第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

1、模擬、數(shù)字及電力電子技術(shù)第一章 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體 1、半導(dǎo)體概念半導(dǎo)體：其導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。 2、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)在本征半導(dǎo)體中，原子按一定間隔排列成有規(guī)律的空間點(diǎn)陣（晶格）。由于原子間相距很近，價(jià)電子不僅受到自身原子核的約束，還要受到相鄰原子核的吸引，使得每個(gè)價(jià)電子為相鄰原子共有，從而形成共價(jià)鍵。3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子的產(chǎn)生在熱力學(xué)溫度零度時(shí)，共價(jià)鍵的電子受到原子核的吸引，不能自由移動(dòng)，此時(shí)半導(dǎo)體不導(dǎo)電。隨著溫度的上升，共價(jià)鍵

2、內(nèi)電子因熱激發(fā)而獲得能量，其中能量較高的電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。同時(shí)，在原來(lái)的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位空穴。自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱，其中空穴可看成帶正電的載流子。4、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度（1）、相關(guān)概念：本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象。復(fù)合：自由電子填入空穴，并釋放出能量的過(guò)程。（2）、載流子濃度的動(dòng)態(tài)平衡：在本征半導(dǎo)體中，由于本征激發(fā)不斷產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，使載流子濃度增加。同時(shí)，又由于正負(fù)電荷相吸引，自由電子和空穴復(fù)合。 在一定溫度下，當(dāng)沒(méi)有其它能量存在時(shí)，電子、空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合最終達(dá)到一種熱平衡狀態(tài)，使本征半導(dǎo)體中載流子的濃度保持

3、一定。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅（或鍺）的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體(或稱(chēng)電子型半導(dǎo)體)。本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)元素后，原來(lái)晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子，其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，所以電子稱(chēng)為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)多子)， 空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)少子)，5價(jià)雜質(zhì)原子稱(chēng)為施主原子。2、P型半導(dǎo)體（Positive）在硅（或鍺）的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等。雜質(zhì)原子代替了晶格中的某些硅原子，它

4、的三個(gè)價(jià)電子和相鄰的四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，只有三個(gè)共價(jià)鍵是完整的，于是自然會(huì)出現(xiàn)空穴。P型半導(dǎo)體中，空穴濃度多于電子濃度，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子，3價(jià)雜質(zhì)原子稱(chēng)為受主原子。3、說(shuō)明：a、摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。b、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。c、雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。三、PN結(jié)在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱(chēng)為PN結(jié)。 1、PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)P區(qū)一側(cè)多子是空穴，N區(qū)一側(cè)多子是自由電子，所以在它們的交界面處存在空穴和電

5、子的濃度差，由此而引起的多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，N區(qū)中的自由電子向P區(qū)移動(dòng)，這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動(dòng)的受主負(fù)離子和施主正離子。結(jié)果再界面的兩側(cè)形成了由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)。2、擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡在內(nèi)電場(chǎng)的作用下少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷增強(qiáng)，界面兩側(cè)顯露的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)。 當(dāng)擴(kuò)散力被電場(chǎng)力抵消時(shí)，擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，通過(guò)界面的凈載流子數(shù)為零。 平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，由于空間電荷區(qū)沒(méi)有載流子，所以空間電荷區(qū)又稱(chēng)耗盡區(qū)（層）。又因?yàn)閮?nèi)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散有阻擋作用，

6、所以又稱(chēng)空間電荷區(qū)為阻擋區(qū)或勢(shì)壘區(qū)。3、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，又稱(chēng)正向偏置，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過(guò)大，可接入電阻 R。 PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏)。反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I 。由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。4、PN結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓u與流過(guò)的電流i的關(guān)系為： :反向飽和電流 :溫度的電壓當(dāng)量5、PN結(jié)的伏安特性：i = f (u )

