第一章 常用半導(dǎo)體器件

第一章常用半導(dǎo)體器件在二十世紀(jì)的近代科學(xué)，特別是量子力學(xué)發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性，而陶瓷材料則沒有。

1883年，英國法拉第發(fā)現(xiàn)：硫化銀的電阻隨著溫度上升而降低。1874年，德國的布勞恩注意到：硫化物的電導(dǎo)率與所加電壓的方向有關(guān)，這就是半導(dǎo)體的整流作用。1906年，美國電機發(fā)明家匹卡發(fā)明了第一個固態(tài)電子元件：無線電波偵測器。它使用金屬與硅或硫化物相接觸所產(chǎn)生的整流功能來偵測無線電波。1939年，德國的肖特基在《德國物理學(xué)報》發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文，做了許多推論，他認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體間有勢壘的存在，其主要貢獻就在于精確計算出這個勢壘的形狀與寬度。1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。常用的半導(dǎo)體材料有：（1）元素半導(dǎo)體：硅（Si）和鍺（Ge）等四價元素。（2）化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）等。1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——

純凈的半導(dǎo)體。

制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

圖1.1硅原子空間排列硅、鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。

圖1.2硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)電子空穴對

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。本征激發(fā)和復(fù)合過程因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖1.3所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。圖1.3本征激發(fā)和復(fù)合的過程

常溫下，因自由電子的濃度很低，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很低。摻雜半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體：摻入5價元素的半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(2)P型半導(dǎo)體：摻入3價元素的半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

圖1.4N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。圖1.5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3PN結(jié)的形成內(nèi)電場P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)濃度差異多子擴散內(nèi)電場增強少子漂移內(nèi)電場減弱動態(tài)平衡PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

圖1.7PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況+f外f內(nèi)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

外加的反向電壓有一部分降落在N結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。圖1.8PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況2、PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，分為：一、勢壘電容CB

，二、擴散電容CD

。

一、勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。當(dāng)外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。PN結(jié)的擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。有兩種解釋：雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠高時（U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。齊納擊穿：對摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U<4V），耗盡層可獲得很大的場強，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.11所示。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型圖1.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(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，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖1.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示:圖1.12二極管的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流，uD為二極管兩端的電壓降，UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。(1)正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Uh=0.1V左右。

當(dāng)0＜uD＜Uth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當(dāng)V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(2)反向特性當(dāng)VBR＜uD＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。當(dāng)uD

≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF：二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR(3)最大反向工作電壓VRM：在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。

(4)反向電流IR：室溫下在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。半導(dǎo)體二極管的參數(shù)（續(xù)）

(5)正向壓降VF

：在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。(6)動態(tài)電阻rd：二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即rd=VF/IF半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：P半導(dǎo)體二極管實物圖特殊二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。其伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應(yīng)用電路如圖1.14所示。

特殊二極管包括穩(wěn)壓管、光電二極管、發(fā)光二極管等，下面著重介紹穩(wěn)壓二極管。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZrZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM=

VZ/IZ(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中：當(dāng)VZ

＞7V時，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)VZ＜4V時，VZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)4V＜VZ＜7V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.整流2.鉗位VD1U=+5VFA圖1.15二極管鉗位電路R=3kVD2B半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用（續(xù)一）3.限幅（a）限幅電路（b）波形圖1.16二極管限幅電路及波形RVD1+uo－+ui－－Us2++Us1－VD2ui/V10t-10uo/V+5-5t00半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用（續(xù)二）4.電路中的元件保護SVDeLLREi圖1.16二極管保護電路雙極型半導(dǎo)體三極管圖1.17雙極型三極管的結(jié)構(gòu)3區(qū)3極兩個結(jié)；e濃b薄.集電區(qū)用C或c表示（Collector）

發(fā)射區(qū)用E或e表示（Emitter）

基區(qū)用B或b表示（Base）發(fā)射結(jié)(Je)集電結(jié)(Jc)雙極型半導(dǎo)體三極管的電流分配與控制圖1.18

三極管內(nèi)部載流子的運動情況－+－+RCcbeICIEIBVccVBBRBICBOICNIBNNPN發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。雙極型半導(dǎo)體三極管的電流分配與控制

發(fā)射結(jié)加正偏時，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散，形成的電流為IE。

進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機會較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時間很短，很快就運動到了集電結(jié)的邊上，進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是IBN。

另外，因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。于是可得如下電流關(guān)系式:IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBOIE=ICN+IBN

雙極型半導(dǎo)體三極管的電流關(guān)系

共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;

共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；圖1.19三極管的三種組態(tài)共基極直流電流放大系數(shù)α:共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=(IC+IB)+ICBO因≈1,所以>>1雙極型半導(dǎo)體三極管的特性曲線

輸入特性曲線——iB=f(vBE)

vCE=const

輸出特性曲線——

iC=f(vCE)

iB=const共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)ICEO使特性上翹可見：三極管是一個“流控流型的器件（CCCC)”共基極交流電流放大系數(shù)當(dāng)ICBO和ICEO很小時，≈、≈特征頻率fT

三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號頻率增加時，三極管的將會下降。當(dāng)下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。集電極最大允許電流ICM

如圖1.22所示，當(dāng)集電極電流增加時，就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70～30％時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢?，當(dāng)IC＞ICM時，并不表示三極管會損壞。圖1.22值與IC的關(guān)系集電極最大允許功率損耗PCM集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗:

PCM=ICVCB≈ICVCE因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計算時往往用VCE取代VCB。

由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)，見圖1.23。圖1.23輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)例1.1：測量三極管三個電極對地電位如例圖

1.1所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

例圖1.1三極管工作狀態(tài)判斷

放大截止飽和半導(dǎo)體三極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管

用字母表示材料

用字母表示器件的種類

用數(shù)字表示同種器件型號的序號

用字母表示同一型號中的不同規(guī)格

三極管例如：3AX31D、3DG123C、3DK100B場效應(yīng)管

場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。

場效應(yīng)三極管從結(jié)構(gòu)上分為兩大類：

1.結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransistor)2.絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET

(InsulatedGateFieldEffectTransistor)IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理

絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)又分為:

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖1.24。其中：D(Drain)為漏極，相當(dāng)c；

G(Gate)為柵極，相當(dāng)b；

S(Source)為源極，相當(dāng)e。圖1.24N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。圖1.25N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET的工作原理1.柵源電壓VGS的控制作用

當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

當(dāng)0＜VGS＜VGS(th)時（VGS(th)

稱為開啟電壓)

，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。圖1.26柵極下方出現(xiàn)耗盡層?xùn)旁措妷篤GS的控制作用（續(xù)1）當(dāng)VGS＞VGS(th)時，由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。圖1.27柵極下方出現(xiàn)反型層?xùn)旁措妷篤GS的控制作用（續(xù)2）

隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，所以這種MOS管稱為增強型MOS管。VGS對漏極電流的控制關(guān)系ID=f(VGS)VDS=const稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖1.18。

iD=f(VGS)VDS=const=ID0(VGS/VGS(th)–1)2圖1.18增強型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極