半导体晶体管和场效应管
场效应晶体管
场效应晶体管一、场效应晶体管概述场效应晶体管(FET)简称场效应管，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、温度系数低、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。
场效应管工作时只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。
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（IGFET）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）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
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。
二、场效应晶体管与半导体晶体管的异同1、外形相同场效应晶体管与半导体晶体管（双极晶体管）的封装外形基本相同，也有B型、F型、G型、TO-3型金属封装外形和S-1型、S-2型、S-4型、TO-92型、CPT型、TO-126型、TO-126FP 型、TO-202型、TO-220型、TO-247型、TO-3P型等塑料封装外形。
2、结构及工作原理不同场效应晶体管属于电压型控制器件，它是依靠控制电场效应来改变导电沟道多数载流子（空穴或电子）的漂移运动而工作的，即用微小的输入变化电压V G来控制较大的沟道输出电流I D，其放大特性（跨导）G M=I D/V G；半导体晶体管属于电流通渠道型控制器件，它是依靠注入到基极区的非平衡少数载流子（电子与空穴）的扩散运动而工作的，即用微小的输入变化电流I b控制较大的输出变化电流I c，其放大倍数β=I c/I b。
晶体管和场效应管
晶体管和场效应管晶体管和场效应管是现代电子技术中使用广泛的两种重要元件。
它们在电路中发挥着非常重要的作用，促进了电子设备的不断发展和进步。
本文将对晶体管和场效应管进行详细介绍，包括它们的结构、工作原理以及应用领域。
一、晶体管晶体管是一种半导体器件，由三个不同掺杂的层级组成，分别是基底、发射区和集电区。
晶体管的结构决定了它具有放大和开关两种基本功能。
1. 结构晶体管由两种材料构成，一种是N型半导体，另一种是P型半导体。
晶体管的三个层级——发射区、集电区和基底分别对应着NPN和PNP的结构。
发射区和集电区之间夹着一个非掺杂的绝缘材料，称为垫片。
2. 工作原理当在发射区施加一个正向电压时，由于PN结的压降，使得PN接触的区域形成开路。
而一旦发射区施加的电压大于某一阈值，PN接触区域就会呈现导电状态，电子可以从发射区跨过PN结，流入集电区。
这样一来，晶体管就可以实现电流放大的功能。
晶体管的工作过程可以分为三个阶段：放大阶段、切换阶段和截断阶段。
在放大阶段，晶体管的发射区电流和集电区电流的比值决定了信号的放大倍数；在切换阶段，发射区电流不足以跨过PN结的电压并形成导电状态，导致晶体管切换到关断状态；在截断阶段，晶体管实际上是一个开关，完全截断了电流的流动。
3. 应用领域晶体管的广泛应用领域包括电子通讯、计算机、音频和视频设备等。
晶体管的小体积、低功耗以及可靠性等优点使得它成为现代电子产品中的关键元件。
二、场效应管场效应管是另一种重要的半导体器件，通过电场控制电载流子的通道，从而实现对电流的控制。
与晶体管相比，场效应管具有更高的输入阻抗和更低的功耗。
1. 结构场效应管由多层不同掺杂的半导体材料构成。
通常包括掺杂浓度较高的汇集区、控制区和栅极。
2. 工作原理场效应管的工作原理是基于阻挡层控制电流的流动。
通过施加栅极电压，可以改变阻挡层的电场，从而调节通道中的载流子数量。
当栅极电压为0时，阻挡层完全堵塞了载流子的通道，电流无法通过；而当栅极电压发生变化时，阻挡层会减弱或消失，允许电流通过。
场效应管(建议看)
0V –1V –2V uGS = – 3 V
uDS
IDSS
可 变 电 阻 区
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
恒 流 区
击 穿 区
i D gm U GS
夹断电压
夹断区（截止区）
夹断电压为负
∴栅源电压越负，电流iD越小。
①夹断区： i D 0 UGS<UGS(off) ②可变电阻区(预夹断轨迹左边区域）：
之间的函数关系，即
iD f (uGS ) |U DS 常数
N沟道结型场效应管UGS=0时，存在导电沟道，电流最大；
栅源之间加负向电压UGS＜0直至沟道消失，电流为零。
UGS=0V -1V -2V -3V 夹断电压
U GS ( off ) 0
栅源电压越负，电流越小 恒流区条件：
U GS U GS (off )
3、特性曲线与电流方程
