ui的负极通过D4相连，D3则连接了uo的负极与ui的正极，所以uo = - ui。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图 (b) 所示，传输特性则如图 (c) 所示。电路实现的是全波整流。

27 ［例4.3.5］分析图示电路的输出电压uo的波形和传输特性。

28 解：当输入电压ui > 0时，二极管D1截止，D2导通，电路等效为图 (b) 所示的反相比例放大器，uo = - (R2 / R1)ui；当ui < 0时，D1导通，D2截止，等效电路如图 (c) 所示，此时uo = u- = u+ = 0。据此可以根据ui的波形画出uo的波形以及传输特性，如图 (d) 所示。

29 例4.3.5给出的是精密半波整流电路。为了实现精密全波整流，可以利用集成运放加法器，将半波整流的输出与原输入电压加权相加。如图所示，uo = - ui - 2uo1。当ui > 0时，uo1 = - ui，uo = ui；当ui < 0时，uo = - ui。 因此在任意时刻有uo = | ui |，所以该电路也称为绝对值电路。

30 二、限幅电路 ［例4.3.6］二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D的导通电压UD(on) = 0.7 V，交流电阻rD  0。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。

31 解：D处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为 E + UD(on) = 2. 7 V。当ui > 2
解：D处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.7 V。当ui > 2.7 V时，D导通，所以uo = 2.7 V；当ui < 2.7 V时，D截止，其支路等效为开路，uo = ui。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图 (c) 所示，该电路把ui超出2.7 V的部分削去后进行输出，是上限幅电路。

32 ［例4. 3. 7］二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0
［例4.3.7］二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0.3 V，交流电阻rD  0。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。

33 解：D1处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为 - E - UD(on) = - 2. 3 V。当ui < - 2
解：D1处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为 - E - UD(on) = V。当ui < V时，D1导通，uo = V；当ui > V时，D1截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D1实现了下限幅；D2处于临界状态时，其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.3 V。当ui > 2.3 V时，D2导通，uo = 2.3 V；当ui < 2.3 V时，D2截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图 (c) 所示，该电路把ui超出  2.3 V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。

34 　　限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围，以保护后级电路的安全工作。设二极管的导通电压UD(on) = 0.7 V，在图中，当 V < ui < 0.7 V时，二极管D1和D2都截止，电阻R1和R2中没有电流，集成运放的两个输入端之间的电压为ui；当ui > 0.7 V时，D1导通，D2截止，R1、D1和R2构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在UD(on) = 0.7 V；当ui < V时，D1截止，D2导通， R1、D2和R2 构成回路，对ui分压，集成运放输入端的电压被限制在 - UD(on) = V。该电路把ui限幅到 0.7 V到 V之间，保护集成运放。

35 图中，当 - 0. 7 V < ui < 5. 7 V时，二极管D1和D2都截止，ui直接输入A / D；当ui > 5
图中，当 V < ui < 5.7 V时，二极管D1和D2都截止，ui直接输入A / D；当ui > 5.7 V时，D1导通，D2截止，A / D的输入电压被限制在5.7 V；当ui < V时，D1截止，D2导通，A / D的输入电压被限制在 V。该电路对ui的限幅范围是 V到 5.7 V。

36 ［例4.3.8］稳压二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中稳压二极管DZ1和DZ2的稳定电压UZ = 5 V，导通电压UD(on) 近似为零。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。

37 解：当 | ui | < 1 V时，DZ1和DZ2都处于截止状态，其支路相当于开路，电路是电压放大倍数为 - 5的反相比例放大器，uo = - 5ui，uo最大变化到  5 V；当| ui | > 1 V时，DZ1和DZ2一个导通，另一个击穿，此时反馈电流主要流过稳压二极管支路，uo稳定在  5 V。由此得到图 (c) 所示的uo波形。

38 图示电路为单运放弛张振荡器。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压UCC或 - UEE，R3隔离输出的电源电压与稳压二极管DZ1和DZ2限幅后的电压。仍然认为DZ1和DZ2的稳定电压为UZ，而导通电压UD(on) 近似为零。经过限幅，输出电压uo可以是高电压UOH = UZ或低电压UOL = - UZ。

39 ［例4.3.9］图 (a) 给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图 (b) 所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。 三、电平选择电路

