学号：14101601173
毕业设计（论文）
题目：AlGaN-GaN异质结场效应晶体管的I-V特性研究
作者彭坤届别2014
学院物理与电子学院专业电子科学与技术指导老师文于华职称讲师
完成时间2014.05
摘要
GaN基电子器件最重要的代表之一是AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，这是因为它具有高饱和电流、比较高的跨导和较高的截止频率与很高的击穿电压等独特的物理性质。该论文正是以AlGaN/GaN异质结的基本物理特性作为研究基础来研究AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管的I-V特性。在考虑到AlGaN/GaN异质结中的自发极化与压电极化效应的物理现象基础上，采用二维物理分析模型计算AlGaN/GaN HEMT 器件的I-V特性，得到了较满意的结果。
关键词：AlGaN/GaN;I-V特性;场效应晶体管,截止频率。
Abstract
One of the most important electronic device representative of the GaN-based AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor, because it has a high saturation currents and high transconductance and a high cutoff frequency of the high breakdown voltage, and other unique physical properties. The paper is the basic physical characteristics of AlGaN / GaN heterostructures as a research foundation to study the IV characteristics of AlGaN / GaN heterostructure field-effect transistor. Basic physical phenomena of spontaneous polarization and piezoelectric polarization effects, taking into account the AlGaN / GaN heterostructures on the analysis of two-dimensional physical model AlGaN / GaN HEMT device IV characteristics obtained satisfactory results.
Keywords: AlGaN / GaN; IV characteristics; field-effect transistor, the cutoff frequency.
目录
摘要 (2)
Abstract (3)
目录 (4)
第1章绪论 (5)
1.1 GaN材料的物理特性 (5)
1.2 GaN材料与电子器件的优势及意义 (6)
1.3 国内外对本材料的研究动态 (7)
第2章Al(Ga)N/GaN异质结构的基本物理原理 (8)
2.1 Al(Ga)N/GaN异质结构的形成 (8)
2.2 AlGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理 (8)
2.3 二维电子气的分布 (10)
第3章Al(Ga)N/GaN 场效应晶体管器件的电流-电压（I-V）特性模型 (11)
3.1 二维分析模型 (11)
第4章模拟结果图与数值分析 (14)
4.1二维模型数值分析结果 (14)
第5章结束语与未来工作展望 (15)
5.1 结束语 (15)
5.2 未来的工作展望 (15)
参考文献 (16)
致谢 (17)
第1章绪论
1.1 GaN材料的物理特性
GaN材料具有比较宽的直接带隙，高的热导性，化学性质很稳定，因为其有强的原子键，所以化学性质很稳定，因此很难被酸腐蚀，抗辐射能力也很强，所以它在高温大功率器件和高频微波器件研究应用方面领域有着极其广阔的发展潜力。下面具体说明GaN材料四种特性，这四种物理特性分别是物理特性，化学特性和电学特性及其光学特性。
（1）GaN材料物理特性
GaN是一种物理性质和化学性质都很稳定化合物，它坚硬又熔点高，而且还具有比较高的电离度，这在Ⅲ—Ⅴ族化合物中排第一。因为有其较高的硬度，所以是比较好的涂层保护材料。
（2）GaN化学特性
在室温下，GaN化学性质非常稳定，它在水、酸和碱中根本不会发生化学反应，但是在热的碱溶液会溶解，只是溶解速度十分较慢。质量相对较差的GaN能在H2SO4，H3PO4和NaOH液中受到腐蚀，所以该性质可作为对GaN晶体品质方面缺陷的品质检测。在高温的氢气或氯化氢气体作用下，GaN就会展现出不稳定的化学特性，但是和N2气比较中，GaN应该算最稳定之一的了。
（3）GaN电学特性
电学特性是影响GaN器件物理特性的最主要的方面。在没有掺杂时GaN基本都是呈N型，掺杂最好时，该样品的电子浓度约等于4.0×1016/cm3。一般情况下制备的P 型样品，基本都是高补偿的。GaN的最高迁移率结果在室温和液态氮温度下分别为μn=600.0cm2/v·s和μn= 1500.0cm2/v·s，该情况下其相对应的载流子浓度分别为n=8.0×1015/cm3和n=4.0×1016/cm3。而且，采取P型掺杂的方法与Mg的热退火处理方法，可以将掺杂的浓度掌握在1011～1020/cm3之间。
（4）GaN 光学特性
GaN 其光学方面的特性，意在发光与激光器件制作的运用。Tietjen 与Maruska 最早测量的GaN 直接隙的能量为3.38eV 。同时也有其他的研究人员研究了GaN 的温度和带隙之间的大致相互关系，初略的得出了一个带隙温度系数的公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k 。为GaN 的光学特性更好的应用在了科学领域。
1.2 GaN 材料与电子器件的优势及意义
第一代半导体材料Si 和第二代半导体材料GaAs 广泛地应用在功率和频率器件中，而宽禁带半导体GaN 、SiC 等材料，特别是GaN ，是高功率、高频率器件和高功率转换效率器件的理想材料。目前GaN 及其相关的材料（AlGaN ）已经应用在高频器件和照明器件中，在无线通信和LED 产业中占有重要的地位。而在功率器件中GaN 的作用也逐渐显露，耐高温高压和大电流是未来GaN 基功率器件的不变的目标。
