半導(dǎo)體物理及器件物理基礎(chǔ)

半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1

導(dǎo)

體:106~104(cm)-1

半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：

構(gòu)

成

一

個正四面體，

具

有

金

剛

石

晶

體

結(jié)

構(gòu)

半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge

化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni電子：Electron，帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛

后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛

后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位3.半導(dǎo)體的能帶(價帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結(jié)構(gòu)

原子能級

能帶價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)

帶價

帶Eg本征載流子濃度：

n=p=ninp=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)4.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電

子

濃

度

n,

空

穴

濃

度

p5.半導(dǎo)體的摻雜BAs

受

主

摻

雜

施

主

摻

雜施主和受主濃度：ND、NA受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As施主能級受主能級雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:

熱平衡時(質(zhì)量作用定律):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：電子 p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：空穴 p型半導(dǎo)體：電子7.電中性條件:正負電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導(dǎo)體：電子nNd

空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa

電子nni2/Na舉例摻雜濃度分別為(a)和的硅中的電子和空穴濃度？(b)再摻雜的Na又是多少？()8.過剩載流子

由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復(fù)合9.載流子的輸運漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力

載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動

引

入

遷

移

率

的

概

念

影

響

遷

移

率

的

因

素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機制：晶格散射（

熱

運

動

引

起）電離雜質(zhì)散射擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴散運動：載流子在化學(xué)勢作用下運動過剩載流子的擴散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機制：

直接復(fù)合、間接復(fù)合、

表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的擴散過程擴散長度Ln和Lp:L=(D)1/2重

點半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運、漂移、擴散、產(chǎn)生、復(fù)合半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸

MOS結(jié)構(gòu)

異質(zhì)結(jié)

超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)PN結(jié)和晶體管N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)PN（具有奇特的性質(zhì)）微電子器件的基礎(chǔ)在一塊n型（或p型）半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎㄈ纾汉辖鸱?、擴散法、生長法、離子注入法等）把p型（或n型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在二者的交界面出就形成了pn結(jié)。PN結(jié)的形成PN1）合金法制備pn結(jié)把一小粒鋁放在一塊n型單晶硅片上，加熱到一定程度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在n型硅片上形成一含有高濃度鋁的p型硅薄層，它和n型硅襯底的交界面處即為pn結(jié)。nSiAInSi液體nSipNDNAN(x)xpn合金結(jié)的雜質(zhì)分布：突變結(jié)2）擴散法制備pn結(jié)通過氧化、光刻、擴散等工藝形成p-n結(jié)。nSiSiO2nSinSiPNDNA(x)N(x)xpn雜質(zhì)分布：緩變結(jié)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導(dǎo)體為基片通過半導(dǎo)體擴散工藝使半導(dǎo)體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在濃度差的作用下，電子從N區(qū)向P區(qū)擴散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在濃度差的作用下，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結(jié)兩端摻雜濃度不均→擴散運動N區(qū)電子→→P區(qū)P區(qū)空穴→→N區(qū)P區(qū)：電子→PN界面附近與空穴復(fù)合→留下帶負電荷的電離受主N區(qū)：空穴→PN界面附近與電子復(fù)合→留下帶正電荷的電離施主N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

即PN結(jié)空間電荷層空間電荷區(qū)

——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴散運動使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

形成內(nèi)建電場內(nèi)電場方向

內(nèi)建電場——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴散，加速少子的漂移。

隨著擴散的進行，空間電荷↑，內(nèi)建電場↑，載流子漂移↑N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

無外加電場：當(dāng)擴散和漂移運動達到平衡后;

擴散電流ID=漂移電流IT，方向相反;PN結(jié)中無電流通過;

形成一定的寬度的空間電荷層。PN結(jié)形成過程動畫演示p-n結(jié)能帶圖EC

EfnEVEC

EfpEV------空間電荷區(qū)EFx－－－－－－－－－－qVDqVDp區(qū)能帶相對向上移，n區(qū)能帶向下移，費米能級相等，n-p結(jié)達平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。

