第六章半導(dǎo)體器件

本章主要內(nèi)容6.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識6.2晶體二極管 6.3晶體三極管 6.4場效應(yīng)管 第六章半導(dǎo)體器件6.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體.常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。1、本征半導(dǎo)體（1）化學(xué)成分純凈、物質(zhì)結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。（2）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu):最外層都有四個價電子;每一個價電子都和鄰近原子的價電子組成一對共價鍵，形成相互束縛的關(guān)系。（3）本征半導(dǎo)體具有穩(wěn)定的狀態(tài)物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體（4）本征激發(fā):溫度或外界光照影響下，價電子得到能量，其中少數(shù)獲得足夠能量的價電子會掙脫共價鍵的束縛而形成自由電子,這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。（5）電子－空穴對:價電子脫離了共價鍵束縛后，在原共價鍵中缺少一個應(yīng)有的電子而留下了“空穴”，形成電子－空穴對.“空穴”因失去電子而形成的，被視為帶單位正電荷.（6）復(fù)合:帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補(復(fù)合)，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。（7）載流子空穴(+)和電子(-)都是帶電的粒子，稱為載流子.空穴和電子的運動是雜亂無章的,在本征半導(dǎo)體中不構(gòu)成電流。（8）激發(fā)和復(fù)合的動態(tài)平衡:在外界環(huán)境影響下，電子和空穴的激發(fā)和復(fù)合是同時進行的，并保持動態(tài)平衡，使電子－空穴的濃度保持不變。隨著溫度的升高，本征激發(fā)會提高電子－空穴對濃度。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中空穴(+)和電子(-)是等量的而且很少.雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它(雜質(zhì))元素。

摻雜的元素不同，分為P型(雜質(zhì))半導(dǎo)體和N(雜質(zhì))型半導(dǎo)體。（1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入五價的磷(P)或銻(Sb)元素，雜質(zhì)原子代替本征半導(dǎo)體晶格中的某些鍺或硅的原子，并提供一個多余價電子，它僅受本身原子核的吸引，只要獲得少量的能量就能掙脫原子核的束縛而成為自由電子。五價的雜質(zhì)元素提供多余的價電子，稱此雜質(zhì)為施主雜質(zhì)。摻入施主雜質(zhì)后的半導(dǎo)體中自由電子的濃度遠大于空穴，這樣的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子.

N型半導(dǎo)體簡化結(jié)構(gòu)空穴五價的雜質(zhì)原子由于給出一個價電子后成為帶正電荷的離子,它被束縛在半導(dǎo)體晶格中不能移動而不能參與導(dǎo)電。（２）P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體鍺或硅中摻入三價的元素，如硼、鎵、銦等。三價元素的原子代替本征半導(dǎo)體晶格中（鍺或硅）的原子。由于三價元素只有三個價電子，使第四對共價鍵留下“空穴”，鄰近原子共價鍵上的電子只需獲得少量的能量就能填補這個空穴，三價的雜質(zhì)元素的原子能接受電子，故稱為受主雜質(zhì)。摻雜后的半導(dǎo)體中空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子，這樣的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。負離子多子空穴少子電子Ｐ型半導(dǎo)體簡化結(jié)構(gòu)3、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的形成:純凈的半導(dǎo)體晶片上，一邊摻雜成P型半導(dǎo)體，一邊摻成N型半導(dǎo)體,如下圖.1)擴散運動:濃度的差異引起載流子的運動稱為擴散運動.擴散從P區(qū)與N區(qū)的交界處開始。空穴擴散到N區(qū)與電子復(fù)合，在P區(qū)留下不能移動的負離子；電子擴散到P區(qū)與空穴復(fù)合.在N區(qū)留下不能移動的正離子。2)空間電荷區(qū):在P區(qū)和N區(qū)的交界附近形成一個不能移動的正、負離子的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。3)漂移運動:由正、負離子組成的空間電荷區(qū),其電場是由N區(qū)去指向P區(qū)，即PN結(jié)的內(nèi)電場。內(nèi)電場力阻礙多子的擴散，有利于雙方少子向?qū)Ψ竭\動(漂移運動)。漂移運動所形成的電流稱為漂移電流。4)動態(tài)平衡漂移運動方向與擴散運動方向相反，當漂移運動達到和擴散運動相等時，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。(1)PN結(jié)正向偏置:如圖 P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極.外電場消弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄，破壞了原動態(tài)平衡，多子的擴散大于少子的漂移，外電路可測到一個正向電流I，此時稱為PN結(jié)導(dǎo)通.PN結(jié)呈現(xiàn)為低電阻.2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)兩端加不同極性的電壓，就會有不同的導(dǎo)電特性。(2)PN結(jié)反向偏置:如圖---P區(qū)接電源的負極，N區(qū)接電源的正極.