GaN 器件主要有5大优势：电流密度大、耐压高、能在高温下工作、导通电阻小和开关速度快。这些优势是由于GaN 材料具有大禁带宽度、优越的电学电子特征和相对比较稳定的化学性质。GaN 材料与其他重要的半导体材料的特征参数对比如表1-1所示：
表 1-2 GaN 材料与其他半导体材料的重要参数对比[1][2][3]
材料
Si GaAs GaN 4H-SiC AlN 金刚石 InP (eV)g E
1.12
1.43
3.39
3.26
6.1
5.45
1.34
-3(cm )i n
1.5×1010
2.1×106 1.9×10-10 8.2×10-9 ~10-31 1.6×10-27
3.3×107 r ε
11.8 12.8 9.0 10.0 8.7 5.5 12.56 2(cm /Vs)n μ
1350 8000 900 700 1100 1900 5400 6(10V/cm)c E
0.3 0.4 3.3 3.0 11.7 5.6 0.45 7(10cm/s)sat v
1.0
2.0 2.5 2.0 1.8 2.7 2.0 (W/cmK)κΘ
1.5
0.5
1.3
4.5
2.5
20.0
0.67
其中，g E 为禁带宽度，i n 为本征载流子浓度；r ε为相对介电常数；n μ为电子迁移
率；
c E 为临界击穿电场；sat v 为饱和电子漂移速度；κΘ为热导率。
室温下GaN的禁带宽度达到3.4eV，是Si和GaAs的禁带宽度的3倍；GaN的临
界击穿电场是GaAs和Si的10倍左右。这使得GaN基器件能承受的电场强度高出Si
基和GaAs基器件5~6倍左右。高电场强度就代表其有很高的击穿电压，由此可知GaN
基器件通常情况下也会有很高的耐压性质。
在较低的电场环下，载流子的迁移率是电场强度关系曲线和漂移速度的斜率。而在
较高的电场作用下漂移速度比迁移率更重要，GaN具有很大的饱和漂移速度，而且当达
到这个饱和漂移速度需要的电场强度比GaAs所需的大了一个数量级。
GaN基材料非常易于制作异质结，AlGaN/GaN异质结结构中二维电子气的密度相
10cm 。氮化镓作为基材料在非光电子应用方面也有较大的对比较的高，一般可达到132
作用。以氮化镓作为基材料制作的电子器件材料是比较好的。其相比其他半导体材料具
有击穿电压高、较宽的禁带、相对高的电子饱和速度。但是在两种氮化物接触表面处一
般都会存在有比较高的二维电子气面密度。另外氮材料的键能比较强，热稳定性和化学
稳定性比较高，因此GaN具有较高的热导率。CaN形成很大的本征点缺陷，故而难以
产生二次缺陷，对于大功率的器件以及高温器件来说也是相当有利的。
1.3 国内外对本材料的研究动态
AlGaN／GaN异质结构材料体系，因为其在高温，高频，大功率等方面具有很优秀的物理性质，所以在这方面的应用很广泛，受到的关注也越来越多。该材料的研究已经成为了微电子研究领域的前沿和热点。GaN材料的研究与应用是研制微电子器件和光电子器件的新型半导体材料；因为具有宽的直接带隙，强的原子键，比较高的热导率，化学性质比较稳定，和抗辐照能力强。所以在光电子，高温大功率器件，高频微波器件等方面都具有良好的发展前景。GaN基器件应用一般分两大类：电子器件和光电子器件。电子器件:氮化镓基材料制作的异质结双极晶体管(HBT)和异质结场效应晶体管(HFET)。光电器件: 氮化镓基材料做的发光管(LED)、激光器(LD)以及光电探测器。GaN 基材料非常易于制作异质结，由于形成异质结的两种半导体单晶体材料的介电常数、禁带宽度、折射率、吸收率等物理参数有所不同，所以异质结表现出许多不同于同质结的性质。因此，利用异质结制作出的激光器、电子发光二极管、光电探测器、应变传感器等，比用同质结制作的同类元件要优越的多。
氮化镓基器件的发展在显示、照明、信息存储、光探测、航空航天以及军事装备等诸多方面已经并将继续引起很大的作用。特别是GaN材料的外延技术的生长，得以快速的发展激光器件和发射器方面取得优异的贡献。
第2章Al(Ga)N/GaN异质结构的基本物理原理
2.1 Al(Ga)N/GaN异质结构的形成
异质结：是由不同的两种半导体单晶体的材料组成的；根据相应的半导体晶体材料的导电类型的不同，异质结构大概可分为如下两类。
（1）反性异质结
反型异质结：它是由两种不同的导电类型相反的半导体单晶体材料组成的异质结。比如，P型Al与N型GaN所形成的结就称为反型异质结；并标记为p-nAl-GaN。如果异质结由N型Al与P型GaN形成，则记为（n）Al-（p）GaN。
（2）同型异质
同型异质结：它是由两种不同的导电类型相同的半导体单晶体材料组成的异质结。比如，当P型Ga与N型N组成的结就称为反型的异质结；并记为p-nGa-N。如果异质结由N型Ga与P型N形成，则记为（n）Ga-（p）N。
异质结因材料过渡时的原子距离；分为突变的型异质结与缓变的型异质结。当从一种半导体的材料向另外一种半导体材料过渡时；只存在在几个原子的距离及其范围内，这种称为突变的异质结。如果出现在几个扩散的长度区间内，那么称为缓变的异质结。
2.2 AlGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理
Psp Ppe AlxGa1-xN E
Psp GaN
图2-1 Ga面异质结极化图
如图2-1 所示，由于极化效应（PSP为自发极化，PPE为压电极化），在AlGaN 的上、下表面正、负电荷，正电荷与负电荷生成偶的极子，生成自下向上表面的的电场。极化的电荷产生了电场，故在AlGaN 层内属常数。上面和下面极化的电荷不是2DEG 的电荷，2DEG的生成要别的因数。
用两种情况分析：
(1) 理想的表面
没有表面态的表面，则称作理想的表面。随着AlGaN 层的生长，表面的电势能慢慢递增，因为费米能级位于GaN 导带下面，未产成2DEG 。随厚度处于临界厚度时，费米能级与AlGaN 价带底相平，此时在AlGaN 上表面随着空穴的堆积产成二维空穴气( 2DHG)，这样2DEG 出现在异质结的交界面。由于2DHG 的存在，当AlGaN 的厚度继续在递增时,正是这层正的表面电荷的存在，阻止表面电势的再次的递增，在一定范围内2DEG 浓度与厚度成正递增。
(2) 存在的表面态
此情况的2DEG 产生与理想表面的相似；随着AlGaN 层的生长费米能级在厚度达到临界后也升到表面态深能级位置；随着表面态电离开始，2DEG 在异质结的交界面处出现。AlGaN 层厚度继续递增，费米能级由于表面态的作用被钳制在表面态能级的位置，表面态再次电离，2DEG 浓度递增。然而非理想的表面，表面态形成类施主，出现正电荷。此电离的类施主是与2DEG 同时出现，且存在同时。
a 、压电极化的计算
???
