半导体物理和器件物理基础

1、 半导体物理和器件物半导体物理和器件物理基础理基础固体材料：超导体固体材料：超导体: 大于大于106( cm)-1 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1？什么是半导体？什么是半导体原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构： 构构 成成 一一 个正四面体，个正四面体， 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2. 半导体中的载流子：能

2、够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子

3、能级 能带能带价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构本征载流子浓度：本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关4. 本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓

4、度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p5.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如带正电的离子。如Si中掺的中掺的P 和和As 施主能级施主能级受主能级受主能级杂质

5、能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态6. 6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时(质量作用定律质量作用定律):N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子7. 电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主

6、和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Nan型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na举例 掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？( ) 10310incm8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导体中由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的

7、产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9. 9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率pnqpqn1mq单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载 流 子 的 漂 移 运 动 ：载 流 子 的 漂 移 运 动 ： 载 流 子 在 电 场 作 用 下 的 运 动载 流 子 在 电 场 作 用 下 的 运 动 引引 入入 迁迁 移移 率率

8、 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格散射（ 热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射mq扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复

9、合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程重 点 半导体、半导体、N N型半导体、型半导体、P P型半导体、本征半导体、型半导体、本征半导体、非本征半导体非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合*据统计：半导体器件主要有据统计：半

10、导体器件主要有67种，另种，另外还有外还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格PN结和晶体管结和晶体管N型半导体P型半导体PN结PN（具有奇特的性质）（具有奇特的性质）微电子器件的基础 在一块在一块n型（或型（或p型）半导体单晶上，用适当型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把离子注入法等）把p型（或型（或n型）杂质掺入其型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有中，

11、使这块单晶的不同区域分别具有n型和型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。结。PN结的形成结的形成PN1）合金法制备）合金法制备pn结结 把一小粒铝放在一块把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄型硅薄层，它和层，它和n型硅衬底的交界面处即为型硅衬底的交界面处即为pn结。结。 n SiAI n Si液体液体 n SipNDNAN(x)xp n

12、合金结的杂质分布：合金结的杂质分布： 突变结突变结2）扩散法制备）扩散法制备pn结结 通过氧化、光刻、扩散等工艺形成通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结 。 n SiSiO2 n Si n SiPNDNA (x)N(x)xp n杂质分布：杂质分布： 缓变结缓变结N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +以以N型半导体为基片型半导体为基片通过半

13、导体扩散工艺通过半导体扩散工艺使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(1) 在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散区扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

14、+ + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(2) 在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散区扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -N+ + + + + + +

15、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 即即PN结结空间电荷层空间电荷层N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

16、- 形成内建电场形成内建电场内电场方内电场方向向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 无外加电场：无外加电场：当扩散和漂移运动达到平衡后当扩散和漂移运动达到平衡后; PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示p-n结能带图结能带图EC EfnEV EC Ef pEV- - - - - -空间电荷区空间电荷区EFx qVDqVDp区能带相对

17、向上移，区能带相对向上移， n区能带向下移，区能带向下移，费米能级相等，费米能级相等， n-p结达平衡状态，没有结达平衡状态，没有净电流通过。净电流通过。 能带弯曲，电子从势能低的能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的区向势能高的p区运区运动时，必须克服这一势能动时，必须克服这一势能“高坡高坡”，才能到达，才能到达p区；区；同理，空穴也必须克服这一势能同理，空穴也必须克服这一势能“高坡高坡”，才能，才能从从p区到达区到达n区，这一势能区，这一势能“高坡高坡”通常称为通常称为p-n结结的势垒，故空间电荷区也叫的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。势垒区。p-n结两边的掺杂浓度温度禁带宽度1 PN结结单

18、向导电特性单向导电特性a a 正向偏置正向偏置( (外加正向电压外加正向电压) ) b b 反向偏置反向偏置( (外加反向电压外加反向电压) )2 2 PNPN结结伏安特性伏安特性3 PN3 PN结结电容特性电容特性a 正向偏置正向偏置(外加外加正向正向电压电压) P 区 空间电荷区 N 区PN 结及其内电场内电场方向 空间电荷层变薄空间电荷层变薄内建电场减弱内建电场减弱pn结电阻很小结电阻很小xV(x)VDVD-V1 PN结结单向导电特性单向导电特性- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

19、- - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPN结正向偏置结正向偏置内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄多子进行扩散多子进行扩散- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPN结正偏动画演示结正偏动画