使PN結(jié)變寬，破壞了原有的動態(tài)平衡，多數(shù)載流子的擴散運動受阻。由于少子的數(shù)量很少，因此，少子的漂移運動產(chǎn)生的電流很小，可忽略不計，此時稱為PN結(jié)截止。PN結(jié)呈現(xiàn)出高電阻。PN結(jié)重要的單向?qū)щ娦裕?正向偏置呈導(dǎo)通狀態(tài)，正向電阻很小，正向電流很大；反向偏置呈截止狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流很小。6.2晶體二極管1、基本結(jié)構(gòu)及分類一個PN結(jié)上引出兩個電極，加上外殼封裝,如右圖(a)。半導(dǎo)體二極管用圖(b)符號表示.加工工藝不同,二極管類型:點接觸型二極管、面接觸型、二極管平面型2、伏安特性指流過二極管的電流和加在二極管兩端電壓之間的關(guān)系，如下圖。1）當正向偏置電壓<Uth值:

正向偏置電壓不足以克服內(nèi)電場，流過二極管的電流非常小--死區(qū)2）正向偏置電壓>Uth值:

流過二極管的電流才隨電壓的增加而迅速增長—導(dǎo)通區(qū)Uth稱為二極管的死區(qū)(門限)電壓。鍺管:Uth值約為0-0.2V;硅管:Uth值約為0-0.5V。使二極管上有明顯的電流流過，鍺管正向電壓應(yīng)取(0.2~0.3)V硅管正向電壓應(yīng)取(0.6~0.7)V，這個電壓稱為二極管導(dǎo)通電壓UD(正向?qū)▔航?。

死區(qū)導(dǎo)通區(qū)UD（1）正向特性伏安特性曲線（2）反向特性:

1)反向截止狀態(tài) : 二極管加反偏置電壓時，只有少數(shù)載流子的漂移運動產(chǎn)生微小的反向電流，稱為反向飽和電流2)反向擊穿狀態(tài): 當反向電壓加大到某一數(shù)值時，反向電流將會急劇增加，---稱為反向擊穿，該反向電壓稱為反向擊穿電壓UBR。這時，二極管失去單向?qū)щ姷奶匦?。伏安特性曲線4、穩(wěn)壓二極管（1）伏安特性及符號:當二極管兩端的反向電壓加大到一定程時,反向電流急劇增加大---二極管反向擊穿特性.在這區(qū)間里，反向電流在很大范圍內(nèi)變化，而二極管兩端電壓基本不變。符號3、主要參數(shù)(1)最大整流電流---最大正向平均電流.

(2)最大反向工作電壓--二極管加反向電壓時不被擊穿的極限參數(shù)。(3)反向電流---單向?qū)щ娦阅芎脡牡闹笜?采用特殊的工藝可制作成穩(wěn)壓二極管，它在電路中能起到穩(wěn)壓的作用。它的反向擊穿是可逆的。（2）主要參數(shù)1)穩(wěn)定電壓UZ：是穩(wěn)壓二極管正常工作時的穩(wěn)壓值2)穩(wěn)定電流IZ：正常穩(wěn)壓時的最小工作電流。（3）使用穩(wěn)壓管時應(yīng)注意的問題1)應(yīng)工作在反向擊穿狀態(tài)；2)為了不使管子上的電流超過其反向擊穿電流，使用時必須串接限流電阻；3)穩(wěn)壓管串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各個管子的穩(wěn)壓值之和。6.3晶體三極管1、基本結(jié)構(gòu)及符號

通過一定工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，三極管分成兩類：NPN型和PNP型，如圖所示。三個區(qū)兩個結(jié)三個極晶體三極管又稱為雙極型三極管（BJT），簡稱三極管2、電流放大原理三極管(NPN為例)要實現(xiàn)放大的條件:內(nèi)部條件：基區(qū)很薄、發(fā)射區(qū)載流子濃度遠大于基區(qū)載流子濃度。外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置鍺管正向電壓應(yīng)>(0.2~0.3)V;硅管正向電壓應(yīng)>(0.6~0.8)V，