转移特性 输出特性曲线
N沟道增强型MOS管在UGS=0时，无导电沟道，电流为零。
UGS加正向电压至开启电压后，电流随UGS的增大而增大。
VDS 为正的
6V 5V 4V 3V 开启电压
U GS ( th ) 0
栅源电压越正，电流越大 恒流区条件：
U GS U GS (th )
增强型N沟道
耗尽型N沟道
增强型P沟道 耗尽型P沟道
说明：
1、栅极用短线和沟道隔开，表示绝缘栅； 2、箭头：由P区指向N区； 3、虚线：增强型MOS管； 实线：耗尽型MOS管。
二、N沟道增强型MOS管的工作原理
在通常情况下，源极一般都与衬底相连，即UBS=0。 为保证N沟道增强型MOS管正常工作，应保证： ① UGS=0时，漏源之间是两只背向的PN结，不管UDS 极性 如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电 沟道。UGS必须大于0（UGS>0）管子才能工作。 ②漏极对源极的电压UDS必须为正值(UDS>0)。这样在漏 极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产 生自漏极流向源极的电流。
半导体行业专业知识-wafer知识
半导体行业专业知识-wafer知识半导体行业中的基本元器件是晶体管、二极管、场效应管、电阻、电容等，其中以晶体管为代表。
晶体管是一种能够控制电流的元器件，也是现代电子技术的基础之一。
晶体管是由p型半导体和n型半导体组成的，这些半导体在一个共同的单晶硅片中制成，这个单晶硅片就是wafer。
Wafer（圆片）是单晶硅片的俗称，是制造半导体器件的基础。
Wafer的种类有很多，如:直径125mm、150mm、200mm、300mm等。
在生产过程中，需要将晶体管等元器件在wafer上加工出来。
进一步，wafer上的晶体管等元器件需要经过电测试、工艺修正、包装等步骤，才能成为可实际使用的电子产品。
换句话说，wafer是半导体制造的基石。
制造wafer的方式通常是从多晶硅开始。
多晶硅是由小晶粒组成的晶体，其中尚含有杂质。
先将多晶硅置于炉中，并加热至一定温度使其融化然后凝结，并在此过程中控制加入杂质的数量与质量。
由于杂质会改变硅的电子特性，因此控制其数量与质量对于晶圆的电子性能有重大的意义。
在制造过程中，生产厂需对wafer表面进行多次加工，以便制造出所需的电子元器件。
在加工之前，需要对wafer进行光洁度处理，以使其表面的污垢和缺陷最小化。
接下来，需要在wafer上涂上光刻胶并通过光刻过程来形成具体的电路。
光刻胶是一种光敏感树脂，在涂刷后可以通过紫外光曝光获得所需的芯片图案。
完成光刻后，接下来就是wafer刻片阶段，将不需要的区域和多余的金属等程深度刻蚀掉，具体步骤包括干法刻蚀和液共刻蚀，以及对已经完成刻蚀的部分进行清洗和光敏胶的去除等。
除了这些基本操作以外，还需要针对性的加工wafer，定制各种不同的电子芯片，最终将它们与其他元器件组装在一起，形成具体的电子设备。
需要指出的是，在整个半导体产业链中，wafer是最基础的组成部分。
尽管其并不直接参与到电子设备的生产过程中，但是其质量对系统整体电子性能的影响非常大。
晶体管场效应管复合管
晶体管场效应管复合管
晶体管场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种
半导体器件，具有三个电极：源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。
其中，源极和漏极之间的电流通过调节栅极
电压来控制。
晶体管场效应管可以分为MOSFET和JFET两种类型。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种以金属-
氧化物-半导体结构为基础的场效应管。
它通过改变栅极电势
来调节源漏电流。
MOSFET分为N沟道MOSFET和P沟道MOSFET两种类型，根据不同的材料和结构。
JFET（结型场效应晶体管）是一种以PN结为基础的场效应管。
它通过改变栅极电势来改变沟道中电载流子的浓度，进而调节源漏电流。
复合管是指将多个晶体管结合在一起，形成一个有功能独立的整体，具有特定的功能和性能。
复合管通常包括多个晶体管、二极管、电阻等元件，通过适当的连接方式来实现指定的电路功能。
晶体管场效应管复合管是将晶体管场效应管和其他元件结合在一起，以实现特定的电路功能。
它可以通过集成电路制造工艺来实现更小尺寸和高集成度，适用于各种电子设备和系统中。
场效应管和晶体管的异同
晶体管的结构和特性
晶体管由三个半导体层（发射极、基极和集电极）组成，通过电流控制其开关状态。
晶体管具有放大信号的作用，可用于信号放大、振荡和开关电路等。
根据结构不同，晶体管可分为NPN和PNP两种类型，其工作原理和特性略有不同。
晶体管的特性曲线包括输入特性曲线和输出特性曲线，反映了晶体管在不同工作条件下的性能表 现。