20、演示P+N内建电场内建电场E Elo+ -+ -VIPN结结正偏正偏空间电荷层变薄空间电荷层变薄内建电场减弱内建电场减弱扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流扩散形成扩散形成较大较大的正向电流的正向电流IPNPN结导通结导通电压电压V V 电流电流I I 外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0Ib 反向偏置反向偏置(外加外加反向反向电压电压) P 区 空 间 电 荷 区 N 区PN 结 及 其 内 电 场内 电 场 方 向 xV(x)VDVD+V内建

21、电场增强内建电场增强pn结电阻很大结电阻很大空间电荷层变宽空间电荷层变宽PN结反偏动画演示结反偏动画演示P+N内建电场内建电场E Elo- +- +VPN结结反偏反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向电流的反向电流IRPNPN结截止结截止IRI IR R与与V V 近似无关。近似无关。当外部电压达到一当外部电压达到一定值时，反向电流定值时，反向电流几乎不随反偏电压几乎不随反偏电压变化，形成饱和电变化，形成饱和电流流反向饱和电反向饱和电流流（Is）当外电场很强当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电压超过某一数值

22、后，反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大-反向击穿。反向击穿。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30IsPN结单向导电特性结单向导电特性 PN结加结加正向电压正向电压时，电阻小，形成较时，电阻小，形成较大正向电流大正向电流ID，导通导通；PN结加结加反向电反向电压时，电阻大，形成反压时，电阻大，形成反向电流极小，向电流极小，不导通不导通(截止截止)； 这一特性称为这一特性称为单向导电性单向导电性。由前面的由前面的a、b合起来可以表述为：合起来可以表述为：VT 热电压热电压VT=KT/qISPN结反向饱和电流结反向饱和电流mV26TV在室温（在室温（T=300K) )

23、时，时，PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系PNPN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： ) 1(TSVVeII+_PN_VI（1）当）当V=0时，时，I=0（3） 当当VUT时，时，I -IS讨论讨论：（2）当）当V0，且，且VVT 时，时， TVVeIIs) 1(TSVVeIIVDI)(DVfI 2 2 PNPN结结伏安特性伏安特性VDI反向特性反向特性正向特性正向特性击击穿穿特特性性a a 有死区（有死区（I ID D00的区域）的区域） 正向电压很小，对内建电场影响小，正向电压很小，对内建电场影响小， ID0(1)V0, 正向特性正向

24、特性反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonO死区电压的大小与死区电压的大小与管子的管子的材料材料及及温度温度有关有关b b 呈现指数形式区域呈现指数形式区域硅管硅管Von=0.5V0.7V锗管锗管Von=0.1V 0.3VTVVDeIIs反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonOV Vonon(2)反向特性反向特性 (BR)DVVa a 当当SII 时时，IS硅管硅管0.10.1 A A锗管几十到几百锗管几十到几百 A A反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonOV(BR)Isb 当当

25、(BR)DVV时时反向电流急剧增大反向电流急剧增大二极管发生反向击穿二极管发生反向击穿 当反向电压足够高时，当反向电压足够高时，PNPN结内电场较强，在空间电荷结内电场较强，在空间电荷区作漂移运动的载流子不断区作漂移运动的载流子不断被加速，以致获得足够能量，被加速，以致获得足够能量，它们碰撞晶体原子，使得共它们碰撞晶体原子，使得共价键中的电子激发形成电子价键中的电子激发形成电子空穴对空穴对（碰撞电离现象），（碰撞电离现象），新产生的电子和空穴在电场新产生的电子和空穴在电场作用下加速，也获得能量，作用下加速，也获得能量，又碰撞别的晶体原子，继续又碰撞别的晶体原子，继续产生电子空穴对，这就是产生电

26、子空穴对，这就是载流子的载流子的倍增效应倍增效应. . 雪崩击穿雪崩击穿 E R 内内电电场场 外外电电场场 空空间间电电荷荷区区变变宽宽 P N I硕硕 PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿电击穿电击穿热击穿热击穿形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增，形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增，向雪崩一样向雪崩一样雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿满足空间电荷区电场强度大空间电荷区宽度大 齐纳击穿（隧道击穿）齐纳击穿（隧道击穿）空间电荷区较窄空间电荷区较窄，反向电压增加，反向电压增加 Pn结能带弯曲程度结能带弯曲程度 （可能出现（可能出现n区的区的Ec比比p区的区的EV低）低）当当x