UCB>0

（1）發(fā)射區(qū)發(fā)射多數(shù)載流子形成IE1)發(fā)射區(qū)中多子—電子向基區(qū)擴散形成電流IEN

2)基區(qū)中多子—空穴，向發(fā)射區(qū)擴散形成電流IEP

3)兩者的電流方向相同，形成發(fā)射極電流IE

IE=IEN+IEP≈IEN

E區(qū)摻雜的濃度遠高于B區(qū)摻雜的濃度.1)少數(shù)電子在基區(qū)與空穴復(fù)合形成復(fù)合電流IBN

2)集電結(jié)反向偏置，基區(qū)和集電區(qū)的少子互向?qū)Ψ狡疲纬善齐娏鱅CBO，稱為反向飽和電流。

（2）基極電流IB（3）集電區(qū)收集載流子形成集電極電流IC1)從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的大量電子集結(jié)在集電結(jié)附近，在電場力作用下越過集電結(jié)，到達集電區(qū)，形成電流ICNIC=ICN+ICB0=IEN-IBN+ICB0(6-2)

IB=IBN+IEP-ICBO≈IBN-ICBO

(6-1)(6-1)+(6-2)得IB+IC

=

IEN+IEP=IE即IE=IB+IC（4）電流放大倍數(shù)將IC和IB的關(guān)系寫成:

稱為直流放大倍數(shù)，IC比IB的電流大得多同樣可寫成電流變化量比:稱為交流放大倍數(shù)

在實際中，兩個放大倍數(shù)在數(shù)值上很接近，常相互替換.

可看出:當IB(ΔIB)有很小的變化時，就會控制IC(ΔIC)的很大變化. 特性曲線可以通過實驗方法（如圖）或用晶體管圖示儀獲得。

3.共射輸入輸出特性曲線

射極是基極回路(輸入回路)和集電極回路(輸出回路)共有，此電路的接法稱為共發(fā)射極電路。（1）輸入特性曲線: 輸入回路的函數(shù)關(guān)系式：

IB=f(UBE)│UCE=常數(shù)

UCE為常數(shù)時，基極回路中基極電流IB與UBE的關(guān)系曲線.特性曲線相當于二極管的正向伏安特性曲線輸入特性曲線（如圖）：

IB=f(UBE)│UCE=常數(shù)

OUBEIBUCE=0VUCE≥1V當UCE=0，晶體管相當于兩個二極管的正向并聯(lián)，其特性曲線與二極管的正向伏安特性曲線相似。當UCE1時，特性曲線的形狀并不改變，曲線僅僅右移一段距離。只要UBE不變，無論怎樣增大UCE，IB都基本不變，曲線基本重合。因此，通常將UCE=1的特性曲線作為晶體管的輸入特性曲線。(2)共射輸出特性曲線基極電流IB為常數(shù)，集電極回路中IC與集電極、發(fā)射極間電壓UCE的關(guān)系曲線。函數(shù)關(guān)系式為:

IC=f(UCE)│IB=常數(shù)完整的輸出特性曲線如右圖.OUCE/VIC/mAIB=0IB=20μA截止飽和放大406080100三個工作區(qū)域，代表三極管的三個不同的工作狀態(tài)。(1)截止區(qū)：位于輸出特性曲線的最下端，IB=0曲線以下區(qū)域。 三極管的兩個結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，即

UBE<0，UBC<0此時IC=IB=ICBO≈0，三極管不導(dǎo)通(截止)。(2)放大區(qū)： 在輸出特性曲線區(qū)域的中間部分，是由一族近乎水平的直線組成。發(fā)射結(jié)(UBE>0)正向偏置，集電結(jié)(UBC<0)反偏狀態(tài)。特點：(3)飽和區(qū)： 當UCE<0.7時，三極管處在飽和區(qū)工作。 三極管的兩個結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)，即UBE>0，UBC>0 可看出：IC電流不受IB的控制，IC和IB已不符合β的關(guān)系。OUCE/VIC/mAIB=0IB=20μA截止飽和放大4060801002)IB一定時，IC基本不隨UCE的變化而變化，具有恒流特性。1)三極管導(dǎo)通,電流特點符合IC=βIB的放大關(guān)系。（2）極間反向電流1)集－基反向飽和電流ICBO2)集－射穿透電流ICEO

