半导体器件知识

1、半导体器件基础半导体器件基础1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 BJT1.4 BJT模型模型1.5 1.5 场效应管场效应管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电

2、子称为价电子价电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称

3、为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的同自由电子产生的同时，在其原来的共价键时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，中就出现了一个空位，称为称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多

4、。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm1038. 2 自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：

5、本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 N为为negative（负）的字头。（负）的字头。N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数

6、载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主原子施主原子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。 P为为positive（正）的字头。（正）的字头。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主原子受主原子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子

7、浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 少子漂移少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E

8、多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0电位差电位差 UO =硅硅 0.5V锗锗 0.1V2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电

9、压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正

10、向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。16 PN结的伏安特性结的伏安特性正向导通区正向导通区反向截止区反向截止区反向击穿区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数T:热力学温度q: 电子电荷1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极

11、阴极- 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引

12、 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座PN结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：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 一一 、半导体二极管的伏安特性曲线、半导体二极管的伏安特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(

13、1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V二二. 二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：) 1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu IR10VE1kD二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏

14、反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的伏安特性二极管的伏安特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型mA3 . 9K1V)7 . 010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002 . 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 9100.7V三三. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整

15、流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安( A)级。级。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近

16、似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZIUIzminIzmax正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻 1.3 半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为此，还被称为双极型晶体管双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。 BJT是由两个是由两个

17、PN结组成的。结组成的。NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极29 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。一一. .BJT的结构的结构二二 BJT的内部工作原理的内部工作原理（NPN管）管） 三极管在工作时要加上三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：若在放大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：+UCE U

18、BEUCB集电结反偏：集电结反偏：由由VBB保证保证由由VCC、 VBB保证保证UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区311).发射结加正向电压，发射结加正向电压，扩散运动形成发射极扩散运动形成发射极电流电流IE2）扩散到基区的自由电）扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动子与空穴的复合运动形成基极电流形成基极电流IB3）集电结加反向电压，）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极漂移运动形成集电极电流电流ICNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程2电流分

19、配关系电流分配关系三个电极上的电流关系三个电极上的电流关系:IE =IC+IBNNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI定义：定义：ECNII (1)(1)IC与与I E之间的关系之间的关系:其值的大小约为其值的大小约为0.90.90.990.99。 IE IC(2)IC与与I B之间的关系：之间的关系：NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIECNICICBOIBCEOBCIIII得：得： 1令：令：BI三三. BJT. BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法）(1) (1) 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const

20、+i-uBE+-uBTCE+Ci（1）uCE=0V时，相当于两个时，相当于两个PN结并联。结并联。0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。再增加时，曲线右移很不明显。（2）当）当uCE=1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，合减少， 在同一在同一uBE 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V (2

21、)输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const 现以现以iB=60uA一条加以说明。一条加以说明。 （1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集时，因集电极无收集作用，作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，收后，收集电子的能力足够强。集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形子都被集电极收集，形成成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不变。基本保持不变。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80

22、uAI=100uAIB+i-uBE+-uBTCE+Ci 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(m

23、A)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区 1.4 三极管的模型及分析方法0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6BuiCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI =40uABI =60uABI =80uABI =100uA非线性器件非线性器件BCIIUD=0.7VUCES=0.3ViB0 iC0一一. BJT的模型的模型+i-uBE+-uBCE+Cibeec截止状态截止状态ecb放大状态放大状态UDIBICIBecb发射结导通压降发射结导通压降UD硅管硅管0.7V锗管锗管0.3V饱和状态饱和状态ecbUDUC

24、ES饱和压降饱和压降UCES硅管硅管0.3V锗管锗管0.1V直流模型直流模型 半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管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国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国

25、家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B 1.5 场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。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N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管MOS管管结型场效应管结型场效应管JFET 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控）是一种电压控制器件制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参

26、与导电，因此它，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。411.5.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管:一、结构和电路符号一、结构和电路符号PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN沟道增强型沟道增强型分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道42N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD预埋了导预埋了导电沟道电沟道 G

27、SD43NPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型44P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导预埋了导电沟道电沟道 一. 绝缘栅场效应三极管 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不

28、会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS

29、 UT，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V， uGS=4V） （a）uds=0时，时， id=0。（b）uds id； 同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。

30、（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长， uds增加的部分基本降增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。基本不变。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNVb+DDdVP衬底GGg-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg（3 3）特性曲线）特性曲线 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。 输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS) uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区 转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出转移特性曲线转移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT4. M