27、 x短到一定程短到一定程度，在电场作用下，度，在电场作用下，p p区价带电子将通区价带电子将通过隧道效应穿过禁过隧道效应穿过禁带到达带到达n n区导带中，区导带中，是反向电流急剧增是反向电流急剧增加加隧道击穿隧道击穿。qVDEcxEvEcEvEgpn最初由齐纳提出解释电解质击穿现象最初由齐纳提出解释电解质击穿现象齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿：高掺杂，空间电荷层窄，低反向（击穿）电、：高掺杂，空间电荷层窄，低反向（击穿）电、 压，产生电子空穴对，反向电流增大。压，产生电子空穴对，反向电流增大。雪崩击穿：雪崩击穿：低掺杂，空间电荷层宽，高反向（击穿）电低掺杂，空间电荷层宽，高反向（击穿）电 压

28、，撞价电子（撞出），产生电子空穴对，多压，撞价电子（撞出），产生电子空穴对，多 次重复，反向电流增大。次重复，反向电流增大。 一般地：一般地： 击穿电压击穿电压VBR 6V 的属于雪崩击穿的属于雪崩击穿 当当p pn n结上加反向电压结上加反向电压 反向电流引起热损耗反向电流引起热损耗 反向饱和电流反向饱和电流 如此反复循环下去，最后发生热电击穿如此反复循环下去，最后发生热电击穿。热电击穿热电击穿热击穿（大电流）热击穿（大电流）不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 电压越大，对应损耗的功率也越大。如果没有良好的电压越大，对应损耗的功率也越大。如果没有良好的散热

29、条件使这些热能及时传递出去，可能发生热击穿散热条件使这些热能及时传递出去，可能发生热击穿正向区：正向区：温度升温度升高，曲线左移高，曲线左移反向区：反向区：温度升高，曲线下移温度升高，曲线下移 当温度当温度TT时，时，PNPN结两边的热平衡少子浓度相应增加，结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致从而导致PNPN结的反向饱和电流结的反向饱和电流I IS S增大增大； V(on)V(on)随随TT而略而略 当温度进一步增大到极端，杂质半导体变得与本征半当温度进一步增大到极端，杂质半导体变得与本征半导体类似，导体类似，PNPN结就不存在了。结就不存在了。 (3) (3) PN结的温度特性结的温度特

30、性(4) (4) 半导体二极管的主要电参数半导体二极管的主要电参数a. 额定电流额定电流IFb. 反向击穿电压反向击穿电压V(BR)管子长期运行所允许管子长期运行所允许通过的电流平均值通过的电流平均值。 二极管能承受的最高反向电压。二极管能承受的最高反向电压。反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonOV(BR)Isd. 反向电流反向电流IRc. 最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压VR为了确保管子安全工作，为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。所允许的最高反向电压。 VR=（1/22/3）V(BR)室温下加上规定的反向室温下加上规定的反向电压测得的

31、电流。电压测得的电流。 反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonOV(BR)Isf. 最高工作频率最高工作频率fMe. 导通电压导通电压Von反向特性反向特性击击穿穿特特性性VDI正向特性正向特性死区死区电压电压VonOV(BR)Is半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号半导体二极管的外型半导体二极管的外型平面型平面型N N型硅型硅阳极引线阳极引线PNPN结结阴极引线阴极引线金锑合金金锑合金底座底座铝合金小球铝合金小球半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片

32、半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片双极型晶体管（三极管）双极型晶体管（三极管） 半导体半导体双极型晶体管双极型晶体管是电子电路重要器件，是电子电路重要器件，它通过一定的工艺，将两个它通过一定的工艺，将两个PNPN结结合在一起，由结结合在一起，由于两个于两个PNPN结的相互影响，使晶体管具有电流放大结的相互影响，使晶体管具有电流放大作用作用。从二极管发展到三极管，这是一个质得飞。从二极管发展到三极管，这是一个质得飞跃。跃。 按材料：硅管硅管；锗管锗管 按功率：小功率管小功率管；中功率管中功率管；大功率管大功率管 按结构：NPNNPN；PNPPNP 半导体半导体双极型晶体管双极型晶体