在模拟电路和数字电路中均 有广泛应用
晶体管定义
晶体管是由半导体材料制成的电子器件 晶体管具有放大、开关、振荡等功能 晶体管由三个电极（基极、集电极和发射极）组成 晶体管可分为NPN和PNP两种类型
异同点概述
同处：都是半导体器件，具 有放大作用。
异处：场效应管是电压控制器 件，晶体管是电流控制器件。
晶体管工作原理
晶体管由三个半 导体组成，包括 两个N型和一个P 型半导体，中间 是P型半导体，两 侧是两个N型半导 体。
当基极（B）电压 变化时，基极-发 射极（B-E）之间 的电压发生变化， 进而控制集电极 （C）和发射极 （E）之间的电流。
晶体管的工作原 理是通过控制基 极电流来控制集 电极电流，从而 实现信号放大或 开关作用。
添加标题
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场效应管输入阻抗高，适用于低噪 声放大器；晶体管输出阻抗低，适 用于功率放大器。
场效应管在开关状态下的效率较高； 晶体管在放大状态下的效率较高。
结构和特性的异 同
场效应管的结构和特性
结构：由源极、栅极、漏极三个电极组成，源极和漏极之间是导电沟道 特性：电压控制型器件，输入阻抗高，噪声低，热稳定性好 工作原理：通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流 应用：放大器、振荡器、开关电路等
晶体管的放大系 数取决于基极和 发射极之间的电 压差，以及集电 极和基极之间的 电压。
场效应管、晶闸管和单结晶体管的识别与检测
6.1 场效应管的识别与检测 场效应管是场效应晶体管的简称，具有输入电阻高、 噪声小、功耗低、安全工作区域宽、受温度影响小 等优点，特别适用于要求高灵敏度和低噪声的电路。 场效应管和三极管都能实现信号的控制和放大，但 由于它们的结构和工作原理截然不同，所以二者的 差别很大。三极管是一种电流控制元件，而场效应 管是一种电压控制器件。 场效应管（FET）是一种电压控制型半导体器件 （通过改变栅极和源极之间电压来控制其漏极电 流），在电路中主要起信号放大、阻抗变换等作用； 晶体闸流管简称晶闸管（可控硅），是可控整流半 导体器件，主要用于交直流无触点开关、调光、调 速、过压保护等电路中；单结晶体管因只有一个PN 结，但它与二极管的特性却不相同，多用于触发电 路、振荡电路及双稳态等电路中。
（2）单向晶闸管触发能力的判断
1 .对1A～10A的晶闸管，可用万用表的R×1档，红表笔接A极，黑表笔 接K极，表针不动；然后使红表笔周与A极相接的情况下，同时与控制极 G接触。此时可从万用表的指针上看到晶闸管的A-K之间的电阻值明显变 小，指针停在几欧到十几欧处，晶闸管因触发处于导通状态。给G极一 个触发电压后离开，仍保持红表笔接A极，黑表笔接K极，若晶闸管处于 导通状态不变，则表明晶闸管是好的；否则，晶闸管可能是损坏的。
6.1.2 场效应管的命名法 国产场效应管的型号命名方法有两种：第一种是与 普通三极管相同，第一部分用数字3表示主称；第 二部分用字母表示材料：D是P型硅N沟道，C是N 型硅P沟道；第三部分用字母表示管子种类：字母J 代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管；第四 部分用数字表示序号。 例如，3DJ6D表示结型N沟道场效应三极管， 3DO6C表示绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法采用字母“CS”+“XX﹟”的形式，其 中“CS”代表场效应管，“XX”以字代表型号的序号， “﹟”用字母代表同一型号中的不同规格，如CS16A、 CS55G等。
常见功率半导体器件及其主要特点
常见功率半导体器件及其主要特点一、概述功率半导体器件是现代电子电气设备中不可或缺的组成部分，它承担着电能的调节、放大和转换任务。
在众多功率半导体器件中，普遍应用的包括晶闸管、场效应管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率二极管等。
这些器件各自具有不同的特点和应用范围，下文将对其进行详细介绍。
二、晶闸管晶闸管是最早出现的功率半导体器件之一，其主要特点包括：1. 器件结构简单，工作可靠。
2. 具有单向导电性。
3. 具有双向触发能力。
4. 适用于高压、大电流场合。
5. 效率高、损耗小。
晶闸管广泛应用于直流调速、大功率变频器、交流电能控制等领域。
三、场效应管场效应管又称为MOSFET，其主要特点包括：1. 体积小、重量轻。
2. 导通电阻小、功率损耗小。
3. 开关速度快、可靠性高。
4. 控制电路简单、使用方便。
场效应管广泛应用于开关电源、电力电子设备、汽车电子系统等领域。
