模拟电子技术基础课件

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1、1模拟电子技术基础课件模拟电子技术基础课件5. 学习方法学习方法 重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方法。法。6. 课时及成绩评定标准课时及成绩评定标准课时：课时：80学时学时=64(理论）理论）+16（实验）（实验）平时平时10%+实验实验30%+卷面卷面60%7. 教学参考书教学参考书 康华光主编，康华光主编，电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 第三版，高教出版社第三版，高教出版社 陈大钦主编，陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题模拟电子技术基础问答：例题 试题试题， 华科大出版社华科大出版社 陈陈

2、洁主编，洁主编， EDA软件仿真技术快速入门软件仿真技术快速入门- Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中国电力出版中国电力出版社社 导导 言言2第1页/共131页目录目录1 常用半导体器件常用半导体器件（10学时）学时）2 基本放大电路基本放大电路（8学时）学时）3 多级放大电路多级放大电路4 集成运算放大电路集成运算放大电路（4学时）学时）5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应（6学时）学时）6 放大电路中的反馈放大电路中的反馈（6学时）学时）7 信号的运算和处理信号的运算和处理（6学时）学时）8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换（6学时）学时）9

3、 功率放大电路功率放大电路（4学时）学时）10 直流稳压电源直流稳压电源（8学时）学时）（6学时）3第2页/共131页电子技术电子技术: : 通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路，简称为电路。电路，简称为电路。 一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟发生电

4、路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数字转换器等。数字转换器等。 电子技术就是研究电子技术就是研究电子器件电子器件及及电路系统电路系统设计、分析设计、分析及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由模拟电子模拟电子技术技术和和数字电子技术数字电子技术两部分组成。两部分组成。 在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在日在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在日常生活中无处不在，小到门铃、收音机、常生活中无处不在，小到门铃、收音机、DVD播放机、播放机、电话机等，大到全球定位系统电话机等，大到全球定位系统GPS（Global Positioning S

5、ystems）、雷达、导航系统等。）、雷达、导航系统等。4第3页/共131页模拟电子技术：模拟电子技术： 模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。 模拟信号就是幅度连续的信号，如温度、压力、流量等。模拟信号就是幅度连续的信号，如温度、压力、流量等。 数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。 数字信号通常是指时间和幅度均离散的信号，如电报数字信号通常是指时间和幅度均离散的信号，如电报信号、计算机数据信号等等。信号、计算机数据信号等等。时间时间时间时间幅度幅度幅度幅度 T 2T 3T 4T 5T 6T数

6、字电子技术：数字电子技术：5第4页/共131页本章讨论的问题：本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？结中另反向电压时真的没有电流吗？5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是

7、通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？们都可以用于放大？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？6第5页/共131页1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运

8、动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。小结：小结：7第6页/共131页杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、 N 型半导体型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成

9、磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型或称电子型半导体半导体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。8第7页/共131页 本征半导体掺入本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度

10、，即 n p 。电子称为多数载流子电子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。5 价杂质原子称为施主原子。9第8页/共131页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子施主原子图图 1.1.3N 型半导体型半导体10第9页/共131页二、二、 P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。空穴浓度多于电子浓度，即空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空空穴为多数载流子穴为多数载流子，电子为少数

11、载流子。，电子为少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。11第10页/共131页图图 P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主受主原子原子空穴空穴12第11页/共131页说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大

12、改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法13第12页/共131页 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，型半导体，另一侧掺杂成为另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，成了一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成一、PN 结的形成PN结结14第13页/共131页 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.

13、扩散运动扩散运动2. 扩散扩散运动形成空运动形成空间电荷区间电荷区电 子 和电 子 和空 穴 浓 度 差空 穴 浓 度 差形 成形 成 多 数 载多 数 载流 子 的 扩 散流 子 的 扩 散运动。运动。 PN 结，结，耗尽层。耗尽层。PN （动画1-3）15第14页/共131页3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁电位壁垒垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场内电场有利于少子有利于少子运动运动漂移。漂移。

14、 少 子少 子的 运 动 与的 运 动 与多 子 运 动多 子 运 动方向相反方向相反 阻挡层阻挡层16第15页/共131页5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结17第16页/共131页1.

