第2章 半導體器件基礎

第二章半導體器件基礎

計算機電路基礎上海第二工業(yè)大學計算機與信息學院第2章半導體器件基礎學習要點：PN結(jié)的形成和單向?qū)щ娦?/p>

二極管的伏安特性半導體三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理三極管的伏安特性MOS場效應管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性曲線結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性曲線第2章半導體器件基礎2.3半導體三極管2.4場效應管2.2PN結(jié)與半導體二極管2.1半導體基礎知識退出2.1半導體基礎知識2.1.1半導體及其特點2.1.2本征半導體2.1.3N型半導體退出2.1.4P型半導體2.1.1半導體及其特點導體、半導體和絕緣體導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。硅、鍺等半導體材料之所以得到廣泛的應用，主要是因為它們的導電能力具有一些特殊的方面。

1.熱敏性：半導體的電阻率隨溫度升高而顯著減小。

常用于檢測溫度的變化。

對其他工作性能有不利的影響。2.光敏性：在無光照時電阻率很高，但一有光照電阻率則顯著下降。

利用這個特性可以制成光敏元件。雜敏性：在純凈的半導體中加入雜質(zhì)，導電能力猛增幾萬倍至百萬倍。利用這個特性可以制造出具有不同性能用途的半導體器件。2.1.2

本征半導體一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝可以將半導體制成晶體。

現(xiàn)代電子學中用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子自由電子移走后而留下的空穴共價鍵共有價電子所形成的束縛作用共價鍵結(jié)構(gòu)、自由電子、空穴

共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。

本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。

空穴帶正電，運動相當于正電荷的運動。

本征半導體的載流子濃度受溫度的影響很大。是影響半導體導電性能的重要因素。

在本征半導體中有電子和空穴2種載流子，而金屬導體中只有電子一種載流子，但在本征半導體中載流子的濃度遠遠低于后者，所以導電能力不如金屬。雜質(zhì)半導體：在純凈的半導體單晶體中有選擇地摻入微量雜質(zhì)元素，并控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量。

雜質(zhì)可以提高半導體的導電能力，并可以精準的控制半導體的導電能力。根據(jù)加入的雜質(zhì)不同可以分為N型半導體和P型半導體2.1.3N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，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的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，因此也稱為施主原子。雜質(zhì)原子提供的多余電子雜質(zhì)原子失去一個電子成為正離子N型半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

N型半導體中的載流子是什么？因為摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。2.1.4P型半導體

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，因此也稱為受主原子。鄰近電子只空位留下可移動空穴可移動的空穴雜質(zhì)原電子接受一個電子成為負離子P型半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

P型半導體中的載流子是什么？P型半導體中空穴是多子，電子是少子。

雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。2.2PN結(jié)與半導體二極管2.2.1PN結(jié)的形成2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3PN結(jié)電容2.2.8特種二極管2.2.4二極管的基本結(jié)構(gòu)2.2.5二極管的伏安特性2.2.6二極管的主要參數(shù)2.2.7二極管的等效電路及應用2.2PN結(jié)與半導體二極管載流子的漂移運動和擴散運動

漂移運動：在電場力的作用下，半導體中的載流子產(chǎn)生定向運動。形成的電流叫漂移電流。電場越強，載流子漂移速度越高；載流子的濃度越大，參與漂移運動的載流子數(shù)目越多，漂移電流就越大。擴散運動：當半導體受光照射或有載流子從外界注入時，半導體內(nèi)載流子濃度分布不均勻。這時載流子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動。載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散電流。

P型區(qū)

空間電荷區(qū)

N型區(qū)自建電場空穴是多數(shù)載流子自由電子是多數(shù)載流子2.2.1PN結(jié)的形成

空間電荷區(qū)是個載流子缺少的地區(qū)，所以電阻率很高，是高阻區(qū)。也把它叫做耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層等。2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?221IFUF1′2′2′1′內(nèi)電場外電場PN外電場2112IRUF2′1′1′2′內(nèi)電場PNPN結(jié)加正向電壓PN結(jié)加反向電壓內(nèi)電場被削弱內(nèi)電場被加強

PN結(jié)加正向電壓（正向偏置)的意思就是：P區(qū)接電壓正極和N區(qū)接電壓負極。

PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）的意思就是：

P區(qū)接電壓負極和N區(qū)接電壓正極。PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)論：外加正向電壓時，空間電荷區(qū)變窄，流過一個較大的正向電流。外加反向電壓時，空間電荷區(qū)變寬，流過一個很小的反向飽和電流。1.結(jié)電容

