半導(dǎo)體器件教材

半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的特性1.2半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管§1.1

半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一大類物質(zhì)統(tǒng)稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。+32+14鍺原子硅原子硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)原子間的結(jié)合方式：以共價(jià)鍵的形式相結(jié)合共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。1.1.1本征半導(dǎo)體

+4+4+4+4自由電子

空穴2、空穴：

共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得一定的能量便激發(fā)成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴。1、定義：完全純凈的不含其它雜質(zhì)的半導(dǎo)體。+4+4+4+4

在外電場(chǎng)的作用下，價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴，這種填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動(dòng)，稱之為空穴運(yùn)動(dòng)，并將空穴看成為帶正電的載流子。

半導(dǎo)體中存在著兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。由此可見：自由電子和空穴總是成對(duì)地出現(xiàn)，成為電子-空穴對(duì)。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）：摻入三價(jià)元素的半導(dǎo)體，空穴的濃度大大高于電子的濃度。N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）：

摻入五價(jià)元素的半導(dǎo)體，電子的濃度大大高于空穴的濃度。定義：在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)

后形成的半導(dǎo)體。

一、N型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的5價(jià)元素磷（或銻），原來晶格中的某些硅原子被雜質(zhì)原子取代。+4+4+5+4多余電子磷原子

多余電子很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的正離子。

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。二、P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（或銦），原來晶格中的某些硅原子被雜質(zhì)原子取代。+4+4+3+4空穴硼原子

相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得能量后，就可能填補(bǔ)這個(gè)空位，使得硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。它們的移動(dòng)都能形成電流，但起導(dǎo)電作用的主要是多數(shù)載流子?！?.2半導(dǎo)體二極管PN結(jié)及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管穩(wěn)壓管1·2·1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸?、載流子的擴(kuò)散與漂移2、漂移：由于電場(chǎng)作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移。

對(duì)于空穴而言，其移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相同，而電子則是逆著電場(chǎng)的方向移動(dòng)。1、擴(kuò)散：

基于載流子的濃度差異和隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)速度而產(chǎn)生的載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的移動(dòng)稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散將引起擴(kuò)散電流。二、PN結(jié)的形成

將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，則在二者的交界處將形成一個(gè)PN結(jié)。空間電荷區(qū)P區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

區(qū)++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變窄。

當(dāng)擴(kuò)散和漂移最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度就固定下來。

空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)。P區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

區(qū)++++++++++++++++++++內(nèi)電場(chǎng)++++空間電荷區(qū)接觸電位差：

V0鍺材料：0.1--0.3V硅材料：0.6--0.8VP區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

區(qū)++++++++++++++++++++內(nèi)電場(chǎng)++++V0空間電荷區(qū)三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN

結(jié)外加正向電壓（正偏）是指：

P

區(qū)加正、N

區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)外加反向電壓（反偏）是指：

P區(qū)加負(fù)、N

區(qū)加正電壓。－－－－－－－－++++++++1、PN

結(jié)正偏內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變窄PNRE+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的正向電流。I正向電流空穴電流電子電流二種載流子極性不同，運(yùn)動(dòng)方向相反，電流方向一致。

在一定范圍內(nèi)，所加正向電壓越高，正向電流越大。正向電流一定值時(shí)，PN結(jié)呈低阻狀態(tài)，稱此為導(dǎo)通。2、PN

結(jié)反偏內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)+_RENP－－－－－－－－++++++++－－－－++++變寬內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散受抑制。少數(shù)載流子漂移加強(qiáng)，但數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。I≈0

反向電流很小，PN結(jié)呈高阻狀態(tài)，這種情況稱為截止。

由于少數(shù)載流子的激發(fā)與溫度有關(guān)，故溫度對(duì)反向電流影響很大。

結(jié)論P(yáng)N結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

當(dāng)正向偏置時(shí)，有較大正向電流，導(dǎo)通電阻很小，稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)反向偏置時(shí)，反向電流很小(幾乎為零)，相當(dāng)于一個(gè)非常大的電阻，稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。1.2.2

半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。點(diǎn)接觸型面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：引線外殼觸絲N型鍺晶體陽極陰極二、伏安特性曲線(V-I特性)

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線。1、正向特性外加正向電壓時(shí)的伏安特性對(duì)應(yīng)圖中①段。死區(qū)電壓：鍺管：約為0.1V硅管：約為0.5V正向?qū)▔航担烘N管：0.1V~0.3V

硅管：0.6V~0.8V鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性2、反向特性外加反向電壓時(shí)的伏安特性，對(duì)應(yīng)圖中②段。反向電流特點(diǎn)：②受溫度影響很大；①反向電壓不超過一定范圍時(shí)，其大小基本不變，即與反向電壓大小無關(guān)。鍺二極管2AP15的V-I特性反向特性3、反向擊穿特性