7、之間的關(guān)系曲線（1）、正向特性：正向電壓只有超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，才有明顯的正向電流。這一電壓稱(chēng)為導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓，用。（2）、反向特性：二極管加反向電壓會(huì)產(chǎn)生反向電流。當(dāng)反向電壓太大，電流會(huì)突然增加，這一現(xiàn)象稱(chēng)為二極管的反向擊穿。6、PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)PN結(jié)上的電壓發(fā)生變化時(shí)，PN 結(jié)中儲(chǔ)存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。1、勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的，其大小可用下式表示：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；：結(jié)面積；：耗盡層寬度。由于PN結(jié)的寬度l隨外加電壓u而變化，因此勢(shì)壘電容不是一個(gè)常數(shù)。Cb = f (U) 曲線如圖示。

8、2、擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中積累而引起的。在某個(gè)正向電壓下，P 區(qū)中的電子濃度分布曲線如圖中曲線1所示。當(dāng)電壓加大，會(huì)升高，如曲線2所示。正向電壓變化時(shí)，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過(guò)程。當(dāng)加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。PN 結(jié)總的結(jié)電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為；當(dāng)反向偏置時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為。和值都很小，通常為幾個(gè)皮法至幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。在信號(hào)頻率較高時(shí)，須考慮結(jié)電容的作用。第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管一、二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)在PN結(jié)

9、上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管，二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型。（1）、點(diǎn)接觸型二極管：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（2）、面接觸型二極管：PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。（3）、平面型二極管：往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。（4）、二極管的代表符號(hào)二、二極管的伏安特性和主要參數(shù)1、二極管的伏安特性與溫度的影響二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性相同，溫度對(duì)二極管的影響如圖。正向電流主要是擴(kuò)散電流，溫度對(duì)它的影響不大。溫度升高時(shí)，特性曲線向左稍稍移動(dòng)；二極管截止時(shí)，反向的漏電流主要是少子漂移電流，與溫度關(guān)系較

10、大，溫度升高時(shí)，曲線向下移動(dòng)。 2、二極管的主要參數(shù)（1）、最大整流電流：它是二極管允許通過(guò)的最大正向平均電流，此值取決于PN結(jié)的面積、材料和散熱等情況。 （2）、反向擊穿電壓和最高反向工作電壓:二極管允許的最大反向電壓，通常取。 （3）、反向電流:二極管未擊穿時(shí)的反向電流值，此值越小，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?（4）、最高工作頻率:它與PN結(jié)的電容有關(guān)，結(jié)電容越大，則允許的最高工作頻率越低。三、二極管等效電路1、二極管模型（1）、理想二極管模型： 其主要特點(diǎn)是：二極管一旦正偏就導(dǎo)通，電壓為零，而流過(guò)二極管的正向電流由與之相連的外電路決定。二級(jí)管反偏時(shí)，反向電流為零。（2）、恒壓源模型其主

11、要特點(diǎn)是：二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管上的電壓為，流過(guò)二極管的導(dǎo)通電流由與之相連的外電路決定。二級(jí)管反偏時(shí)，反向電流為零。（3）、折線化模型 二極管正偏導(dǎo)通后，二極管電壓電流呈現(xiàn)線性關(guān)系，斜率為，反偏電流為零。為微變電阻。二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。四、穩(wěn)壓管利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。(1) 穩(wěn)定電壓UZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。動(dòng)態(tài)電阻rZ最大耗散功率 PZM最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin第三節(jié) 晶體三極管雙極型晶體管（Bipol

12、ar Junction Transisto）又稱(chēng)半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)晶體管。三極管有兩種類(lèi)型：NPN 型和 PNP 型。下面主要以 NPN 型為例進(jìn)行討論。一、晶體管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型1、晶體管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示 圖中，箭頭總在發(fā)射極上，總是由P指向N；箭頭的方向就是晶體管工作時(shí)實(shí)際電流的方向。2、晶體管電流放大作用的結(jié)構(gòu)要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：（1）、發(fā)射區(qū)高摻雜。（2）、基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。（3）、集電結(jié)面積大。外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。二、晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)1、發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極

13、電流發(fā)射區(qū)的電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，形成發(fā)射極電流 (基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。2、擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，形成基極電流電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流，復(fù)合掉的空穴由補(bǔ)充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。3、集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子而形成集電極電流，其能量來(lái)自外接電源。另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場(chǎng)的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向飽和電流。三、晶體管的電流分配關(guān)系 當(dāng)晶體管中加入交流電時(shí)： 其中為電流放大系數(shù)，它與晶體管的內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；是某一時(shí)刻集電極總電流，