15、 外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？第第四四版版童童诗诗白白18第17页/共131页在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. 外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外

16、电场与内电场的方向一致，增强反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。19第18页/共131页耗尽层耗尽层图图 PN 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场

17、方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS20第19页/共131页 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，大的正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，小，几乎等于零， PN 结处于结处于截止状态截止状态。 （动画1-4） （动画1-5）综上所述：可见， PN 结具有单向导电性。21第20页/共131页) 1e (STUuIiIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， U

18、T 26 mVPN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为) 1e (SktuqIi公式推导过程略公式推导过程略22第21页/共131页四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性i = f ( (u ) )之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性图图 PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿23第22页/共131页五、五、PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变化

19、时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV24第23页/共131页空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下

20、式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随随外加电压外加电压 u 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一个常数。其其 Cb = f ( (U) ) 曲线如图示。曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb图图 1.1.11（b)25第24页/共131页2. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np

21、( (或或 N 区的空区的空穴浓度穴浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处为处为 P 与与 耗耗尽层的交界处尽层的交界处当电压加大，当电压加大，np ( (或或 pn) )会升高，会升高，如曲线如曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )。OxnPQ12 Q当加反向电压时，扩散运动被当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。削弱，扩散电容的作用可忽略。 Q正向电压变化时，变化载流子正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程器充电和放电的过程 扩散电容扩散电容效

22、应。效应。图图 PNPN 结26第25页/共131页综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电和扩散电容容 Cd 两部分两部分。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。27第26页/共131页 半导体二极管在在PN结上加

23、上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图二极管的几种图二极管的几种外形外形28第27页/共131页1 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。29第28页/共131页3 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平

24、面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底4二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aD30第29页/共131页 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表二极管的伏安特性曲线可用下式表示示0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死死区区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特特性性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：开启电压：导通电压：导通电压：) 1e(STUuIi一、伏安特性0 D/V0.2 0.4

25、0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：导通电压：导通电压：31第30页/共131页二、温度对二极管伏安特性的影响二、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020温度增温度增加加第第四四版版童童诗诗白白32第31页/共131页 二极管的参数

26、(1) 最大整流电流最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压和最高反向工作电压URM(3) 反向电流反向电流I IR R(4) 最高工作频率最高工作频率f fM M(5) 极间电容极间电容Cj在实际应用中，应根据管子在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的度等条件，选择满足要求的二极管。二极管。第第四四版版童童诗诗白白33第32页/共131页 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线

27、化得到的等效电路 1. 理想模型理想模型第第四四版版童童诗诗白白34第33页/共131页 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 2. 恒压降模恒压降模型型第第四四版版童童诗诗白白35第34页/共131页 二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路3. 折线模型折线模型第第四四版版童童诗诗白白36第35页/共131页 二、二极管的微变等效电路二、二极管的微变等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。D

28、Ddivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 图图1.2.7二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路第第四四版版童童诗诗白白37第36页/共131页 应用举例 二极管的静态工作情况分二极管的静态工作情况分析析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）VDD=10V 时时mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折

29、线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVth第第四四版版童童诗诗白白38第37页/共131页稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ第第四四版版童童诗诗白白39第38页/共131页(1) 稳定电压稳定电压UZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反

30、向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)温度系数温度系数 VZ二、稳压管的主要参数第第四四版版童童诗诗白白40第39页/共131页 稳压电路正常稳压时正常稳压时 UO =UZUI UOUZ IZUOUR IR +R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUI第第四四版版童童诗诗白白 如电路参数变化？如电路参数变化？41第40页/共131页例例1：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用RLu

31、iuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Izminzmin=2mA=2mA，负载电阻，负载电阻R RL L=2k=2k ，输入电压，输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻，限流电阻R=200 R=200 ，求，求iZ。若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k - 4 - 4 k k ，是否还能稳，是否还能稳压？压？第第四四版版童童诗诗白白42第41页/共131页RLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12