? ??-?--=)()()()()
()
()0(2)1(
3313333100x C x C x e x e x a x a a R P PE （2-1）
其中R 为AlGaN 层应变弛豫度, a 和a0 分别为GaN 和Al x Ga 1- x N 的晶格常数, e 31 和e 33 , C 13和C 33分别为AlGaN 材料的压电常数和弹性常数。当张应变时，压电极化为负；压应变时，压电极化为正。
b 、自发极化
三种氮化物的自发极化数值表
材料 AlN InN GaN Psp （C/m2） -0.081 -0.032 -0.029 晶格常数a/nm
0.3112
0.5705
0.5185
c 、界面固定极化电荷的计算
)()()()(1G a N
P G a N P N Ga Al P x SP SP x x PE -+=-σ （2-2）
)0()()()()()()()()0(2
)(33133331SP SP P x P x C x C x e x e x a x a a x -+?
??
???--=σ （2-3）
d 、二维电子气面密度的计算
[])()()()()
()(20x E x E x e e d x e
x x n c F b AlGaN s ?-+???
?
??-=
φεεσ （2-4） ε(x)为Al x Ga 1- x N 的相对介电常数，D AlGaN 为Al x Ga 1- x N 的厚度，eФb 为肖特基势垒高度，E F （x ）为相对于GaN 导带底能量的费米能级，ΔEc 为异质结两种材料的导带不连续量。
2.3 二维电子气的分布
由于AlGaN/GaN 异质结构中存在自发极化和压电极化效应及由其在表面和界面处产生的束缚面电荷，在表面邻近还有电荷吸附层，是一个较为复杂的系统，因此在计算其能带和二维电子气的分布，需要编制相应的软件用数值方法计算。以下给出薛舫时关于GaN 异质结的二维表面态中的计算结果[5]。计算所取的AlGaN/GaN 应变异质结构有Al 组成为0.3，厚度为30nm 的AlGaN/GaN 和较厚的GaN 层组成，表面吸附正电荷层厚度为2nm 。从图2.2可看到在图中对应AlGaN/GaN 区的左边确实有一高度约1eV 的势垒存在，且二维电子气被局限在厚度为几个纳米三角势阱中，如图2.2所示。
Metal Gate
AlGaN
GaN
2DEG
Ec
Ef
图2.2 热平衡状态下的AIGaN —GaN HFET 能带图
))
,()(),()(,(),(dx
x m dn q T K dx x dV x m n m x Wq x m I s B c s ds +=μ
第3章Al(Ga)N/GaN 场效应晶体管器件的电流-电压（I-V ）特性模型
3.1 二维分析模型
众所周知, 器件的物理模型对理解器件的特性和进行器件设计十分重要, 器件模拟可以是一维的或二维的. 我们选用准二维的方法, 对A1GaN/GaN 材料HEMT 器件的I-V 特性进行模拟，这种方法的优点是计算量小, 物理意义直观; 缺点是模型简单, 只考虑了漂移作用, 忽略了扩散作用. 但仍然可以定性的说明HEMT 器件的工作原理, 下图就是该二维模型的图
HEMT 沟道中x 位置电流密度表示为（1）
迁移率表示为（2）
沟道载流子浓度表示为（3）
电势边界条件为（4）
)
/)()(/))(((1)
(),(00dx x dV v E v E m m m x c sat c sat c -+=μμμ))
(()
()
(),(x V V V d d d q m x m n c th gs i d s --?++=ε)
)(,()(0d s ds ds x c R R x m I V x V +-==s
ds x c R x m I x V ),()(0=
=
对常量参数做如下定义
（5）
（6）
（7） 将方程（2）、（3）代入（1）化简得
（8）
方程（8）整理得
（9） 利用式（4）的边界条件对式（9）进行积分，以及沟道中电流 处处相等（Ids ）得
（10）
整理成关于Ids 的一元二次方程的形式 （11）
（12）
（13）
（14）
故电流Ids 由下式获得
（15）
饱和电压Vdsat 的计算
(16) sat c sat c v E v E m E /))((1
01
-=μq
T K V V V B th gs gs -
-='
)
()()(00d d d m m w G i d ?++=εμdx x dV x V V dx
x dV E G x I c
c gs c ds )())(()(111
)('10-+
=)())/()(()(1'00x dV E I V G x V G dx x I c ds gs c ds -+-=))0()())(/((2
)
))0(())((()0(1'0220c c ds gs c c ds V L V E I V G V L V G L I --+--
=-0
322
1=++λλλds ds I I )2)((2
220
11d s d d S R R R G E R R +-+=
λ)))2()(((1
'
02E V L R R V R R V G ds
d S gs d s ds --+-+=λ)
2
)((2'
03ds ds gs V V V G -=λ1
3
122224)(λλλλλ-+-=ds I c
dsat gs i d c
dsat E V V d d d E G I )()
('0
-?++=
讨论：根据电流表达式（8），假设电场达到饱和电场时电流开始饱和，有
按照文中给出的饱和电流代入（11）式中计算饱和电压，同样有(17) 线性区（linear region ）与饱和区（saturation region ）分界点位置为：x=L1横向电场
为:dV/dx=E0 电流为：Ids=Ic 横向电压为
根据（9）式可得（21）
故（22）
所以横向电压表示为（23）
根据（9）式x 在0-L1之间积分得
（24） 电势边界条件为 求解L1得（25） 另外，可获得饱和区域长度L2
（26）
dx x dV x V V dx
x dV E G x I c
c gs c ds )())(()(111
)('10
-+
=sat
dsat gs sat
ds E V V E E G x I )(111
)('1
-+=1
3
122224)(βββββ-+-=
dsat V 1
1
)(L L x c V x V ==))
/()(()
()(1'00E I V G x V G x I dx
x dV ds gs c ds c -+-=))
/()(1'001E I V V G I E c gs L c
-+-=
c
gs c gs L I V I G E G E V V ρ-=+-='0
100')1
1(1))
0())(/((2
)
))0(()(()0(111'02201c L ds gs c L ds V V E I V G V V G L I --+--=-s
ds x c R I x V ==0)()2)()((2)
)()(1('222
'0'1
'01gs ds s ds
gs ds s gs ds gs V I R I V G I R V E I V G L ρρρ-++=+--=L
L L =+21
第4章模拟结果图与数值分析
4.1二维模型数值分析结果
由第三章的二维分析模型，结合Excel的分析得到数据模拟图
可以看出随着电压的的不断增加，电流就趋于饱和，上图给出了，G V=1.5，-0.5，-2.5，-4.5v数据图。下图给出了当G V=1.5时的模拟出来的图和实验实际得到的图的差距