工作原理

在外加反向電壓時作用顯著，而外加正向電壓時作用不明顯。

無線電接收設備中的自動頻率控制，就是應用結(jié)電容大小的變化來達到自動調(diào)諧的目的。

2.擴散電容

工作原理

與通過其中的電流成正比。

在PN結(jié)正向?qū)〞r擴散電容的數(shù)值較大，反向截止時擴散電容的數(shù)值較小可以忽略。2.2.3PN結(jié)電容2.2.4二極管的基本結(jié)構(gòu)由一個PN結(jié)外加電極引線組成結(jié)構(gòu)和類型陽極N型鍺片

陰極引線引線陽極陰極引線引線

陽極ak陰極

陽極引線

PN結(jié)

金銻合金

底座

陰極引線

(a)

觸絲外殼

鋁合金小球

（b）

N型硅

PNP型支持襯底（c）

（d）陽極ak陰極（a）點接觸型；（b）面接觸型；（c）平面型；（d）符號二極管的伏安特性：分為三部分

正向特性：死區(qū)電壓（硅：0.5V；鍺0.1V）反向特性：加反向電壓，反向電流很小。

反向擊穿特性：反向擊穿電壓UBR一般在幾十伏以上。2.2.6二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IFM

二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UBR

二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。3.最大反向電流

IRM反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅二極管的反向飽和電流一般為nA數(shù)量級，而鍺二極管的反向飽和電流一般為uA數(shù)量級。當二極管的工作頻率超過這個數(shù)值時，二極管將失去單向?qū)щ娦?。它主要由PN結(jié)的結(jié)電容和擴散電容的大小來決定。4.最高工作頻率FM

5.微變電阻rDiDuDIDUDQ

iD

uDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。2.2.7二極管的等效電路及應用理想二極管等效電路

考慮正向壓降的等效

a-+

kΔuZ

uZ

iZ/mA

uZ/V

A

C

ΔiZ

O

主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ動態(tài)電阻rz穩(wěn)定電流Iz額定功耗PZM和最大穩(wěn)定電流IZM電壓溫度系數(shù)2.2.8特種二極管__穩(wěn)壓管其它特殊功能和特殊用途的二極管：肖特基二極管：金屬－半導體結(jié)。具有單向?qū)щ娦浴?/p>

特點：儲存電荷時間小，開關時間短

死區(qū)電壓很小，0.3V左右。變?nèi)荻O管：反向偏置時電阻很大。

特點：電容數(shù)值很小，用于高頻電路。發(fā)光二極管：多用于工程中。

特點：光的頻率較高，波長較短呈綠色。

死區(qū)電壓比普通二極管高，1.6V以上。

應用時在二極管加正向電壓，并接入相應的

限流電阻，發(fā)光強度基本上和正向電流大小

成線性關系。光電二極管：工作在反向電壓下。

用于光控器件和光電轉(zhuǎn)換器件。

又叫光敏二極管。2.3半導體三極管一、三極管結(jié)構(gòu)簡介二、三極管的電流放大原理三、三極管共射特性曲線四、三極管的主要參數(shù)兩個PN結(jié)構(gòu)成：NPN型結(jié)構(gòu)示意圖NPN型符號PNP型符號基極一、三極管結(jié)構(gòu)簡介三極管有：

三個極：

三個區(qū)：

兩個結(jié)：作為一個具有放大能力的元件，晶體管三個區(qū)特點：發(fā)射區(qū)：多數(shù)載流子濃度很高。基區(qū)：多數(shù)載流子濃度很低且很薄。集電區(qū)：面積較大，利于收集載流子。上面說的這3個特點是晶體管有放大作用的基礎。三極管內(nèi)部機構(gòu)特點決定了其外部特性。思考：例如NPN晶體管的電流分配關系和放大作用:

三極管工作在放大狀態(tài)的外部條件：PN結(jié)內(nèi)部載流子的擴散與漂移晶體管內(nèi)部載流子運動規(guī)律和電流分配二、三極管電流放大作用電流放大作用：回顧：放大內(nèi)部特性和外部條件三、三極管共射特性曲線工程上一般把整個輸出特性曲線分為3個不同性質(zhì)的區(qū)域：四、三極管的主要參數(shù)(簡介以下幾個:)1、共發(fā)射極電流放大系數(shù)

（線性工作區(qū)）表示的是集電極電壓一定時，集電極電流和基極電流之間的關系。2、集電極－基極反向飽和電流ICBO指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時產(chǎn)生的電流3、穿透電流ICEO是基極開路，集電極與發(fā)射極間加反向電壓時的集電極電流4、集電極最大允許耗散功率PCM這個功率與環(huán)境溫度和散熱條件有關。5、特征頻率fT