外加反向電壓增加到一定大小時(shí)，反向電流劇增，這叫做二極管的反向擊穿。鍺二極管2AP15的V-I特性反向擊穿特性1·2·3穩(wěn)壓管（齊納二極管）UIIU○○+-

當(dāng)反向電壓增至擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓管的反向電流急劇上升，此后反向電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓變化卻很小。一、分類按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：NPN型、PNP型按頻率分：高頻管、低頻管按功率分：小功率、大功率1·3·1BJT的分類和結(jié)構(gòu)§1.3

半導(dǎo)體三極管(BJT)二、結(jié)構(gòu)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)b基極e發(fā)射極c集電極

ebcbecNPN型PNP型NNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)b基極e發(fā)射極c集電極

PPN

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?

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(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖1、內(nèi)部載流子的傳輸過程1·3·2三極管的電流分配與放大作用載流子的傳輸過程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型晶體管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

載流子的傳輸過程2、電流分配關(guān)系IC=

αIE

為電流放大系數(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。IE=IC+IBIC=

IB?IB

是另一個(gè)電流放大系數(shù)。同樣，它也只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般

>>1。3.BJT的三種組態(tài)共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。共射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；4、放大作用

三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。1·3·3三極管的特性曲線共射極放大電路

三極管特性曲線是指三極管各極的電壓與電流之間的關(guān)系曲線。ebcVBBVCCRL＋－?vI＋－?vOiB=f（vBE）|vCE=常數(shù)一、輸入特性曲線vBE/ViB/μA0vCE=0VvCE1V0.20.40.8204060800.6ebcVBBVCCRL＋－?vI＋－?vOiBiCiEvBE+－(2)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下，IB減小，特性曲線右移。(1)當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。二、輸出特性曲線iC=f（vCE）|iB=常數(shù)截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)iC(mA)0vCE(V)4321

2

4

60A20A40A60A80AiB=bcVCCRLeVBB＋－?vI＋－?vOiBiCiEvCE+－iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A1、截止區(qū)當(dāng)UBE<0，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏，UCE≈VCC，相當(dāng)于C和E之間的開關(guān)斷開。bcVCCRLeVBB＋－?vI＋－?vOiBiCiEvCE+－2、放大區(qū)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A此區(qū)域滿足，又稱為線性區(qū)3、飽和區(qū)iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A在飽和區(qū)，UCE<UBE<1V，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏UCE≈0

，相當(dāng)于C和E之間的開關(guān)接通。bcVCCRLeVBB＋－?vI＋－?vOiBiCiEvCE+－1·4金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)增強(qiáng)型（N溝道、P溝道）耗盡型（N溝道、P溝道）就是vGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，即iD=0。就是vGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，即iD≠0。耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道

1.N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)與工作原理（1）結(jié)構(gòu)：

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)一、增強(qiáng)型MOSFET(2)工作原理（N溝道增強(qiáng)型）

1）VGS=0，沒有導(dǎo)電溝道源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論VDS的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反偏的。因此漏源之間的電阻很大，即沒有導(dǎo)電溝道，iD＝0。P型襯底N+N+sgdBiD＝02）VDS=0，VGS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響P型襯底N+N+sgdBVGSVGS>VT時(shí)，導(dǎo)電溝道開始形成,這種依靠柵源電壓的作用才形成導(dǎo)電溝道的FET稱為增強(qiáng)FET。在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電壓VGS叫做開啟電壓VTPNNsgdBVGGVDSPNNsgdBVGGVDSPNNsgdBVGGVDSVGD>VTVGD=VTVGD<VT預(yù)夾斷夾斷3）VGS一定，VDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響由左到右，VDS逐漸增大,(1)轉(zhuǎn)移特性曲線主要特點(diǎn)如下:

當(dāng)0＜uGS≤UT時(shí),iD=0。盡管uGS＞0,但無柵流。當(dāng)uGS＞UT時(shí),導(dǎo)電溝道形成,iD＞0。2.N溝道增強(qiáng)型MOS管特性曲線

分為恒流區(qū)、可變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。其特點(diǎn)為：（2）輸出特性2.N溝道增強(qiáng)型MOS管特性曲線1)截止區(qū)：UGS≤UT，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。2)恒流區(qū)：曲線間隔均勻，uGS對(duì)iD控制能力強(qiáng)。uDS對(duì)iD的控制能力弱，曲線平坦。3)可變電阻區(qū)：uGS越大，rDS越小，體現(xiàn)了可變電阻4)擊穿區(qū)：隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓uDG也隨之增大。

1.N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與工作原理（1）結(jié)構(gòu)：

增強(qiáng)型NMOS管在uGS=0時(shí)