40 解：因为ui1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一个处于导通状态。不妨假设ui1 < ui2，则D1导通后，uo = ui1，结果D2上加的是反向电压，处于截止状态；反之，当ui1 > ui2时，D2导通，D1截止，uo = ui2；只有当ui1 = ui2时，D1和D2才同时导通，uo = ui1 = ui2。uo的波形如图 (b) 所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑1和逻辑0时，就实现了逻辑“与”运算。

41 四、峰值检波电路 ［例4.3.10］分析图示峰值检波电路的工作原理。 解：电路中集成运放A2起电压跟随器作用。当ui > uo时，uo1 > 0，二极管D导通，uo1对电容C充电，此时集成运放A1也成为跟随器，uo = uC  ui，即uo随着ui增大；当ui < uo时，uo1 < 0，D截止，C不放电，uo = uC保持不变，此时A1是电压比较器。波形如图 (b) 所示。电路中场效应管V用作复位开关，当复位信号uG到来时直接对C放电，重新进行峰值检波。

42 4.4　双极型晶体管 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。

43 4.4.1　晶体管的工作原理 一、发射区向基区注入电子  　 电子注入电流IEN， 空穴注入电流IEP  二、基区中自由电子边扩散 边复合  　 　基区复合电流IBN  三、集电区收集自由电子   收集电流ICN 反向饱和电流ICBO

44 　　晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系：

45 晶体管的放大能力参数 共发射极直流电流放大倍数： 共基极直流电流放大倍数： 换算关系：

46 晶体管的极电流关系 描述：  描述：

47 4.4.2　晶体管的伏安特性 放大区(发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数： 近似关系： 恒流输出和基调效应 饱和区(发射结正偏，集电结正偏 )  　 饱和压降 uCE(sat)   截止区(发射结反偏，集电结反偏 )  极电流绝对值很小 一、输出特性

48 二、输入特性 晶体管电流方程： 　　当uBE大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下uBE近似等于UBE(on) ，所以也可以认为UBE(on) 是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE < UBE(on) 时，晶体管进入截止状态。

49 4.4.3　晶体管的近似伏安特性和简化直流模型 I——放大区 II——饱和区 III——截止区 近似伏安特性 简化直流模型

50 4.4.4　直流偏置下晶体管的工作状态分析 　　实际应用需要使晶体管处于放大状态、饱和状态或截止状态，从而实现不同的功能。这是通过控制发射结和集电结的正偏与反偏来实现的。 　　确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤： 　　1．根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。如果发射结反偏或正偏电压不到 | UBE(on) | ，则晶体管处于截止状态，IB、IC和IE均为零，再由外电路计算极间电压UBE、UCE和UCB； 　　2．如果第1步判断发射结正偏电压达到 | UBE(on) | ，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断集电结是正偏还是反偏。如果集电结反偏，则晶体管处于放大状态，这时UBE = UBE(on) 。根据外电路和UBE(on) 计算IB，接下来IC = bIB，IE = IB + IC。再由这三个极电流和外电路计算UCE和UCB； 　　3．如果第2步判断集电结正偏，则晶体管处于饱和状态。这时 UBE = UBE(on) ，UCE = UCE(sat) ，UCB = UCE - UBE，再由这三个极间电压和外电路计算IB、IC和IE。

51 ［例4. 4. 1］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = 0
［例4.4.1］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = 0.6 V， = 50。当输入电压UI分别为0 V、3 V和5 V时，判断晶体管的工作状态，并计算输出电压UO。 解：晶体管三个极电流的正方向如图中所示。当UI = 0 V时，晶体管处于截止状态，IC = 0，UO = UCC - ICRC = 12 V；当UI = 3 V时，晶体管处于放大或饱和状态，假设晶体管处于放大状态，IB = [UI - UBE(on)] / RB = 40 A，IC = bIB = 2 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - UBE(on) = 3.4 V > 0，所以集电结反偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当UI = 5 V时，计算得到UCB = V < 0，所以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。

52 ［例4. 4. 2］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = - 0
［例4.4.2］晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = V， = 50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。 解：图中晶体管是PNP型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = V，得到IB = A < 0，所以晶体管处于放大或饱和状态。IC = bIB = mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = V < 0，所以集电结反偏，晶体管处于放大状态，IB = A，IC = mA，UCE = UCB + UBE(on) = V。

53 4.4.5　晶体管应用电路举例 一、对数和反对数运算电路 　　晶体管的电流方程 图中，UO = - UBE = - UTln(IC / IS)， 又IC = UI / R，所以 这样就实现了对数运算。