第5章结束语与未来工作展望
5.1 结束语
通过查阅大量的课题相关文献和资料对Al(Ga)N/GaN异质结构材料的物理特性模拟，认识到AlGaN／GaN异质结材料及器件的基本特性；Al(Ga)N/GaN异质结构的形成；以及Al(Ga)N/GaN异质结构的基本物理原理，包括AlGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理，二维电子气的分布，然后通过对Al(Ga)N/GaN 材料HEMT 器件优化分析，用准二维方法模拟I-V 特性。在整个论文期间，我也学会了自己怎么更好的去查阅自己想要得到的资料，这个对于我以后的工作与学习都会有很大的益处，同时也意识到GaN 材料在当今及今后一段时间内是一种重要的新型半导体材料，其良好的化学和物理特性远胜于第一、第二代半导体材料，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温器件和大功率微波器件方面都存在极其好的开拓创新潜力，我相信它们会成为微电子器件和光电子器件研究领域的前沿和热点。
5.2 未来的工作展望
研究Al(Ga)N/GaN异质结各种相关特性后，熟悉了其材料构成的HEMT在高温器件与大功率微波器件方面的应用以及取得的发展。但随着微电子器件的发展，注意到另外一方面光电子器件研究领域。由于AlGaN和GaN的宽禁带直接带隙半导体，其宽度从窄带到宽带的很大范围变化，作为激光器件材料可覆盖近紫外到整个可见光区，很适合制作短波长发光器件与激光器件。而且随着当今晶体外延生长技术越来越成熟，为器件生产提供了更好的支持，能制作出发光效率高，输出功率大的发光管。因此，相信今后Al(Ga)N/GaN异质结在光电子研究领域有着更好的应用空间。
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致谢
在湖南理工学院的四年的学习生涯中，使我实现了对知识的追求和对人生的定位。感谢湖南理工学院提供给我良好的学习环境和生活氛围。能够在湖南理工完成自己本科四年的学习生涯，我深感荣幸。能够及时而且符合要求完成这篇毕业论文，最感谢的是文于华老师。老师学识广博、深厚的学术造诣使我十分敬仰。除此之外，还有老师严谨负责的教学态度，一丝不苟、对学生负责任的作风，待人也十分诚恳，都是我学习的榜样。在此向老师您致以万分的感谢和衷心的敬意。
还要感谢在我求学期间提供帮助的室友。感谢他们在学习上给我提供的帮助，同时在生活上也给了我一个安逸舒适的环境，还有在他们身上我也学习到很多做人做事的道理。和这样一些室友好友能够在一个班共同学习四年，我感到无比自豪。
最后要感谢的是我的家人，正是由于他们为我提供金钱的基础，才会使得我可以安心的完成我的本科四年，如今毕业之际，我也找到了一份不错的工作，我相信，我会通过自己在大学学到的很多东西，让我在社会上的路走的更远，走的更充实。
场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。 工作原理场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的漏极电流，用以栅极与沟道间的pn结形成的反偏的栅极电压控制漏极电流ID”。更正确地说，漏极电流ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流漏极电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，漏极电流ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。 在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。 分类场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。 按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。 场效应管与双极性晶体管的比较，场效应管具有如下特点。 1. 场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏 极电流）；而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，在信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。 2. 场效应管是多子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少子的浓度对温度、 辐射等外界条件很敏感，因此，它的温度稳定性较好；对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。 3. 场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS 管的栅——源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。 4 . 场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用 特点与双极型晶体管相比，（1）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。 （2）场效应管的抗辐射能力强； （3）由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
晶体管的特性曲线 晶体管特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： (1) 直观地分析管子的工作状态 (2) 合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 1.测量晶体管特性的实验线路 图1 共发射极电路 共发射极电路：发射极是输入回路、输出回路的公共端。如图1所示。 2．输入特性曲线 输入特性曲线是指当集-射极电压U CE为常数时，输入电路( 基极电路)中基极电流I B与基-射极电压U BE之间的关系曲线I B = f (U BE)，如图2所示。 图2 3DG100晶体管的输入特性曲线 U CE=0V时，B、E间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。 U CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到