33、管在工作过程中在工作过程中，管内管内有两种载流子有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导电，参与导电，简称晶体管或三极管。 或或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 两种类型的三极管两种类型的三极管PNN PN结结 PN结结发射区发射区发射极发射极emitter基区基区基极基极base集电区集电区集电极集电极collector集电结集电结发射结发射结NPN 型型ECB箭头方向表示箭头方向表示发射结加正向发射结加正向电压时的电流电压时的电流方向方向NPPPN结结PN结结发射区发射区发射极发射极emitter基区基区基极基极base集电区集电区集电极集电极

34、collector集电结集电结发射结发射结ECBPNP 型型箭头方向表示箭头方向表示发射结加正向发射结加正向电压时的电流电压时的电流方向方向常见三极管的外形：常见三极管的外形： 晶体管的结构特点晶体管的结构特点： 发射区发射区的掺杂浓度最高的掺杂浓度最高 集电区集电区掺杂浓度低于发掺杂浓度低于发射区，且面积大；射区，且面积大； 基区很薄基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。掺杂浓度最低。管芯结构剖面图管芯结构剖面图工艺：在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，基区做的很薄（微米甚至纳米数量级）；再在 P

35、型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散，形成N型的发射区，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区。再引出三个电极。平面型（平面型（NPN）三极管）三极管bec表面看表面看双极型晶体管双极型晶体管的放大原理归结为：的放大原理归结为：1. 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理外部条件：外部条件： 发射结正偏；发射结正偏； 集电结反偏集电结反偏 内部条件：内部条件： 发射区掺杂浓度高；发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低；基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大集电结面积大满足放大条件的三种电路：满足放大条件的三种电路：ECBCEBECB共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极 共集电极接法共集电极接

36、法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CCCC表示表示; ; 共基极接法，共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CBCB表示。表示。共发射极接法，共发射极接法，发射极作为公共电极，用发射极作为公共电极，用CECE表示；表示；（以（以NPN为例）为例） 共基极内部载流子传输过程：内部载流子传输过程：N+NPEBC VBEVBCVBEVBCCEB载流子的载流子的NPN管传输经历三个阶段：管传输经历三个阶段：多数载流子注入多数载流子注入BE结加有正向偏压：结加有正向偏压： 基区空穴在正向偏压下扩散到发射区，基区空穴在正向偏压下扩散到发射区，IpE 发射区电子扩散到基区，发射

37、区电子扩散到基区，InE VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEVBEVBCCEBIE =InE+ IpE 一般一般InE IpE ， IpE数值很小，数值很小，一般可以忽略。一般可以忽略。 VBEVBCN+NPIEIB-InEIpE 基区载流子的扩散与复合基区载流子的扩散与复合N+发射发射区电子基区基区电子浓度差浓度差向前扩散向前扩散集电结集电结N区区边界空穴复合少数电子 VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB NNPEBC发射区发射区发射结发射结基区基区集电区集电区集电结集电结电子在基区的扩散过程中，空穴会与那里的多数载流子电子电子在基区的扩散过程中，空穴会与那里的多数载流子

38、电子相遇而被复合。但如果：相遇而被复合。但如果： a. 基区很薄基区很薄 b. 基区空穴浓度很低（要求基区施主杂质浓度很低）基区空穴浓度很低（要求基区施主杂质浓度很低）则这种复合机会将大大减少，以致绝大多数电子均能经扩散则这种复合机会将大大减少，以致绝大多数电子均能经扩散到达集电结边界。只有少量空穴在基区中与电子复合。到达集电结边界。只有少量空穴在基区中与电子复合。 N+NPIEIB-InEIpEInBBCE 集电极收集扩散电子集电极收集扩散电子 电子到达集电结集电结边界时，遇到集电结集电结强大的电场，此电场的方向是电子产生漂移运动，而被“拉”入集电区，构成集电极电流InC。此过程称为收集收集

39、。 P 区 空间电荷区 N 区 内电场方向 集电区和基区的少子在外电集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动场的作用下将进行漂移运动而形成而形成反向反向饱和电流饱和电流ICBO。 ICBO在三极管内部的传输过程不在三极管内部的传输过程不参与导电，可忽略。参与导电，可忽略。 VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBO VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc结论：结论：. 在N+PN管内，空穴的传输过程包含三个基本环节： 注入注入 扩散（少量被复合）扩散（少量被复合） 收集收集. 载流子传输过程的实现，使输出的集电极电流载流子传输过程的实