54 　　图中，输出电压UO = ICR = - ISR exp(- UBE / UT)，而输入电压UI = - UBE，因此
从而实现了UO和UI之间的反对数 (指数) 运算。 

55 二、 值测量电路 　　图示电路用以测量晶体管的共发射极电流放大倍数  。因为IC = (U1 - U2) / R1，IB = UO / R2，所以 据此可以根据电压表的读数UO，结合预设电压U1和U2以及电阻R1和R2计算 。

56 三、恒流源电路 　　如图所示，稳压二极管DZ的稳定电压UZ = 6 V。UZ通过集成运放A传递到电阻R2上端，于是有IO = IC  IE = UZ / R2 = 20 mA。

57 4.5　场效应管 4.5.1　结型场效应管

58 一、工作原理 UGS增大导电沟道变窄ID减小 饱和电流 IDSS 夹断电压UGS(off) 栅极电流 IG  0 输入阻抗很大

59 二、输出特性 恒流区(| uGS |  | UGS(off) |且| uDG | = | uDS - uGS | > | UGS(off) | ) uGS和iD为平方率关系。预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱。 可变电阻区(| uGS |  | UGS(off) |且 | uDG | < | UGS(off) |) uDS的变化明显改变iD的大小。 截止区(| uGS | > | UGS(off) |) iD = 0

60 三、转移特性 预夹断

61 4.5.2　绝缘栅场效应管 　　绝缘栅场效应管记为MOSFET，根据结构上是否存在原始导电沟道，MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。

62 UGS > UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID > 0 UGS控制ID的大小
一、工作原理 N沟道增强型MOSFET UGS = ID ＝ 0 UGS > UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID > 0 UGS控制ID的大小

63 N沟道耗尽型MOSFET 　　N沟道耗尽型MOSFET在UGS = 0时就存在ID = ID0。UGS的增大将增大ID。当UGS < 0时，且| UGS | 足够大时，导电沟道消失，ID = 0，此时的UGS为夹断电压UGS(off) 。 二、特性曲线 N沟道增强型MOSFET 预夹断

64 n为导电沟道中自由电子运动的迁移率； Cox为单位面积的栅极电容； W 和 L分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。

65 N沟道耗尽型MOSFET

66 4.5.3　各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比
电路符号 特性曲线

67 ［例4.5.1］判断图中场效应管的工作状态。 解：图 (a) 中是N沟道JFET，UGS = 0 > UGS(off) ，所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区，且ID = IDSS，UDG = UDS - UGS = UDS = UDD - IDRD = 6 (V) > - UGS(off) ，所以该场效应管工作在恒流区。图 (b) 中是P沟道增强型MOSFET，UGS = - 5 (V) < UGS(th) ，所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区，UDG = UDD - IDRD - UGS = 4 (V) > - UGS(th) ，所以该场效应管工作在可变电阻区。

68 4.5.5　场效应管应用电路举例 一、方波，锯齿波发生器 　　集成运放A1构成弛张振荡器，A2构成反相积分器。振荡器输出的方波uo1经过二极管D和电阻R5限幅后，得到uo2，控制JFET开关V的状态。当uo1为低电平时，V打开，电源电压E通过R6对电容C2充电，输出电压uo随时间线性上升；当uo1为高电平时，V闭合，C2通过V放电，uo瞬间减小到零。

69 二、取样保持电路 　　A1和A2都构成跟随器，起传递电压，隔离电流的作用。取样脉冲uS控制JFET开关V的状态。当取样脉冲到来时，V闭合。此时，如果uo1 > uC则电容C被充电，uC很快上升；如果uo1 < uC则C放电，uC迅速下降，这使得uC = uo1，而uo1 = ui，uo = uC ，所以uo = ui。当取样脉冲过去时，V打开，uC不变，则uo保持取样脉冲最后瞬间的ui值。

70 三、相敏检波电路 场效管截止 场效管导通 因此前级放大器称为符号电路。

71 　　集成运放A2构成低通滤波器，取出uo1的直流分量，即时间平均值uo。uG和ui同频时，uo取决于uG和ui的相位差，所以该电路称为相敏检波电路。

72 NPN晶体管 结型场效应管JEFT 增强型NMOSEFT 平方律关系 指数关系

73 场效应管和晶体管的主要区别包括： 　　晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。 　　晶体管中自由电子和空穴同时参与导电，主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力容易受外界因素如温度的影响。场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。 　　场效应管的源极和漏极结构对称，可以互换使用。晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体，但由于制作工艺不同，二者不能互换使用。