集电极，只有小部分与空穴复合形成I B。U CE>1V以后，I C增加很少，因此I B 的变化量也很少，可以忽略U CE对I B的影响，即输入特性曲线都重合。 由输入特性曲线可知，和二极管的伏安特性一样，晶体管的输入特性也有一段死区。只有在发射结外接电压大于死区电压时，晶体管才会导通，有电流I B。 晶体管死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。晶体管正常工作时发射结电压：NPN型硅管U BE0.6 ~ 0.7) V PNP型锗管U BE0.2 ~ 0.3) V 3．输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流I B为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流I C与集-射极电压U CE之间的关系曲线I C = f (U CE)，如图3所示。 变化曲线，所以晶体管的输出特性曲在不同的I B下，可得出不同的I C随U CE 线是一族曲线。下面结合图4共发射极电路来进行分析。 图3 3DG100晶体管的输出特性曲线图4 共发射极电路 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区I C=βI B，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 对NPN 型管而言, 应使U BE> 0, U BC< 0，此时，U CE> U BE。 (2) 截止区I B = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 I B = 0 时, I C = I CEO(很小)。(I CEO<0.001mA)。对NPN型硅管，当U BE<0.5V 时, 即已开始截止, 为使晶体管可靠截止, 常使U BE≤0。截止时, 集电结也处于反向偏置(U BC≤ 0),此时, I C≈0, U CE≈U CC。 (3) 饱和区当U CE< U BE时，集电结处于正向偏置(U BC> 0)，晶体管工作于饱和状态。
根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件 -------------------------------------------------------------- 1.概念: 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件. 特点: 具有输入电阻高（100000000～1000000000Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者. 作用: 场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器. 场效应管可以用作电子开关. 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源. 2.场效应管的分类:
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类 按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种. 按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.见下图: 3.场效应管的主要参数: Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流. Up —夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压. Ut —开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压. gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数. BVDS —漏源击穿电压.是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS. PDSM —最大耗散功率,也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量. IDSM —最大漏源电流.是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSM Cds---漏-源电容 Cdu---漏-衬底电容 Cgd---栅-源电容 Cgs---漏-源电容 Ciss---栅短路共源输入电容 Coss---栅短路共源输出电容 Crss---栅短路共源反向传输电容 D---占空比（占空系数，外电路参数） di/dt---电流上升率（外电路参数） dv/dt---电压上升率（外电路参数） ID---漏极电流（直流） IDM---漏极脉冲电流 ID(on)---通态漏极电流 IDQ---静态漏极电流（射频功率管）
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
实验报告 课程名称：___模拟电子技术基础实验_____实验名称：____半导体器件特性仿真____实验类型：__EDA___ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、 实验目的和要求 1、了解PSPICE 软件常用菜单和命令的使用。 2、掌握PSPICE 电路图的输入和编辑。 3、学习PSPICE 分析设置、仿真、波形查看等方法。 4、学习半导体器件特性的仿真分析方法。 二、 实验内容和原理 1、二极管伏安特性测试电路如图3.1.1所示，输入该电路图，设置合适的分析方式及参数，用PSpice 程序仿真分析二极管的伏安特性。 2、在直流分析中设置对温度的内嵌分析，仿真分析二极管在不同温度下的伏安特性。 3、将电源Vs 用VSIN 元件代替，并设置合适的元件参数，仿真分析二极管两端的输出波形。 4、三极管特性测试电路如图3.1.2所示，用PSpice 程序仿真分析三极管的输出特性，并估算电压放大倍数。 图3.1.1 二极管特性测试电路 图3.1.2 三极管特性测试电路 三、 主要仪器设备 装有PSpice 程序的PC 机 四、 操作方法和实验步骤 1、二极管特性的仿真分析
受温度影响。用PSpice仿真时，从元件库中选出相应元件，连线，设置分析参数。二极管特性测试电路的直流扫描分析参数可设置为：扫描变量类型为电压源，扫描变量为Vs，扫描类型为线性扫描，初始值为-200V，终值为40V，增量为0.1V。为了仿真分析二极管在不同温度下的伏安特性，还需设置直流扫描的内嵌分析（Nested Sweep）,内嵌分析参数可设置为：扫描变量类型为温度，扫描类型为列表扫描，扫描值为-10(℃)，0(℃)，30(℃)。在Probe程序中可查看到二极管的伏安特性曲线，其横坐标应为二极管两端电压V（2）。为了分析温度对二极管伏安特性的影响，可以改变X坐标轴和Y坐标轴的范围，得到二极管在不同温度下的正向伏安特性曲线。 2、三极管特性的仿真分析 三极管的共射输出特性曲线是在一定的基极电流下，三极管的集电极电流与集电极发射极电压之间的关系。用PSpice仿真时，从元件库中选出相应元件，连线，设置分析参数。直流扫描分析参数可设置为：扫描变量类型为电压源，扫描变量为VCC，扫描类型为线性扫描，初始值为0V，终值为50V，增量为0.1V。设置直流扫描的内嵌分析（Nested Sweep）,内嵌分析参数可设置为：扫描变量类型为电流源，扫描类型为IB，扫描类型为线性扫描，初始值为0，终值为100μA，增量为10μA。在Probe程序中可查看到三极管集电极电流IC（Q1）的曲线，需将X轴变量设置为三极管集电极与发射极之间的电压V（Q1：c），并选择合适的坐标范围 ，可得到三极管的输出特性曲线。 五、实验数据记录和处理 1、二极管特性的仿真分析