四、绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是由绝缘栅双极晶体管和场效应管结合而成的器件，其主要特点包括：1. 具有MOSFET的输入特性和GTR的输出特性。
2. 导通压降低、导通电阻小。
3. 具有高开关速度。
4. 具有大功率、高频率的特点。
IGBT广泛应用于变频调速、逆变器、电动汽车驱动等领域。
五、功率二极管功率二极管是一种常见的半导体器件，其主要特点包括：1. 低开启电压、低通态电压降。
2. 热稳定性好、动态特性好。
3. 寿命长、可靠性高。
4. 具有快速恢复特性。
功率二极管广泛应用于整流器、逆变器、交流稳压电源等领域。
六、结语功率半导体器件在现代工业生产和生活中发挥着重要作用，不同的器件具有不同的特点和应用范围，能够满足各种电能调节、转换的需求。
随着科技的不断发展，功率半导体器件的性能和应用范围将会不断扩大，为人类创造更加便利和高效的生活和工作环境。
七、功率半导体器件的发展趋势随着现代电子技术的发展和能源的需求不断增长，功率半导体器件的应用也愈发广泛。
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IIs(eU/UT 1)
式中， 是反向饱和电流，UT = kT/q是温度电压当量，T是热 力学温度，q是电子的电量，在T为300 K时，UT≈26 mV。 4．PN结的反向击穿 当反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这种现象 称为反向击穿。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
结论
1. 本征半导体中电子空穴成对出现, 且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件 有关。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1、N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入五价元 素磷。
N型
+4
+4
+4
N 型半导体的简化图示
正离子
温度、杂质、光照对半导体电阻率的上述控制作用是 制作各种半导体器件的物理基础。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
载流子 — 自由运动的带电粒子。
共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
三、 扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流 等于漂移电流，总电流 I = 0。 半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2 PN结的单向导电性
一、加正向电压(正向偏置)导通
I
P区
外电场使多子向 PN 结移动,
N区
中和部分离子使空间电荷区变窄。
外电场
内电场
+
U
R
I = I多子 I少子 I多子
扩散运动加强形成正向电流 I 。
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.4 PN结
1. PN结的形成 扩散运动：由浓度差引起的载流子运动。 漂移运动：载流子在电场力作用下引起的运动。
内电场
一、载流子的浓度差引起多子的扩散
(耗尽层)
二、复合使交界面形成空间电荷区
空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的 漂移。
反 向
反向特性 O
击
穿
正向特性 Uth uD /V
死区 电压
0 U Uth iD = 0
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
U Uth iD 急剧上升
U（BR) U 0 iD < 0.1 A(硅) 几十A (锗) U < U（BR） 反向电流急剧增大 (反向击穿)
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
限流电阻
二、加反向电压(反向偏置)截止
I
P区
N区
内外电电场场
+
U
R
漂移运动加强形成反向电流 I
外电场使少子背离 PN 结移动，
I = I少子 0 空间电荷区变宽。
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;
反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
3 PN结方程
反向击穿类型： 电击穿 — PN结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN结烧毁。 反向击穿原因： 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击