能帶彎曲，電子從勢能低的n區(qū)向勢能高的p區(qū)運動時，必須克服這一勢能“高坡”，才能到達p區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢能“高坡”，才能從p區(qū)到達n區(qū)，這一勢能“高坡”通常稱為p-n結(jié)的勢壘，故空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度溫度禁帶寬度PN結(jié)及二極管的特性1PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦詀正向偏置(外加正向電壓)b反向偏置(外加反向電壓)2

PN結(jié)——伏安特性3PN結(jié)——電容特性a正向偏置(外加正向電壓)

PN結(jié)兩端加正向電壓U：P區(qū)“+”

，N區(qū)“-”

+

-外電場將P區(qū)空穴→（-）受主離子↓N區(qū)電子→（+）施主離子↓→空間電荷層變薄→內(nèi)建電場減弱→pn結(jié)電阻很小xV(x)VDVD-V1PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦?-----PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場被削弱PN結(jié)變窄多子進行擴散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正偏動畫演示P+N內(nèi)建電場Elo+-VIPN結(jié)正偏空間電荷層變薄內(nèi)建電場減弱擴散電流>>漂移電流擴散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通電壓V電流I外加正向電壓越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的伏安特性(圖為鍺管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0Ib反向偏置(外加反向電壓)

+

-xV(x)VDVD+VPN結(jié)兩端加反向電壓U：P區(qū)“-”

，N區(qū)“+”

外電場將P區(qū)空穴部分中和N區(qū)電子部分中和→內(nèi)建電場增強→pn結(jié)電阻很大→空間電荷層變寬PN結(jié)反偏動畫演示P+N內(nèi)建電場Elo-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強漂移電流>>擴散電流少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無關(guān)。當(dāng)外部電壓達到一定值時，反向電流幾乎不隨反偏電壓變化，形成飽和電流——反向飽和電流（Is）當(dāng)外電場很強,反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大----反向擊穿。擊穿電壓V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-30IsPN結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

PN結(jié)加正向電壓時，電阻小，形成較大正向電流ID，導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時，電阻大，形成反向電流極小，不導(dǎo)通(截止)；

這一特性稱為單向?qū)щ娦浴Ｓ汕懊娴腶、b合起來可以表述為：VT—熱電壓VT=KT/qIS—PN結(jié)反向飽和電流在室溫（T=300K)時，PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：

+++++_PN____VI（1）當(dāng)V=0時，I=0（3）

當(dāng)V<0，且|V|>>UT時，I-IS討論：（2）當(dāng)V>0，且V>>VT時，

VDI2

PN結(jié)——伏安特性VDI反向特性正向特性擊穿特性a有死區(qū)（ID≈0的區(qū)域）正向電壓很小，對內(nèi)建電場影響小，ID≈0——PN結(jié)不導(dǎo)通

(1)．V>0,正向特性反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonO死區(qū)電壓的大小與管子的材料及溫度有關(guān)b呈現(xiàn)指數(shù)形式區(qū)域硅管Von=0.5V～0.7V鍺管Von=0.1V～0.3V反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonO而當(dāng)V>Von后，曲線陡直——PN結(jié)導(dǎo)通二極管正向?qū)〞r的電壓稱導(dǎo)通電壓Von(2)．反向特性

a

當(dāng)時，IS硅管<0.1A鍺管幾十到幾百A反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonOV(BR)Isb

當(dāng)時反向電流急劇增大二極管發(fā)生反向擊穿當(dāng)反向電流劇增時所對應(yīng)的反向電壓叫擊穿電壓VBR

當(dāng)反向電壓足夠高時，PN結(jié)內(nèi)電場較強，在空間電荷區(qū)作漂移運動的載流子不斷被加速，以致獲得足夠能量，它們碰撞晶體原子，使得共價鍵中的電子激發(fā)形成電子－空穴對（碰撞電離現(xiàn)象），新產(chǎn)生的電子和空穴在電場作用下加速，也獲得能量，又碰撞別的晶體原子，繼續(xù)產(chǎn)生電子－空穴對，這就是載流子的倍增效應(yīng).