晶体管静态特性曲线分析 一、仿真目的 以三极管2N2222为例，运用Multisim对三极管的输入输出特性进行分析。 1）参照图一构建用于分析晶体管特性特性曲线的仿真电路。 2）参照图二，以Uce为参变量，通过仿真分析画出输入特性曲线Ube—I b.。3）参照图三，以ib为参变量，通过仿真分析画出输出特性曲线Uce—Ic 二、仿真要求 1）设计出用于分析NPN型晶体管输入输出特性的电路； 2）按要求选择合适的软件工具画出输入输出特性曲线，并对仿真进行总结分析，即：运用Multisim完成性能仿真,再选用自己熟悉的画图工具完成曲线绘制。 探索用Multisim仿真软件中的参数扫描功能，直接获取晶体三极管的特性曲线的方法。若能成功，,这应该是最直接最准确的好方法。 三、仿真电路图 四、仿真过程 静态工作点的设定
由图可知，晶体管处于放大状态，基本符合实验要求。 输入特性曲线： 将c极滑动变阻器调为0时，Uce近似与导线并联，约等于0，此时改变基极滑动变阻器可得到不同的Ube与Ib的值。 如图，令Uce=0V，1V，10V（0V操作简单，忘保存图了） 得到的Ube与Ib的值以及关系曲线分别为：
分析： 输入特性曲线描述了在关押将Uce一定的情况下，基极电流Ib与发射结压降Ube之间的函数关系。Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上时两个二极管并联的正向特性曲线。Uce>1时，Ucb=Uce-Ube>0，集电结进入反偏状态，开始Uce>1V 收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一点，Ic/Ib增大，但Uce再增加时，曲线右移很不明显。 输出特性曲线： 将基极限流电阻调至很大（例如1M欧）时，基极电流Ib很小，近似约等于0。 令Ib分别=0uA,20uA,40uA,10mA：
实验二晶体三极管放大电路特性分析和研究 一、实验目的： 1．熟悉仿真软件Multisim的使用，掌握基于软件的电路设计和仿真分析方法； 2．熟悉仿真软件Multisim的直流工作点分析、交流分析、温度扫描和参数扫描分析方法；3．熟悉便携式虚拟仿真实验平台，掌握基本功能的使用方法； 4．通过软件仿真，了解晶体三极管输入特性和输出特性； 5．通过软件仿真和硬件实验验证，观测晶体三极管放大电路输出波形与静态工作点的关系，理解静态工作点在晶体管放大电路中的作用，加深对截止失真和饱和失真的认识； 6、通过软件仿真和硬件实验验证，掌握晶体三极管静态工作点分析和设计方法； 7、信号源内阻对放大器性能的影响。 8、掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性的测试方法。 9、熟悉常用电子仪器的使用。 二、实验预习： 复习有关单级放大电路的内容，熟悉基本原理、性能参数及各元件作用。根据图2.1所示的电路，双极型晶体管2N3904的β≈120，V BE(on)=0.7V。计算Q1的各极直流电流、直流电压和该单级放大器的电压增益A v。设电位器调整到25%。填入表2.1计算栏。 图2.1 晶体三极管静态工作点分析电路 表2.1 晶体三极管2N3904静态工作点(R=20K?) 便携式虚拟仿真实验平台（PocketLab、元器件）、+5V直流稳压电源、数字万用表、信号发生器DF1642C、交流毫伏表DF2710B、双踪数字示波器CS-4125A。
四、实验内容： （一）仿真实验 1．根据图2.2（a）所示电路，在Multisim中进行仿真分析，得到晶体管的输出伏安特性。 图2.2 二极管伏安特性实验电路 (a) IV分析仪与三极管的连接；(b) 用IV分析仪测得的三极管输出伏安特性曲线 仿真任务：二极管选取型号2N3904，用IV分析仪对晶体管的伏安特性进行测量。 仿真设置：根据图2.2（b）所示，点击Sim_Param设置电压扫描范围和电流范围，三极管V_ce 两端电压范围为0~6V，步进50 mV，I_b电流范围为10μA~10 μA，共10步，如图2.3所示。然后运行Run，可得图2.2（b）。点击鼠标右键，弹出菜单，选择select trace ID，弹出如图2.4所示下拉菜单，选择所要的I_b，然后移动测量线，便可读出V_ce值和I_c值，填入表2.2中。根据测得值计算电流放大倍数，填入表中。 图2.3 模拟参数设置 图2.4 select trace ID界面 表2.2 不同基极电流下的集电极电流和放大倍数
晶体管的输入输出特性曲线详解 届别 系别 专业 班级 姓名 指导老师 二零一二年十月
晶体管的输入输出特性曲线详解 学生姓名：指导老师： 摘要：晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。 根据晶体管的结构进行分类，晶体管可以分为：NPN型晶体管和PNP 型晶体管。依据晶体管两个PN结的偏置情况，晶体管的工作状态有放大、饱和、截止和倒置四种。晶体管的性能可以有三个电极之间的电压和电流关系来反映，通常称为伏安特性。 生产厂家还给出了各种管子型号的参数也能表示晶体管的性能。利用晶体管制成的放大电路的可以是把微弱的信号放大到负载所需的数值 晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。由于其响应速度快，准确性，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。
关键字：晶体管、输入输出曲线、放大电路的静态分析和动态分析。 【Keywords】The transistor, the input/output curve, amplifying circuit static analysis and dynamic analysis. 一、晶体管的基本结构 晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图 1-1(a)、(b)所示。从三个区引出相应的电极，发射极，基极，集电极，各用“E”（或“e”）、“B”(或“b”)、“C”(或“c”)表示。 发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里;NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。当前国内生产的锗管多为PNP型(3A 系列)，硅管多为NPN型(3D系列)。
Qb be I V 曲线 V(Q1:b) - V(Q1:e)0V 100mV 200mV 300mV 400mV 500mV 600mV 700mV IB(Q1) 0A 10uA 20uA 30uA 二次扫描 V(Q1:b) - V(Q1:e)0V 100mV 200mV 300mV 400mV 500mV 600mV 700mV IB(Q1) 0A 10uA 20uA 30uA 输出特性曲线 VC(Q1) - VE(Q1)0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V IC(Q1) -5mA 0A 5mA 10mA
实验二：基本共射放大电路的仿真实验分析 VOFF = 0 FREQ = 1k 静态工作点 **** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS NAME Q_Q1 MODEL Q2N2222 IB 1.92E-05 IC 1.59E-03 VBE 6.57E-01 VBC -3.36E+00 VCE 4.02E+00 BETADC 8.27E+01 GM 6.11E-02 RPI 1.42E+03 RX 1.00E+01 RO 4.87E+04 CBE 6.18E-11 CBC 4.09E-12 CJS 0.00E+00 BETAAC 8.64E+01 CBX/CBX2 0.00E+00 FT/FT2 1.48E+08 JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME .02 瞬态仿真