40、现，使输出的集电极电流InC 决定于输入的发射极电流决定于输入的发射极电流InE，即，即InC InE. 由于由于InE受正向偏压影响极大，受正向偏压影响极大，BE结正向偏压的微小改结正向偏压的微小改变将引起正向电流变将引起正向电流InE的剧烈改变，于是的剧烈改变，于是InC也跟着剧烈改也跟着剧烈改变。三极管的控制过程表示如下：变。三极管的控制过程表示如下：VBE IE IC VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc.电流传输过程能够得以实现的内部原因，完全是由于： 基区很薄 基区掺杂浓度较低。 很薄的基区将两个偏置相反的PN结联成一个统一的 整体，使该整体具有放大

41、信号的能力，而非两个孤立的 二极管。 因此 两点是三极管具有放大作用的内部条件。 2. 双极型晶体管的双极型晶体管的电流放大系数电流放大系数 IC= InC+ ICBOIB= IpE+ InB - ICBOIE=InE+ IpE三者之间关系三者之间关系 ： IE = IC+IBN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc对于合格的晶体管：对于合格的晶体管： IB很小，约为很小，约为 1/100IC IE和和 IC接近接近（1）共基极）共基极基极作为输入输出的公共端基极作为输入输出的公共端发射极注入电流传输到集电极的电流EC IIoEnC : IIo即 为为共基极直流电流放大系数共基

42、极直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般。一般 = 0.9 0.99。不。不能有电流放大的作用，但因为在收集极允许介入阻抗很大的能有电流放大的作用，但因为在收集极允许介入阻抗很大的负载，因此可获得负载，因此可获得电压放大和功率放大。电压放大和功率放大。 对于共基电路，同样可定义交流电流放大系数交流电流放大系数 ，CEIIoNPNICIEIBRbVBEVCERc发射极作为输入输出的公共端发射极作为输入输出的公共端发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 IC= InC+ ICBOIB= IpE+ InB

43、 - ICBOIE=InE+ IpE三者之间关系三者之间关系 ： IE = IC+IBBIInCoBCIIo 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。无关。一般一般 1, 管子做成后IC，与 IE 的比例关系基本固定，因此能够通过改变 IB 的大小控制，这就是所谓三极管的电三极管的电流放大作用流放大作用。 BCIIo 对于发射极电路，同样可定义交流电流放大系数交流电流放大系数 ，oCBIIECBCEBECB共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极EC IIoBCIIoo和和 的关系满足公式：的关系满足公式： o ooo1对于交流对于交流

44、 与与 同样也有：同样也有： 13 3 三极管的输入特性与输出特性三极管的输入特性与输出特性 bce共射极放大电路VBEVCEICIBIE IB=f(vBE) VCE=const(1). 输入特性曲线输入特性曲线（以共发射极放大电路为例）（以共发射极放大电路为例）当当VCE1V时时 VCB= VCE -VBE0，集电结已进，集电结已进入反偏状态，开始收入反偏状态，开始收 集电子，基集电子，基区复合减少。区复合减少。当当VCE=0V时时 相当于发射结的正向伏安特性曲线。相当于发射结的正向伏安特性曲线。NPNICIEIBVBEVCE输入特性曲线输入特性曲线VCE 1VIB/ AVBE/V20406

45、0800.40.8 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.1V。0V0.5V(2)输出特性曲线输出特性曲线IC=f(VCE) IB=const击穿区击穿区饱和区饱和区放大区放大区VVCE/mAIc/123405101520AIB0A20A100A80A60A40截止区截止区0IC(MA)1234VCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A当当VCE大于一定的大于一定的数值时，数值时，IC只与只与IB有关有关：IC= IB。NPNICIEIBVBEVCE放大区放大区 条件：条件：发射结正偏，发射结正偏， VBE0, 集电结反偏集电结反偏 ， VBC0, V

46、BC0 特点：特点：失去放大能力，即失去放大能力，即ICIB不成立不成立,即即IB不能控制不能控制IC 的变化的变化。IC(mA )1234VCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIB=0,IC=ICBO,VBE 死区电压，称为死区电压，称为截止区。截止区。NPNICIEIBVBEVCE截止区截止区条件：发射结、集电结均反偏条件：发射结、集电结均反偏 VBE0, VBC0 。 特点：特点：IB = 0时，时，IC IE=ICBO=0，三极管，三极管CE间为开路。间为开路。 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、

47、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下: :3 D G 110 B 用字母表示材料用字母表示材料 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格 三极管三极管半导体三极管的型号半导体三极管的型号例如： 3AX31D、 3DG123C3DG123C、3DK100B3DK100BBJT的特点的特点优点优点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关