①雪崩擊穿PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿和齊納擊穿電擊穿熱擊穿形成鏈式反應(yīng)，載流子濃度和反向電流驟增，向雪崩一樣——雪崩擊穿雪崩擊穿滿足空間電荷區(qū)電場強度大空間電荷區(qū)寬度大

②齊納擊穿（隧道擊穿）空間電荷區(qū)較窄，反向電壓增加→Pn結(jié)能帶彎曲程度↑

（可能出現(xiàn)n區(qū)的Ec比p區(qū)的EV低）－當(dāng)△x短到一定程度，在電場作用下，p區(qū)價帶電子將通過隧道效應(yīng)穿過禁帶到達n區(qū)導(dǎo)帶中，是反向電流急劇增加——隧道擊穿。qVDEc△xEvEcEvEgpn最初由齊納提出解釋電解質(zhì)擊穿現(xiàn)象——齊納擊穿齊納擊穿：高摻雜，空間電荷層窄，低反向（擊穿）電、壓，產(chǎn)生電子空穴對，反向電流增大。雪崩擊穿：低摻雜，空間電荷層寬，高反向（擊穿）電壓，撞價電子（撞出），產(chǎn)生電子空穴對，多次重復(fù)，反向電流增大。一般地：擊穿電壓VBR<6V的屬于齊納擊穿擊穿電壓VBR>6V的屬于雪崩擊穿

當(dāng)p–n結(jié)上加反向電壓

→

反向電流引起熱損耗↑→反向飽和電流↑

如此反復(fù)循環(huán)下去，最后發(fā)生熱電擊穿。熱電擊穿熱擊穿（大電流）——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆

電壓越大，對應(yīng)損耗的功率也越大。如果沒有良好的散熱條件使這些熱能及時傳遞出去，可能發(fā)生熱擊穿正向區(qū)：溫度升高，曲線左移反向區(qū)：溫度升高，曲線下移

當(dāng)溫度T↑時，PN結(jié)兩邊的熱平衡少子濃度相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致PN結(jié)的反向飽和電流IS增大；

V(on)隨T↑而略↓

當(dāng)溫度進一步增大到極端，雜質(zhì)半導(dǎo)體變得與本征半導(dǎo)體類似，PN結(jié)就不存在了。

(3)PN結(jié)的溫度特性PN結(jié)正常工作的最高溫度：

Si：150~200℃Ge：75~100℃(4)半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)a.額定電流IFb.反向擊穿電壓V(BR)管子長期運行所允許通過的電流平均值。

二極管能承受的最高反向電壓。反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonOV(BR)Isd.反向電流IRc.最高允許反向工作電壓VR為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。

VR=（1/2～2/3）V(BR)室溫下加上規(guī)定的反向電壓測得的電流。

反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonOV(BR)Isf.最高工作頻率fM二極管正向?qū)〞r的電壓e.

導(dǎo)通電壓Von反向特性擊穿特性VDI正向特性死區(qū)電壓VonOV(BR)Is半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導(dǎo)體二極管的外型平面型N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球半導(dǎo)體二極管的型號國家標準對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片雙極型晶體管（三極管）

半導(dǎo)體雙極型晶體管是電子電路重要器件，它通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起，由于兩個PN結(jié)的相互影響，使晶體管具有電流放大作用。從二極管發(fā)展到三極管，這是一個質(zhì)得飛躍。

按材料：①硅管；②鍺管按功率：①小功率管；②中功率管；③大功率管按結(jié)構(gòu)：①NPN；②PNP

半導(dǎo)體雙極型晶體管在工作過程中，管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管?；駼JT(BipolarJunctionTransistor)。

兩種類型的三極管基本結(jié)構(gòu):符號：PN結(jié)PN結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射極emitter基區(qū)基極base集電區(qū)集電極collector集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型ECB箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向PN結(jié)PN結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射極emitter基區(qū)基極base集電區(qū)集電極collector集電結(jié)發(fā)射結(jié)ECBPNP型符號：箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向常見三極管的外形：

晶體管的結(jié)構(gòu)特點：?

發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高?

集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?