Time 0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms V(VIN) V(VOUT) -2.0V 0V 2.0V V(VIN) -10mV 0V SEL>> 交流频域分析 ① 幅频特性 Frequency 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz db(V(VOUT)/V(VIN)) 2030 40 50 (12.560M,38.239) (95.061,38.223) (885.116,41.274) (1.3490M,41.274) 点1（855.116,41.274） 点2（1.3490M,41.274） 上限截止频率:95.601 下限截止频率:12.560M △f = f H — .f L= ②相频特性 Frequency 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz P(V(VOUT)) - P(V(VIN)) -300d -200d -100d -0d (883.080,-173.727) (1.3366M,-186.369) 输入阻抗
目录 一、三极管特性曲线分析 (1) 1.1三极管结构 (1) 1.2 三极管输入特性曲线 (2) 1.3 三极管输出特性曲线 (2) 二、三极管应用举例 (3) 2.1 三极管在放大状态下的应用 (3) 2.2 三极管在开关状态下的应用 (3) 三、线性电路和非线性电路 (4) 3.1线性电路理论 (4) 3.2 非线性电路理论 (5) 3.3 线性电路的分析应用举例 (6) 3.4 非线性电路的分析应用举例 (7) 四、数字电路和模拟电路 (8) 4.1 数字电路 (8) 4.2 模拟电路 (8) 4.3数字电路和模拟电路区别与联系 (9) 五、总结与体会 (9) 六、参考文献 (10)
三极管输入输出曲线分析 ——谈线性电路与非线性电路 摘要：三极管是电路分析中非常重要的一个元器件。本文主要分析了三极管输入输出特性曲线，介绍了线性电路和非线性电路的理论在分析工具的不同之处。同时，线性电路和非线性电路在分析电路时各有着不同的用处。最后，介绍了数字电路及模拟电路区别与联系。 关键词：三极管；数字电子技术；模拟电子技术 一、三极管特性曲线分析 1.1三极管结构 双极结型三极管是由两个PN结背靠背构成。三极管按结构不同一般可分为PNP和NPN 两种。 图1-1 三极管示意图及符号 PNP型三极管和NPN型三极管具有几乎等同的电流放大特性，以下讨论主要介绍NPN 型三极管工作原理。NPN型三极管其两边各位一块N型半导体，中间为一块很薄的P型半导体。这三个区域分别为发射区、集电区和基区，从三极管的三个区各引出一个电极，相应的称为发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区的掺杂浓度比集电区的掺杂浓度要高得多。另外在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的面积要大。由此可见，发射区和集电区是不对称的。 双极型三极管有三个电极：发射极（E）、集电极（C）、基极（B），其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样就有一个电极是公共电极。三种接法就有三种组态：共发射极接法（CE）、共基极接法（CC）、共集电极接法（CB）。这里只以共射接法为例分析其输入
MOS管开关 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 3，MOS开关管损失
题目：晶体管的特性研究一、目的：（1）了解晶体管的特性 （2）研究晶体管对直流量、交流量表现的不同特点。 二、仿真电路： 由理论可知，当UBE 图2 五、结论： 由图2可知，V2由12V逐渐降低，在12V是电路是在截止状态；当V2下降时V4上升，这阶段处于放大状态；当V2=V4时，电路处于放大状态向饱和状态转变，当以后V2>V4时电路处于饱和状态。和理论的完全相同，可以看出上图反应的和理论的完全相同， 组员姓名：杨晓丽、乔瑞萍、康云云。 完成时间：2011、06、02 题目：晶体管Q点的特性研究 一、实验目的： （1）了解晶体管Q点的的特性 二、仿真电路： 采用场效管型号为2N7000、全部元件匀采用虚拟元件。 (1) 由下图中可以看出各元件的参数值如下图1所示 图1 三：仿真内容 （1）：确定一组电路参数使电路的Q点合适。 （2）:如何消除输出电压波形截止失真或饱和失真。 （3）:如何提高电路的电压放大能力。 四：仿真分析： （1）由上图1可知A通道是测出输出电压，B通道测的是输入信号的电压值，由下图2可以抽出电压放大了 实验题目：晶体管输出特性曲线测试电路的设计 姓名：林霁澜 学号：2014011144 日期：2015.11.24&2015.12.1 一、实验目的 (1)了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理与方法。 (2)熟悉脉冲波形的产生和波形变换的原理和方法。 (3)熟悉各单元电路的设计方法。 (4)了解进行小型电子系统设计的一般思路和过程。 二、实验电路图及其说明 晶体管共发射极输出特性曲线： 晶体管共发射极输出特性曲线如图所示。它以基极电流i B为参考变量，集电极电流i C与集电极和发射极之间的电压v CE的关系曲线。因此，输出特性曲线既反映了基极电流i B对集电极电流i C的控制作用，同时也反映出集电极和发射极之间的电压v CE对集电极电流i C的影响。 实验参考电路框图： 如图：矩形波振荡电路产生矩形波脉冲输出电压v o1。该电压一方面经过锯齿波形成电路变换成锯齿波v o2，作为晶体管集电极的扫描电压；另一方面经过阶梯波形成电路及电压电流转换电路变换成阶梯电流，通过隔离电阻送至晶体管的基极，作为基极驱动电流。电阻R C将集电极电流i C取样，经电压变换电路转换成与电流i C成正比的对地电压v o3，加至示波器Y输入端，将晶体管的v CE加至示波器的X输入端，则示波器屏幕上会显示出晶体管的输出特性曲线。 为了测量并且在示波器上显示晶体管输出特性曲线： 1、将集电极电流i C转换为电压信号后加至示波器的Y轴输入端，集电极与发射极之间的电压v CE应为扫 描信号(锯齿波)，加至X轴输入端，示波器工作在XY模式。 2、要显示基极电流i B为不同值时的一簇曲线，则i B应为逐级增加的阶梯电流。 3、为了使显示稳定，必须保证v CE与i B严格同步，即对应i B波形的每一级台阶，示波器X轴都要完成一 次扫描，因此有n级阶梯电流，就会显示n条输出特性曲线。 4、为了使波形不闪烁，还需满足每一簇完整的输出特性曲线显示频率不低于50Hz。 （1）矩形波振荡电路 设计参考要求：频率在1kHz以上，占空比小于10%（在输出幅度50%处测量），矩形波电压幅度为V pp≈20V（由运放产生）或V pp≈5V（由555产生）。记录矩形波频率和占空比。 注意事项：若采用运放产生矩形波，设计时电阻阻值最好不低于10kΩ。 （2）锯齿波形成电路 场效应管的特性 场效应管的特性 图1.1 结场效管漏极输出曲线 下面以N沟道.