硅(锗)的原子结构
硅(锗)的共价键结构
Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4
简化
+4
模型
惯性核
价电子 (束缚电子)
自
+4
+4
由
空电
穴子
+4
+4
空穴 空穴可在共 价键内移动
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
本征激发： 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键
的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位 (空穴)的过程。 复 合：
电工技术基础与工程应用
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1章 半导体晶体管和场效应管
第1节 半导体的基础知识 第2节 晶体三பைடு நூலகம்管与交流放大法电路 第3节 绝缘栅场效应晶体管 本章小结
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 物理基础 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体 1.1.4 PN结
I = IP + IN
电子和空穴两种 载流子参与导电
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.3 杂质半导体
本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很 弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某 种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定 导电性能的杂质半导体。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2 晶体二极管
1.2.1 基本结构 1.2.2 伏安特性 1.2.3 主要参数 1.2.4 特殊二极管
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.1 基本结构
构成： PN结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)
符号：
分类：
硅二极管
按材料分
锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
载流子数 电子数
多数载 流子
少数载 流子
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
2、P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入三价元 素硼。
P型
+4
+4
+4
P型半导体的简化图示
负离子
+4
+3
+4
硼原子
空穴
空穴 — 多子
电子 — 少子
载流子数 空穴数
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.1 物理基础
半导体---导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 与导体的电阻率相比较，半导体的电阻率有以下特点： •1．对温度反映灵敏(热敏性) •2．杂质的影响显著(掺杂性)
极微量的杂质掺在半导体中，会引起电阻率的极大变 化。 •3．光照可以改变电阻率(光敏性)
正极 引线
N型锗片
铝合金 负极 小球 引线
正极引线 PN结
正极 负极 引线 引线
N型锗 金锑
p
合金
N
外壳
触丝 负极引线
底座
点接触型
面接触型
P型支持衬底
集成电路中平面型
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.2.2 伏安特性
击穿 电压
iD /mA
U (BR)
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消 失的过程。 漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
半导体晶体管和场效应管电工技术基础与工程应
1.1.2 本征半导体
两种载流子
两种载流子的运动
电子(自由电子)
自由电子(在共价键以外)的运动
空穴
空穴(在共价键以内)的运动
半导体的导电特征
I
IP
IN
+–
在外电场的作 用下，自由电子逆 着电场方向定向运 动形成电子电流IN 。 空穴顺着电场方向 移动，形成空穴电 流IP 。