基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖工藝：在N型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個窗口，將硼雜質(zhì)進行擴散形成P型(基區(qū))，基區(qū)做的很?。ㄎ⒚咨踔良{米數(shù)量級）；再在P型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進行擴散，形成N型的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠遠高于基區(qū)和集電區(qū)。再引出三個電極。平面型（NPN）三極管發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：面積最大bec表面看雙極型晶體管的放大原理歸結(jié)為：1.雙極型晶體管的工作原理外部條件：

發(fā)射結(jié)正偏；集電結(jié)反偏

內(nèi)部條件：

發(fā)射區(qū)摻雜濃度高；基區(qū)薄且摻雜濃度低；集電結(jié)面積大滿足放大條件的三種電路：ECBCEBECB共發(fā)射極共集電極共基極

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；（以NPN為例）共基極內(nèi)部載流子傳輸過程：N+NPEBC

VBEVBCVBEVBCCEB載流子的NPN管傳輸經(jīng)歷三個階段：①多數(shù)載流子注入BE結(jié)加有正向偏壓：基區(qū)空穴在正向偏壓下擴散到發(fā)射區(qū)，IpE

發(fā)射區(qū)電子擴散到基區(qū)，InE

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEVBEVBCCEBIE=InE+IpE

一般InE

>>IpE

，IpE數(shù)值很小，一般可以忽略。發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低BECNNP

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpE②基區(qū)載流子的擴散與復(fù)合N+發(fā)射區(qū)電子基區(qū)電子濃度差向前擴散集電結(jié)N區(qū)邊界空穴復(fù)合少數(shù)電子

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB+NNPEBC發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)基區(qū)集電區(qū)集電結(jié)電子在基區(qū)的擴散過程中，空穴會與那里的多數(shù)載流子電子相遇而被復(fù)合。但如果：

a.基區(qū)很薄

b.基區(qū)空穴濃度很低（要求基區(qū)施主雜質(zhì)濃度很低）則這種復(fù)合機會將大大減少，以致絕大多數(shù)電子均能經(jīng)擴散到達集電結(jié)邊界。只有少量空穴在基區(qū)中與電子復(fù)合。

N+NPIEIB-InEIpEInBBCE③集電極收集擴散電子

電子到達集電結(jié)邊界時，遇到集電結(jié)強大的電場，此電場的方向是電子產(chǎn)生漂移運動，而被“拉”入集電區(qū)，構(gòu)成集電極電流InC。此過程稱為收集。+

-集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流ICBO。ICBO在三極管內(nèi)部的傳輸過程不參與導(dǎo)電，可忽略。

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBO

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc結(jié)論：①.在N+PN管內(nèi)，空穴的傳輸過程包含三個基本環(huán)節(jié)：注入→擴散（少量被復(fù)合）→收集②.載流子傳輸過程的實現(xiàn)，使輸出的集電極電流InC

決定于輸入的發(fā)射極電流InE，即InC

≈

InE③.由于InE受正向偏壓影響極大，BE結(jié)正向偏壓的微小改變將引起正向電流InE的劇烈改變，于是InC也跟著劇烈改變。三極管的控制過程表示如下：VBE

IE

IC

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc④.電流傳輸過程能夠得以實現(xiàn)的內(nèi)部原因，完全是由于：?基區(qū)很薄?基區(qū)摻雜濃度較低。很薄的基區(qū)將兩個偏置相反的PN結(jié)聯(lián)成一個統(tǒng)一的整體，使該整體具有放大信號的能力，而非兩個孤立的二極管。因此??兩點是三極管具有放大作用的內(nèi)部條件。

2.雙極型晶體管的電流放大系數(shù)

IC=InC+ICBOIB=IpE+InB

-ICBOIE=InE+IpE三者之間關(guān)系：

IE=IC+IBN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc對于合格的晶體管：IB很小，約為1/100ICIE和IC接近（1）共基極基極作為輸入輸出的公共端

為共基極直流電流放大系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

=0.90.99。不能有電流放大的作用，但因為在收集極允許介入阻抗很大的負載，因此可獲得電壓放大和功率放大。

對于共基電路，同樣可定義交流電流放大系數(shù)

，NPNICIEIBRbVBEVCERc（2）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)：o發(fā)射極作為輸入輸出的公共端發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。IC=InC+ICBOIB=IpE+InB

-ICBOIE=InE+IpE三者之間關(guān)系：

IE=IC+IB共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)：

只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

>>1,

值在20~200之間。

管子做成后IC，與IE

的比例關(guān)系基本固定，因此能夠通過改變IB

的大小控制，這就是所謂三極管的電流放大作用。

對于發(fā)射極電路，同樣可定義交流電流放大系數(shù)