ICBO是發(fā)射極開路時，集—基反向飽和電流。通常希望ICBO越小越好。在溫度穩(wěn)定性方面，硅管比鍺管好。ICEO是基極開路時，從集電極直接穿透晶體管到達發(fā)射極的電流。ICEO越小則其溫度的穩(wěn)定性就越好。4、三極管主要參數(shù)選擇和使用三極管的重要依據(jù)。（1）共射極直流交流放大系數(shù):1）集電極最大允許電流ICM集電極電流IC超過一定值時，值要下降，當降到原來值的2/3時，對應(yīng)的IC稱為ICM。（3）極限參數(shù)2）集電極最大允許耗散功率PCM集電極耗散功率的定義為PC=UCEIC三極管在工作時，工作電壓UCE主要落在集電結(jié)上。IC流過集電結(jié)時要產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫上升，會引起三極管參數(shù)發(fā)生變化。 若實際使用功率PC超過PCm，將使管子發(fā)熱嚴重而損壞。由U(BR)CEO、PCM、ICM共同確定晶體管的安全工作區(qū)，如圖所示。3）反向擊穿電壓集－射極之間電壓超過U(BR)CEO時，集電極電流會大幅度上升，此時，晶體管被擊穿而損壞。Ｕ(BR)CEO——基極開路時,集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。Ｕ(BR)CBO——發(fā)射極開路時,集電極-基極間的反向擊穿電壓。Ｕ(BR)EBO——集電極開路時,發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓,此電壓一般較小,僅有幾伏左右。6.4場效應(yīng)管三極管:輸入電流控制輸出電流---電流控制器件.場效應(yīng)管:用輸入電壓控制輸出電流---電壓控制器件

種類:場效應(yīng)管(FieldEffectTransistor，簡稱FET) 按結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機理分成兩類: 一類為結(jié)型場效應(yīng)管(unctionFET，簡稱JFET)； 一類為絕緣柵型場效應(yīng)管(InsulatedGateFET，簡稱IGFET)。廣泛應(yīng)用在大規(guī)模集成電路中.

5.4.1絕緣柵型場效應(yīng)管

由金屬(Metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)管構(gòu)成，簡稱MOS管 種類:分為N溝道和P溝道(NMOS和PMOS)，每種溝道中又有增強型和耗盡型之分，共有四種類型。增強型場效應(yīng)管:輸入端(柵源)電壓為零時，管子內(nèi)部沒有導(dǎo)電溝道，場效應(yīng)管產(chǎn)生電流。耗盡型場效應(yīng)管:柵源電壓為零時，管子內(nèi)部已經(jīng)存在了導(dǎo)電溝道，當場效應(yīng)管加上漏源電壓，就有電流存在。

1.絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu):以N溝道增強型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)為例,如圖所示。1)低摻雜的P型硅片作為襯底2)上面制成兩個相距很近的摻雜濃度很高的N+型區(qū)(N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)).3)分別安置兩個電極(源極S和漏極D)。4)在兩個N+型區(qū)之間的硅表面上做一層二氧化硅的氧化膜，再安置一個金屬電極(柵極G)。5)襯底B的大部分是和源極S相連，也有單獨引出的(B)。特點:(1)柵極G同半導(dǎo)體P是絕緣; 因而柵源之間的電阻(輸入電阻)RGS有極高的阻值.(2)在N+型的漏區(qū)和N+型的源區(qū)之間被P型的襯底所隔開，形成了兩個背靠背的PN+結(jié)。 在UGS=0時，不管漏極D和源極S之間加上何種極性的電壓，這兩個背靠背的PN+結(jié)，總有一個反向偏置，都不能使漏極D和源極S之間產(chǎn)生電流，即漏極電流ID=0。電路符號如右圖所示。場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

如圖連接:

(1)加UGS>0，源極S和P型的襯底相連接.在靠 近絕緣層表面P區(qū)一側(cè)感應(yīng)出負電荷。感 應(yīng)負電荷隨著UGS加大而增多，產(chǎn)生N+型 層---稱為反型層。在兩個N+型區(qū)之間形 成了一條N型的導(dǎo)電溝道. 形成N型導(dǎo)電溝道的柵源電壓UGS 稱為開啟電壓UGS(th)。(2)這時如加正電壓UDS