48、系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电饱和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离

49、多晶硅发多晶硅发射极射极MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS场效应管场效应管(MOSFET)的结构及符号的结构及符号 MOS管的电流电压特性管的电流电压特性 MOS场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)Mental-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-TransistorMIS结构结构 (金属金属-绝缘体绝缘体-半导体，半导体，Metal-Insalator-Semiconductor)半导体半导体绝缘层绝缘层金属金属MIS结构实际就是一个电容结构实际就是一个电容当当 MS 两端加电压后，两端加电压后， MS两端相对的两个面上被充电。两端相对的两个面上被充电。

50、I金属：自由电子密度高，电荷分布在一个原子厚度的范围内金属：自由电子密度高，电荷分布在一个原子厚度的范围内半导体：自由载流子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层半导体：自由载流子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层根据金属根据金属 半导体间所加电压半导体间所加电压VG的变化，半导体的电荷分布，的变化，半导体的电荷分布，表面电势的变化，分为表面电势的变化，分为堆积、耗尽、反型堆积、耗尽、反型三种情况。三种情况。以以P P型半导体为例：型半导体为例：(1)(1)多数载流子堆积多数载流子堆积 VG0(金属接正金属接正)半导体中的少数载流子电子会到表面与空穴复半导体中的少数载流子电子会到表面与空穴复合，同

51、时表面处的空穴被排斥，电子留在表面。合，同时表面处的空穴被排斥，电子留在表面。表面处空穴的空穴浓度比内部低得多，能带向表面处空穴的空穴浓度比内部低得多，能带向下弯曲下弯曲M+(3)(3)少数载流子反型少数载流子反型 VG0(金属接正金属接正)VG继续增大，表面处电子浓度增加并继续增大，表面处电子浓度增加并超过空穴的浓度，形成与原来半导体导超过空穴的浓度，形成与原来半导体导电类型相反的一层，叫反型层。电类型相反的一层，叫反型层。M+场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道2. MOS场效应晶体管场

52、效应晶体管( (MOSFET) )晶体结构晶体结构结构示意图结构示意图L 沟道长度W 沟道宽度D(Drain)为漏极 G(Gate)为栅极 S(Source)为源极NMOS D(Drain)D(Drain)为漏极，为漏极， G(Gate)G(Gate)为栅极，为栅极， S(Source)S(Source)为源极，为源极，P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+S DGBN 型衬底(掺杂浓度低)P+P+S DGBPMOS SGDBSGDB符号 增强型P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+S DGBD(Drain) D(Drain) 为漏极为漏极 G(Gate) G(Gate) 为栅极为栅极 S(Source)

53、 S(Source) 为源极为源极MOSFET的结构是完全对称的，不加偏压下，无法区分那一端是源极，那一端是漏极。对于NMOS，加偏压后，将电位低的一端称源极，电位高的一端呈漏极，电流方向从漏极流向源极。PMOS相反。P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+S DGB用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N+区区在硅片表面生一层在硅片表面生一层薄薄 SiO2 绝缘层绝缘层用金属引出用金属引出源极源极 S 和漏极和漏极 D在绝缘层上喷金属铝在绝缘层上喷金属铝（铝铜硅）引出栅极（铝铜硅）引出栅极 G工艺工艺 漏极和源极间的区域称为导电沟道SiO2 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场

54、效应管，或简称 MOS 场效应管（ MOSFET ） 栅极和其它电极及衬底之间是绝缘的，所以又称为绝缘栅场效应管（ IGFET ） P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+S DGB3 3 工作原理工作原理（以（以增强型增强型NMOS为例）为例） 绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。正常工作时， VGB0，源极 S 和漏极 D与衬底之间的pn结必须加电压。 VGS0， VDS0 且VGSVDS P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+S DGB（1）假定）假定VGS=0 两个两个N+被各自的空间电荷包围被各自的空间电荷包围,漏

55、源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结。无论漏源之间加何种结。无论漏源之间加何种极性电压，总有一个极性电压，总有一个PN结是结是反偏的。且只有很小的反偏电反偏的。且只有很小的反偏电流，可认为流，可认为ID=0 。VGSID=0P 型衬底N+N+S DGBVDSSBD（2）假定）假定VGS0（很小）（很小）垂直于衬底表面产垂直于衬底表面产生电场生电场VGSID=0N+N+S DGBVDSP 型衬底 电场将两个电场将两个N+的多子的多子电子和电子和P衬底中少子电子吸引衬底中少子电子吸引到表层与空穴复合。排斥空到表层与空穴复合。排斥空穴，留下负空间电荷。穴，留下负空间电荷。VG