14、它可以分解成不變的直流分量和隨時(shí)間變化的交流分量。四、晶體管的共射特性曲線1、輸入特性曲線 晶體管的輸入特性曲線是當(dāng)為常量時(shí)，晶體管基極電流與基極和發(fā)射極之間電壓的關(guān)系： （1）、當(dāng)時(shí)，此時(shí)晶體管中兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）都正偏，相當(dāng)于兩個(gè)并接在一起的二極管。（2）、當(dāng)，且時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電極反偏，集電區(qū)開(kāi)始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少。輸入特性曲線與時(shí)的曲線相比，有所右移，且不同的曲線基本重合。2、輸出特性曲線 輸出特性曲線是在基極電流一定的情況下，集電極輸出電流與集電極到發(fā)射極之間的電壓的關(guān)系：晶體管輸出特性的三個(gè)工作區(qū): （1）、截止區(qū)。在曲線的下方區(qū)域，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置，晶

15、體管各電極間只有數(shù)值很小的反向電流。（2）、放大區(qū)：在曲線上方，并且當(dāng)一定時(shí)，基本不隨變化的區(qū)域。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（3）、飽和區(qū)：明顯受控制的區(qū)域。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。通常把，即集電結(jié)零偏稱(chēng)為臨界飽和。當(dāng)時(shí)（即），晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。在飽和區(qū)與不成正比。五、晶體管的主要參數(shù) 1、直流參數(shù)（1）、共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)（或）：在晶體管作共發(fā)射極連接時(shí)，集電極直流工作電流與對(duì)應(yīng)的基極電流之比。（2）、共基極直流電流放大系數(shù)：在晶體管作共基極連接時(shí)，（即發(fā)射極作為輸入端、集電極作為輸出端，基極作為輸入、輸出回路公共端），集電極電流與發(fā)射極直流電流之比。（3）、極

16、間反向電流和：為發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極-發(fā)射極間的反向電流； 為基極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向電流。2、交流參數(shù)（1）、共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)（或）：在共發(fā)射極電路中，當(dāng)為常量時(shí)，集電極電流變化量與基極電流變化量之比。（直流的與交流的在數(shù)值上近似相等。）（2）、共基極交流電流放大系數(shù)：在為常量時(shí)，集電極電流變化量與發(fā)射極電流變化量之比。（直流的與交流的在數(shù)值上近似相等。）3、極限參數(shù)（1）、反向擊穿電壓發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向擊穿電壓?；鶚O開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向擊穿電壓。集電極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。 一般情況下，。（2）、最大集電極電流（3）、最大集電極耗散功率 晶體管工作時(shí)，集電

17、極-發(fā)射極間直流電壓與集電極直流電流的乘積。第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管：一種載流子參與導(dǎo)電，利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的三極管。它僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以又稱(chēng)單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)：一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（Junction Field Effect Transistor）：1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)15逾夢(mèng)誓約在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子(電子)可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，故稱(chēng)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。2、N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是用改變大小的方法

18、來(lái)控制漏極電流的。在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流減小。反之，漏極電流將增加。（耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。）（1）、當(dāng)時(shí)，對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用已知為夾斷電壓，為負(fù)值，也可用表示。當(dāng)時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬。由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)時(shí)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷。（2）、當(dāng)為中一固定值時(shí)，對(duì)漏極電流的影響（3）、當(dāng)時(shí)，對(duì)漏極電流的控制作用當(dāng)，為一常量時(shí)，對(duì)應(yīng)確定的，就有確定的。3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線（1）、轉(zhuǎn)移特性(以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)當(dāng)時(shí)，最大，稱(chēng)為飽和漏極電流；當(dāng)變小時(shí)，也變??；當(dāng)時(shí)，。（2）、輸出特性曲線當(dāng)柵源之間的電壓不變時(shí)，漏極電流與漏源之間電壓的關(guān)系，即：二、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，稱(chēng)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。時(shí)漏、源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；時(shí)漏、源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。1、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：絕