，ECBCEBECB共發(fā)射極共集電極共基極共基極直流電流放大系數(shù)：共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)：和的關(guān)系滿足公式：

對于交流與同樣也有：

3三極管的輸入特性與輸出特性

bce共射極放大電路VBEVCEICIBIE

IB=f(vBE)

VCE=const(1).輸入特性曲線（以共發(fā)射極放大電路為例）當(dāng)VCE≥1V時

VCB=VCE-VBE>0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少。當(dāng)VCE=0V時相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。NPNICIEIBVBEVCE輸入特性曲線VCE1VIB/AVBE/V204060800.40.8

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。0V0.5V(2)輸出特性曲線IC=f(VCE)

IB=const擊穿區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)123405101520截止區(qū)0IC(MA)1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)VCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)：IC=IB。NPNICIEIBVBEVCE放大區(qū)

條件：發(fā)射結(jié)正偏，VBE>0,集電結(jié)反偏，VBC<0

特點：(A)有放大特性：(B)有恒流特性：IC與VCE無關(guān)。IC(MA)

1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中VCEVBE,集電結(jié)正偏，集電極電流不再受基極電流的控制.VCE0.3VNPNICIEIBVBEVCE飽和區(qū)

條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。VBE>0,VBC>0

特點：失去放大能力，即IC＝βIB不成立,即IB不能控制IC

的變化。IC(mA)1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICBO,VBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。NPNICIEIBVBEVCE截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏VBE<0,VBC<0

。特點：IB=0時，IC

≈IE=ICBO=0，三極管CE間為開路。

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)管國家標準對半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

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

三極管半導(dǎo)體三極管的型號例如：3AX31D、3DG123C、3DK100BBJT的特點優(yōu)點垂直結(jié)構(gòu)與輸運時間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號應(yīng)用模擬電路缺點：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲電荷上升開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計參數(shù)設(shè)計BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB當(dāng)代BJT結(jié)構(gòu)特點：深槽隔離多晶硅發(fā)射極MOS場效應(yīng)晶體管MOS場效應(yīng)管(MOSFET)的結(jié)構(gòu)及符號MOS管的電流電壓特性MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)Mental-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-TransistorMIS結(jié)構(gòu)

(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體，Metal-Insalator-Semiconductor)半導(dǎo)體絕緣層金屬MIS結(jié)構(gòu)實際就是一個電容當(dāng)M——S兩端加電壓后，

M—S兩端相對的兩個面上被充電。I金屬：自由電子密度高，電荷分布在一個原子厚度的范圍內(nèi)半導(dǎo)體：自由載流子密度低，電荷分布在一定厚度的表面層根據(jù)金屬—半導(dǎo)體間所加電壓VG的變化，半導(dǎo)體的電荷分布，表面電勢的變化，分為堆積、耗盡、反型三種情況。以P型半導(dǎo)體為例：(1)多數(shù)載流子堆積

VG<0(金屬接負)表面層出現(xiàn)空穴堆積而帶正電荷能帶向上彎曲。SM－+(2)多數(shù)載流子耗盡

VG>0(金屬接正)半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子電子會到表面與空穴復(fù)合，同時表面處的空穴被排斥，電子留在表面。表面處空穴的空穴濃度比內(nèi)部低得多，能帶向下彎曲M+－(3)少數(shù)載流子反型

VG>0(金屬接正)VG繼續(xù)增大，表面處電子濃度增加并超過空穴的濃度，形成與原來半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相反的一層，叫反型層。M+－場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道2.MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖L溝道長度W溝道寬度D(Drain)為漏極G(Gate)為柵極S(Source)為源極NMOSD(Drain)為漏極，G(Gate)為柵極，S(Source)為源極，P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGBN型襯底(摻雜濃度低)P+P+SDGBPMOSSGDBSGDB符號

增強型P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGBD(Drain)為漏極G(Gate)為柵極S(Source)為源極MOSFET的結(jié)構(gòu)是完全對稱的，不加偏壓下，無法區(qū)分那一端是源極，那一端是漏極。對于NMOS，加偏壓后，將電位低的一端稱源極，電位高的一端呈漏極，電流方向從漏極流向源極。PMOS相反。P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGB用擴散的方法制作兩個N+區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層用金屬引出源極S和漏極D在絕緣層上噴金屬鋁（鋁銅硅）引出柵極G工藝