32、mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL（mA）, iZ（mA）RL=4 k , iL（mA）, iZ（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用43第42页/共131页例2：稳压二极管的应用tu0I/V63tu0O1/V3tu0O2/V3解：解： ui和和uo的波形如图所示的波形如图所示 （UZ3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ44第43页

33、/共131页一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)1. 符号和特性符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V符号u /Vi /mAO2特性其它类型的二极管其它类型的二极管45第44页/共131页发光类型： 可见光：红、黄、绿显示类型： 普通 LED ，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵 LED七段 LED ,46第45页/共131页二、光电二极管二、光电二极管符号和特性符号特性uiOE = 200 lxE = 400 lx工作原理：三、变容二极管三、变容二极管四、隧道二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管五、肖特基二极管无光照时

34、，与普通二极管一样。无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。有光照时，分布在第三、四象限。47第46页/共131页双极型晶体管双极型晶体管( (BJT) )又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。( (Bipolar Junction Transistor) )三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：三极管有两种类型：NPN 型和型和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。图图 三极管的外形三极管的外形X：低频小功率管：低频小功率管D：低频大功率管：低频大功率管G：高频小

35、功率管A：高频大功率管48第47页/共131页晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图三极管的结构图三极管的结构( (a) )平面型平面型( (NPN) )( (b) )合金型合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发射极，发射极，b基极，基极，c 集电极。集电极。发射区发射区集电区集电区基区基区基区发射区集电区49第48页/共131页图图 三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号NPN 型型ecb符号符号集电集电区区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集

36、电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP50第49页/共131页集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN图图 1.3.2三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号( (b) )PNP 型型51第50页/共131页晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论cNNPebbec表面看表面看三极管若三极管若实现放大，必实现放大，必须从须从三极管内三极管内部结构部结构和和外部外部所加电源的极所加电源的极性性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用52第51页/共131页

37、三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。2. 基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加电源的极性应使发发射结处于正向偏置射结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3. 集电结面积大。集电结面积大。53第52页/共131页becRcRb一、晶体管内部载流子的运动一、晶体管内部载流子的运动I EIB1.发射结加正向电压，扩发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流散运

38、动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到到基区，基区的空穴扩散到发射区发射区形成发射极电流形成发射极电流 IE ( (基区多子数目较少，空穴电基区多子数目较少，空穴电流可忽略流可忽略) )。2. 扩散到基区的自由电子与扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极空穴的复合运动形成基极电流电流电子到达基区，少数与空穴复电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 Ibn，复合掉的复合掉的空穴由空穴由 VBB 补充补充。多数电子在基区继续扩散，到达多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动54第53页

39、/共131页becI EI BRcRb3.集电结加反向电压，漂移集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集区扩散过来的电子而形成集电极电流电极电流 Icn。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。I C另外，集电区和基区的少另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成行漂移运动而形成反向反向饱饱和电流和电流，用用ICBO表示表示。ICBO晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动55第54页/共131页beceRcRb二、晶体管的电流分配关系IEpICB

40、OIEICIBIEnIBnICnIC = ICn + ICBO IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEpIB=IEP+ IBNICBOIE =IC+IB图晶体管内部载流子的运动与外部电流图晶体管内部载流子的运动与外部电流56第55页/共131页三、晶体管的共射电流放大系数三、晶体管的共射电流放大系数CBOBCBOCIIIICEOBCBOBC)1 ( IIIII整理可得：整理可得：ICBO 称反向饱和电流ICEO 称穿透电流1、共射直流电流放大系数BCIIBEI1I）（2、共射交流电流放大系数BCII VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法共发射极接法57第5

41、6页/共131页3、共基直流电流放大系数ECnII CBOECBOCnCIIIII 11或或4、共基交流电流放大系数ECii直流参数直流参数 与交流参数与交流参数 、 的含义是不同的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，的，但是，对于大多数三极管来说， 与与 ， 与与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。 、 5. 与与 的关系的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法共基极接法第第四四版版童童诗诗白白58第57页/共131页晶体管的共射特性曲线uCE = 0VuBE /V iB=f(uBE) UCE=const(2)