56、S很小时，源、漏极被很小时，源、漏极被空间电荷隔断。空间电荷隔断。（3）假定）假定VGS增加增加使导电沟道刚刚形成的使导电沟道刚刚形成的V VGSGS称为称为开启电压开启电压V VGSGS(th)(th)(或或V VT T) )VGSN+N+S DGBVDSP 型衬底空间电荷区空间电荷区电场将两个电场将两个N+的电子和的电子和P衬底衬底中电子继续吸引到表层与空穴中电子继续吸引到表层与空穴复合。排斥空穴，最终电子浓复合。排斥空穴，最终电子浓度度空穴浓度。形成空穴浓度。形成反型层反型层。两个两个N+相通，源、相通，源、漏极间形成漏极间形成N型型导电沟道。导电沟道。VGS足够大时足够大时,形成形成导

57、导电沟道，电沟道，如此时加有如此时加有漏源电压漏源电压VDS，就可以，就可以形成漏极电流形成漏极电流ID。VDS0导电沟道形成后，导电沟道形成后，VDS越大，越大，ID越大。越大。导电沟道相当于电阻导电沟道相当于电阻,V,VGSGS越大此电阻越小。越大此电阻越小。VGSID0N+N+S DGBVDSP 型衬底栅极电压栅极电压纵向电场纵向电场漏源电压漏源电压横向电场横向电场 在栅极上电压为在栅极上电压为0时，时，漏源之间相漏源之间相当于两个背靠背的当于两个背靠背的 PN 结。且相隔很结。且相隔很远，远，可认为可认为ID=0。 当栅极上加一定的电压后当栅极上加一定的电压后，源漏源漏之间加电场后会有

58、明显的电流通过。之间加电场后会有明显的电流通过。 由于器件的电流是由电场控制的，由于器件的电流是由电场控制的，这就是场效应管的由来。这就是场效应管的由来。VGSID=0P 型衬底N+N+S DGBVDSVGSID0N+N+S DGBVDSP 型衬底VDS0这种在这种在VGS=0时没有导电通道，而必须在栅极上加一定的时没有导电通道，而必须在栅极上加一定的电压才形成的沟道的电压才形成的沟道的MOS管，称管，称增强型增强型MOS晶体管晶体管VGSP+P+S DGBVDSN 型衬底两个两个P+相通，源、相通，源、漏极间形成漏极间形成P型导型导电沟道。电沟道。空间电荷区空间电荷区PMOS4 场效应晶体管

59、的直流特性常数DSVGSDVfI| )(A 转移特性曲线转移特性曲线当当VGSVT时，导电沟道已形成，时，导电沟道已形成，VDS0,产生声漏源电流。随着产生声漏源电流。随着VGS的增大，的增大，ID也增大。也增大。VT无沟道有沟道(1)增强型增强型NMOSVGSP+P+S DGBVDSN 型衬底常数GSVDSDVfI| )(B 输出特性曲线输出特性曲线线形区（可变电阻区）线形区（可变电阻区）饱和区饱和区( (恒流区恒流区) )击穿区（截止区）击穿区（截止区）VGSP+P+S DGBVDSN 型衬底VDS 小，小，VGS VDS VT线形区（可变电阻区）线形区（可变电阻区）加在平板电容器电位差

60、沟道最左 栅极近源VGS 沟道最右 栅极近漏VGS VDS 差不多整个沟道厚度变化不大ID随VDS线形变化VGSID0 N+ N+S DGBVDSP 型衬底VDS/VOID/mADSTGSonDVVVLWCI饱和区(恒流区)VDS, VGS VDS =VT VDS作用于沟道两端电位差 VGS VGS VDS 不同整个沟道厚度不均 ID随VDS增加缓慢VGS VDS =VT ，右端沟道消失沟道夹断VGSID0S DGBVDSP 型衬底N+N+击穿区（截止区）击穿区（截止区）饱和区过后，VDS, 晶体管进入击穿区栅调制击穿沟道雪崩击穿源漏击穿SGDBVGSID0 N+ N+S DG BVDSP 型