漏極和源極間的區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道SiO2

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管（MOSFET

）

柵極和其它電極及襯底之間是絕緣的，所以又稱為絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET

）

P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGB3工作原理（以增強型NMOS為例）

絕緣柵場效應(yīng)管利用VGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。正常工作時，VGB>0，源極S和漏極D與襯底之間的pn結(jié)必須加電壓。VGS>0，VDS>0且VGS>VDS

P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGB（1）假定VGS=0兩個N+被各自的空間電荷包圍,漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)。無論漏源之間加何種極性電壓，總有一個PN結(jié)是反偏的。且只有很小的反偏電流，可認為ID=0。VGSID=0P型襯底N+N+SDGBVDSSBD（2）假定VGS>0（很?。┐怪庇谝r底表面產(chǎn)生電場VGSID=0N+N+SDGBVDSP型襯底--電場將兩個N+的多子電子和P襯底中少子電子吸引到表層與空穴復(fù)合。排斥空穴，留下負空間電荷。VGS很小時，源、漏極被空間電荷隔斷。（3）假定VGS增加使導(dǎo)電溝道剛剛形成的VGS稱為開啟電壓VGS(th)(或VT)VGSN+N+SDGBVDSP型襯底空間電荷區(qū)電場將兩個N+的電子和P襯底中電子繼續(xù)吸引到表層與空穴復(fù)合。排斥空穴，最終電子濃度>空穴濃度。形成反型層。兩個N+相通，源、漏極間形成N型導(dǎo)電溝道。VGS足夠大時,形成導(dǎo)電溝道，如此時加有漏源電壓VDS，就可以形成漏極電流ID。VDS>0導(dǎo)電溝道形成后，VDS越大，ID越大。導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻,VGS越大此電阻越小。VGSID>0N+N+SDGBVDSP型襯底柵極電壓——縱向電場漏源電壓——橫向電場

在柵極上電壓為0時，漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)。且相隔很遠，可認為ID=0。

當(dāng)柵極上加一定的電壓后，源漏之間加電場后會有明顯的電流通過。

由于器件的電流是由電場控制的，這就是場效應(yīng)管的由來。VGSID=0P型襯底N+N+SDGBVDSVGSID>0N+N+SDGBVDSP型襯底VDS>0這種在VGS=0時沒有導(dǎo)電通道，而必須在柵極上加一定的電壓才形成的溝道的MOS管，稱增強型MOS晶體管VGSP+P+SDGBVDSN型襯底兩個P+相通，源、漏極間形成P型導(dǎo)電溝道?？臻g電荷區(qū)PMOS4場效應(yīng)晶體管的直流特性A轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)VGS<VT時，導(dǎo)電溝道還沒有形成，ID≈0。當(dāng)VGS>VT時，導(dǎo)電溝道已形成，VDS>0,產(chǎn)生聲漏源電流。隨著VGS的增大，ID也增大。VT無溝道有溝道(1)增強型NMOSVGSP+P+SDGBVDSN型襯底B輸出特性曲線線形區(qū)（可變電阻區(qū)）飽和區(qū)(恒流區(qū))擊穿區(qū)（截止區(qū)）VGSP+P+SDGBVDSN型襯底VDS

小，VGSVDS>VT線形區(qū)（可變電阻區(qū)）加在平板電容器電位差溝道最左—柵極近源VGS

溝道最右—柵極近漏VGS

VDS

差不多整個溝道厚度變化不大——ID隨VDS線形變化VGSID>0N+N+SDGBVDSP型襯底VDS/VOID/mA飽和區(qū)(恒流區(qū))VDS↑,

VGS

VDS=VT

VDS作用于溝道兩端電位差VGSVGS

VDS

不同整個溝道厚度不均——ID隨VDS增加緩慢VGS

VDS=VT

，右端溝道消失——溝道夾斷VGSID>0SDGBVDSP型襯底N+N+擊穿區(qū)（截止區(qū)）飽和區(qū)過后，VDS↑,

晶體管進入擊穿區(qū)柵調(diào)制擊穿溝道雪崩擊穿源漏擊穿SGDBVGSID>0N+N+SDGBVDSP型襯底P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGB常閉柵極上必須加高于V