（線性工作區(qū)）下降到等于1時的頻率。6、共射極截止頻率f

下降到0的0.707倍時的頻率。溫度對晶體管參數(shù)的影響溫度對ICBO的影響

這個電流是少數(shù)載流子形成的電流，大小與電子濃度有關。一般溫度每升高10度，電流增加一倍。溫度對

的影響

溫度升高時

隨之增大溫度對基－射極間正向電壓的影響

溫度升高時，對于同樣的發(fā)射極電流，晶體管所需的UBE減少。2.3.6特種三極管肖特基三極管：一個雙極型三極管的基極與集電極間并聯(lián)一個肖特基二極管?？梢允谷龢O管的開關時間大為縮短。光敏三極管：電流受外部光照控制。

基區(qū)的面積較大，發(fā)射區(qū)面積較小。光電耦合管：由發(fā)光二極管和光電二極管或光電三極管組成。優(yōu)點是信號回路與輸出回路完全隔離，可以各自采用獨立的電源系統(tǒng)。適合于長距離信號傳輸。2.4場效應管2.4.1N溝道增強型絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.4.2N溝道增強型絕緣柵場效應管的伏安特性和主要參數(shù)2.4.3MOS管的4種基本類型及其特點2.4.4結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.4.5結(jié)型場效應管的特性曲線場效應晶體管：用FET表示

是一種電壓控制型元件，工作時不需要從信號源汲取電流，呈現(xiàn)出極高的輸入電阻。分為絕緣柵場效應管和結(jié)型場效應管兩種。絕緣柵型場效應管有兩種類型：增強型MOS場效應管

導電溝道只在加入柵極電壓時才能產(chǎn)生。耗盡型MOS場效應管

導電溝道在管子制成后就存在了，當加入柵極電壓后可以改變溝道的寬度。按導電溝道載流子的類型不同還可以分為N溝道（載流子為電子）和P溝道（載流子為空穴）N溝道增強型絕緣柵場效應管結(jié)構(gòu)和符號（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）符號絕緣型場效應管：金屬－氧化物－半導體場效應管簡稱MOS管。2.4.1N溝道增強型絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)和工作原理N型（感生）溝道迅速增大iddUDSUGS+-襯底引線gs+-N+N+襯底引線耗盡層二氧化硅sgd鋁N+N+UDS-+P（a）（c）N+N+耗盡層N型（感生）溝道sgdUDSUGS+-襯底引線N+N+sgdUDSUGS+-襯底引線飽和夾斷區(qū)id+-P（b）（d）N溝道增強型絕緣柵場效應管的基本工作原理示意圖（a）uGS＝0時，沒有導電溝道；（b）uGS＞VT時，出現(xiàn)N型溝道；（c）uDS較小時，iD迅速增大；（d）uDS較大出現(xiàn)夾斷時，iD趨于飽和當柵－源極不加電壓，漏－源極之間沒有導電溝道時，不能導電當柵－源極加電壓，在電場力的作用下，把P型區(qū)內(nèi)的電子吸到柵極下，當數(shù)量超過空穴后，就轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，從而形成一個溝道。是NMOS管的開啟電壓iD/mAⅠ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)5V4VuGS=3VuDS=10V4iD/mA3048121620uDS/V0246

uGS/V23121（a）（b）N溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線（a）輸出特性曲線；（b）轉(zhuǎn)移特性曲線可變電阻區(qū)：當uGS＞VT，工作于這個區(qū)域夾斷區(qū)：當uGS<VT時，管子不導電。恒流區(qū)：當uGS升高到一定大小時，漏極電流不再增加。擊穿區(qū)：由于漏極與襯底之間的P－N結(jié)反向偏置，電壓過高而擊穿所致。轉(zhuǎn)移特性：因為沒有輸入電流，所以用輸入電壓和輸出電流來表示，故叫轉(zhuǎn)移特性。MOS場效應管工藝簡單，易于集成，所以廣泛應用在集成電路制造中。4種MOS場效應管的電路符號：（a）N溝道增強型（b）N溝道耗盡型（c）P溝道增強型（d）P溝道耗盡型圖中柵極不直接和溝道接觸，表示柵極是與源、漏極絕緣的，柵極的引線畫在靠近源極的一段，在增強型中，S、D和襯底是斷開的，表示溝道還沒有形成。N溝道耗盡型絕緣柵場效應管結(jié)構(gòu)示意圖d（漏極）耗盡層N型溝道PPg（柵極）s（源極）（a）（b）（c）結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號（a）N溝道結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)；（b）N型溝道符號；（c）P型溝道符號

PPNgdsRdiD較大UDDPPNgdsRdiD減小UDDUGGPPgdsRdiD