42、当当uCE1V时，时， uCB= uCE - - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，在同样的集电子，基区复合减少，在同样的uBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。(1) 当当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。一一. 输入特性曲输入特性曲线线uCE = 0VuCE 1VuBE /V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE第第四四版版童童诗诗白白59第58页/共131页饱和区：饱和区：iC明显受明显受uCE控制的区域，该区域内，控制的区域，该区域内，一般一

43、般uCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(uCE) IB=const二、输出特性曲线二、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时， uBE小于死区电压，小于死区电压，集电结反偏集电结反偏。放大区：放大区：iC平行于平行于uCE轴轴的区域，曲线基本平行等的区域，曲线基本平行等距。此时，距。此时，发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏。第第四四版版童童诗诗白白60第59页/共131页三极管的参数分为三大类: 直流

44、参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const晶体管的主要参数2.共基直流电流放大系数ECII3.集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+ ）ICBO第第四四版版童童诗诗白白61第60页/共131页二、交流参数1.共发射极交流电流放大系数 =iC/iBUCE=const2. 共基极交流电流放大系数 =iC/iE UCB=const3.特征频率特征频率 fT值下降到1的信号频率第第四四版版童童诗诗白白62第61页/共131页1.最大集电极耗散功率PCM PCM= iCuCE 三

45、、 极限参数2.最大集电极电流ICM3. 反向击穿电压 UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 U EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 UCEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 U UCBOUCEOUEBO第第四四版版童童诗诗白白63第62页/共131页 由PCM、 ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 PCM= iCuCE U (BR) CEOUCE/V第第四四版版童童诗诗白白64第63页/

46、共131页温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响一、温度对一、温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高100C ， ICBO增加约一倍。增加约一倍。反之，当温度降低时反之，当温度降低时ICBO减少。减少。硅管的硅管的ICBO比锗管的小得多。比锗管的小得多。二、温度对输入特性的影二、温度对输入特性的影响响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.4 0.8I / mAU / V温度对输入特性的影响200600三、温度对输出特性的影响温度升高将导致 IC 增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响第第四四版版童童诗诗白白65第64页/共131页三极管工作状

47、态的判断三极管工作状态的判断例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ 解：原则：正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止对NPN管而言，放大时对PNP管而言，放大时（1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区第第四四版版童童诗诗白白66第65页/共131页例例2某放大电路中某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。试判断管脚、管型。解：电流判断法。解：电流判断法。电流的正方向和电流的正方向和KCL。IE=IB+ ICABC IAIBICC

48、为发射极为发射极B为基极为基极A为集电极。为集电极。管型为管型为NPN管。管。管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。第第四四版版童童诗诗白白67第66页/共131页原则：先求UBE，若等于，为硅管；若等于，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。 NPN管UBE0， UBC0，即。 PNP管UBE0， UBC0，即。第第四四版版童童诗诗白白68第67页/共131页光电三极管光电三极管一、等效电路、符一、等效电路、符号号二、光电三极管的输出特性曲线二、光电三极管的输出特性曲线ceceiCuCEO图图1.3.11光电三极管的输出特性光电三极管的输

49、出特性E1E2E3E4E0第第四四版版童童诗诗白白69第68页/共131页复习复习放大电路三个放大电路三个 电流关系电流关系 ？IE =IC+IBBCIIBEI1I）（的输入、输出特性曲线？的输入、输出特性曲线？uCE = 0VuCE 1VuBE /V工作状态如何判断？工作状态如何判断？第第四四版版童童诗诗白白70第69页/共131页场效应三极管场效应三极管场效应管：场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极单极型三极管。型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效

50、应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)； 输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。第第四四版版童童诗诗白白71第70页/共131页N沟道沟道P沟道沟道增强增强型型耗尽耗尽型型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类：分类：第第四四版版童童诗诗白白72第71页/共131页DSGN符号符号结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构结构图图 N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型