结型场效应管为例说明场效应管的特性. 图1.1为场效应管的漏极特性曲线。输出特性曲线分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。 （1）可变电阻区：图中VDS很小，曲线靠近左边。它表示管子预夹断前电压.电流关系是：当VDS较小时，由于VDS的变化对沟道大小影响不大，沟道电阻基本为一常数，ID基本随VGS作线性变化。当VGS恒定时，沟道导通电阻近似为一常数，从此意义上说，该区域为恒定电阻区，当VGS变化时，沟道导通电阻的值将随VGS变化而变化，因此该区域又可称为可变电阻区。利用这一特点，可用场效应管作为可变电阻器。 （2）恒流区:图中VDS较大,曲线近似水平的部分是恒流区,它表示管子预夹断后电压.电流的关系,即图1.1两条虚线之间即为恒流区(或称为饱和区)该区的特点是ID的大小受VGS可控, 当VDS改变时ID几乎不变，场效应管作为放大器使用时，一般工作在此区域内。 （3）击穿区：当VDS增加到某一临界值时，ID开始迅速增大, 曲线上翘, 场效应管不能正常工作,甚至烧毁，场效应管工作时要避免进入此区间. （4）场效应管特性曲线的测试 场效应管的特性曲线可以用晶体管图示仪测试，也可以用逐点测量法测试。图1.2是用逐点测量法测试场效应管特性曲线的原理图。场效应管的转移特性曲线是当漏源间电压VDS保持不变，栅源间电压VGS与漏极电流ID的关系曲线，如图1.3所示： 在上图中，先调节VDD使VDS固定在某个数值上，当栅源电压VGS 取不同的电压值时（调节RW），ID也将随之改变，利用测得的数据，便可在VGS～ID直角坐标系上画出如图3.2.3的转移特性曲线。当VDS取不同的数值，便可得到另一条特性曲线。ID=0时的VGS值为场效应管的夹断电压VP,VGS=0时的ID值为场效应管的饱和漏极电流IDSS。 实验2 晶体管放大电路 一、实验目的 1.掌握如何调整放大电路的直流工作的。 2.清楚放大电路主要性能指标的测量方法。 二、实验仪器 1.双踪示波器 1台 2.函数发生器 1台 3.交流毫伏表 1台 4.直流稳压电源 1台 三、实验原理和内容 1.放大电路的调整 按照图1安装电路，输入频率为1kHz、峰值为5m V（由示波器测量）的正 弦信号vi,观察并画出输出波形；测量静态集电极电流I CQ 和集-射电压V CEQ 。用 你的测量数据解释你看到现象。 问题1：如何调整元件参数才能使输出不失真？如果要保证ICQ约为 2.5mA，具体的元件参数值是多少？ 图1 图2 实际使用电路在电路中换入你调整好数值的元件，保持原信号输入，记下此时的I CQ 和 V CEQ 到表1，观察示波器显示的输出波形，验证你的调整方案，记下v0的峰值（基本不失真）。注：由于实验中器件限制我们使用图2电路 2.放大电路性能指标的测量 1)保持调整后的电路元件值不变，保持静态电流I CQ 为原来的值，输入信号 V im =5mV,测量输入输出电阻，计算电路增益A V ，Ri,Ro,并与理论值比较。其 原理如下：输出电阻Ro： 测量放大器输出电阻的原理电路如图 2所示，其戴维南等效电压源u o ’即为空载时的输出电压，等效内阻Ro即为放大器的输出电阻。显然 图 3 图4 输入电阻 R i ： 测量放大器输入电阻的原理电路如图3所示，由图可见 2)保持Vim=5mV不变，改变信号频率，将信号频率从1kHz向高处调节，找出 上限频率f H;同样向地处调节，找出下限频率f L。作出幅频特性曲线，定出 3dB带宽f BW 。 四、仿真 放大电路的调整 仿真电路如图4，输入频率为1kHz、峰值为5mV的正弦信号并测量I CQ 和V CEQ 图5 图6 结论： 1.示波器输出的波形如图5由图可知，电路产生饱和失真，故此时应该增大 I b 故应该增大R b 。 2.在电路中由两个万能表测量得到：I CQ =7.214mA V CEQ =762.5mV。 3.在饱和时，V CEQ 很小接近于零。 2 如何理解晶体管的三种基本特性 电子线路中晶体三极管是一个核心知识点，对三极管的认识程度直接影响对电路的理解和应用。而对一个初学者来说，晶体三极管的基本特性又是一个学习的难点，因为三极管的工作原理十分复杂，涉及半导体微观层面的诸多概念与因素。如何有效地理解三极管的基本工作原理，是电子线路入门的一个必须解决的问题。 替换理解是对复杂整体认识的一个有效方法。所谓替换理解，是指用我们熟知的现象去理解我们难以根本认识的内容。例如光在镜面上的反射是一个十分复杂的问题，而且我们很难从微观的角度来认识它，牛顿则将光想象成由若干弹性小球组成，并将这些弹性小球叫做“光子”，于是光的反射就可以理解为弹性小球撞击到平面后被反弹回去，从而从一个方面解释了光在镜面上的反射。虽然光子并非弹性小球，但这光的反射这个现象中，这样理解却是合理的，这就是替换理解。 一．三极管的水流模型与三端电流的关系 在三极管基本特性的理解中，我们也可以用这样的方式来理解。为了详细地说明这一问题，我们先做一个小装置： 我们先用一根直径大一点的水管，我们把它叫做主管，在它的中央横断地开一个槽，但不要锯断它，并在这个槽中嵌入一块厚度与槽宽相等的闸板，即闸板，如图1所示： 图1 带有闸板的水管（剖面） 这样一来就形成了一个阀：将闸板推进去，阀就关小，推到底后阀就关死了；将闸板拉出来阀就开大，拉得越多就开得越大，全部拉出来后阀就完全打开了。我们将这根水管的上端（入水口）叫做“集电极”，用“C”表示，而将管的下端（出水口）叫做“发射极”，用“E”表示。 下面我们再找一根直径较小的水管，我们且叫它做支管，将它弯曲后焊在主管上， 如图2所示： 图2 增加一根小管（剖面） 显然，从支管也可以注入水，这些水也会从主管的下端流出，如果我们将支管的入口叫做“基极”，用“B ”来表示，应可以得出结论：E 端流出的水是C 端和B 端注入水的总和，如果我们用“I ”来表示水流，即为： B C E I I I += 下面我们再做一点复杂一些装置在上面：我们在支管上做一个水车，如果支管有水流I B 流过，水车就会逆时针旋转。我们再在水车的轴上固定上一根细绳，当水车旋转时就会将细绳缠绕在轴上，同时在细绳的另一头形成拉力。如果将细绳的另一头拴在闸板上，水车的转动就会将闸板拉出来，从而将阀打开。为了保证在没有水时阀是关闭的，可以用两根弹簧将闸板压进管槽内，如图3所示。 场效应管工作原理 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N 沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 为解释MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N 端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS 场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）； 详细讲解MOSFET管驱动电路 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS 的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P 沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。晶体管输出特性曲线实验报告
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