51、型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间在漏极和源极之间加上一个正向电压，加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子型半导体中多数载流子电子电子可以导电。可以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。第第四四版版童童诗诗白白73第72页/共131页P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，

52、导电导电沟道为沟道为 P 型型，多数载流子，多数载流子为空穴。为空穴。符号符号GDS第第四四版版童童诗诗白白74第73页/共131页一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流值增大，漏极电流 ID 减减小，反之，漏极小，反之，漏极 ID

53、 电流电流将增加。将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。第第四四版版童童诗诗白白75第74页/共131页1. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽第第四四版版童童诗诗白白76第75页/共131页1. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。I

54、D = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ， iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )uGD uGS uDS 第第四四版版童童诗诗白白79第78页/共131页GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), 沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiS

55、iDP+VDDVGGP+P+(1)改变改变 uGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场，故称场效应管；效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )第第四四版版童童诗诗白白80第79页/共131页3.当uGD uGS(off)时 , uGS 对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。在uG

56、D uGS uDS uGS(off)情况下情况下, 即当即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时， iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS ，而与而与uDS 无关。此时，无关。此时， 可以把可以把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。第第四四版版童童诗诗白白82第81页/共131页二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟

57、道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数DS)(GSDUufiO uGSiDIDSSUGS(off)图图 转移特性转移特性uGS = 0 ，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off) ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSiDVDDVGGDSGV V uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路 mA第第四四版版童童诗诗白白83第82页/共131页 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDS

58、SUP图图 1.4.6转移特性转移特性2. 输出特性曲线输出特性曲线 当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 iD 与与漏源之间电压漏源之间电压 uDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特性结型场效应管转移特性曲线的近似公式：曲线的近似公式：常数GS)(DSDUufi)0( )1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi第第四四版版童童诗诗白白84第83页/共131页IDSS/VPGSDSUUU iD/mAuDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8P U预夹断轨预夹断轨

59、迹迹恒流区恒流区 可变可变电阻电阻区区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。图图 ( (b) )漏极特性漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV V uGS图图 1.4.5(a)特性曲线测试电路特性曲线测试电路 mA击穿区击穿区第第四四版版童童诗诗白白85第84页/共131页结型P 沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS= 0V uDS o o栅源加正偏电压，栅源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。第第四四版版童童诗诗白白86第8

60、5页/共131页绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在

61、导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。第第四四版版童童诗诗白白87第86页/共131页一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB第第四四版版童童诗诗白白88第87页/共131页1. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感

62、应电荷”的多少，改变由这些的多少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流的状况，以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加结，无论漏源之间加何种极性电压，何种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD第第四四版版童童诗诗白白89第88页/共131页( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临

63、界开启程靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电由于夹断区的沟道电阻很大，阻很大，UDS 逐渐增大时，逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不导电沟道两端电压基本不变，变， iD因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区第第四四版版童童诗诗白白91第90页/共131页DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGS

64、DVGGVDD夹断区夹断区图图 UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UG D = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。第第四四版版童童诗诗白白92第91页/共131页3. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS UT 时时) )三个区：可变电阻区、恒三个区：可变电阻区、恒流区流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断区。、夹断区

65、。UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO图图 ( (a) )图图 ( (b) )iD/mAuDS /VOTGSUU 预夹断轨预夹断轨迹迹恒流恒流区区 可变可变电阻电阻区区夹断区。UGS增加第第四四版版童童诗诗白白93第92页/共131页二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反型层反型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电

66、沟道。+UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、零均可。iD/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V43215101520N 沟道耗尽型MOSFET第第四四版版童童诗诗白白95第94页/共131页三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th) 0当UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM第第四四版版童童诗诗白白101第100页/共131页例例电路如图所示，其中管子电路如图所示，其中管子T的输出特性曲线如的输出特性曲线如图所示。试分析图所示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情况下三种情况下uo分别为多少伏？分别为多少伏？ 图图图图分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压