第0章半导体基础6课件

第0章半导体器件0.1半导体的基础知识，P型硅，N型硅0.2PN结和半导体二极管0.3半导体三极管0.4场效应管完全纯净的、有完整晶体结构的半导体，称为本征半导体。§0.1半导体的基本知识0.1.1本征半导体(intrinsicsemiconductors)物质的导电性取决于原子结构----导体、半导体、绝缘体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子Ge锗原子在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成单晶体。原子在空间形成排列整齐的点阵：晶格1.本征半导体晶体结构:共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4一定温度条件下，本征半导体中激发产生的与复合掉的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。复合现象：自由电子运动中，自由电子填补空穴的现象本征激发：极少数价电子在热激发下，成为自由电子动画1-12.本征半导体中的载流子:外加一电场，自由电子定向移动，形成电子电流；空穴也定向移动，形成空穴电流。载流子：运载电荷的粒子。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。

Freeelectron

and

carrier动画1-2注:导体中有一种载流子,即自由电子导电。0.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体(Ntypesemiconductors)（多子为电子，少子为空穴）P型半导体(Ptypesemiconductors)（多子为空穴，少子为电子）N型半导体（掺五价元素）多余电子获很少能量可成为自由电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiNegative（负）自由电子为多子；空穴为少子施主原子(正离子)自由电子空位P型半导体（掺三价元素）硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子当硅原子外层电子由于热运动填补空位时，在硅原子共价键中产生一个空穴。空穴为多子；自由电子为少子Positive（正）受主原子(负离子)空穴杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体0.2.1PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§0.2PN结及半导体二极管PNJunctionandsemiconductorsdiodeP型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。动画1-3PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流0.2.2PN结的单向导电性动画1-4PN结反向偏置+－－－－++++空间电荷区变厚NP_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级动画1-5PN结的电流方程PN结的伏安特性UT26mV（thermalvoltage）正向特性反向特性击穿区反向电流很小，少子漂移电流，和温度有关U较小时，外电场不足于克服内电场对扩散运动造成的阻力，I很小（死区），当U>UON时，I显著增加反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加二、雪崩击穿（AvalancheMultiplication）当PN结的掺杂浓度很高时，耗尽层将变的很薄，加上不大的反向电压，就能建立很强的电场，足以把价电子直接从共价键中拉出来，产生自由电子-空穴对，称为场致激发，场致激发能够产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象。一般，击穿电压在6V以下的属于齐纳击穿，6V以上的主要是雪崩击穿。6V左右，两种击穿都有。PN结的击穿特性反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。新的载流子在强电场作用下，再去碰撞其他共价键，产生新的自由电子-空穴对。连锁反应，引起载流子数量急剧增大，增长速度极快，象雪崩一样。一、齐纳击穿（ZenerBreakdown）扩散电容扩散电容示意图正向偏置：两种电容效应；以扩散电容为主反向偏置：以势垒电容为主只有高频时才考虑电容效应非平衡少子浓度分布变化引起的电荷量变化效应PN结的电容效应势垒电容耗尽层宽窄变化等效的电容Cb0.2.3半导体二极管semiconductorsdiode(1)、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号阳极阴极点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。二极管的结构示意图平面型平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。面接触型半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片(2)、伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。UIE+-反向漏电流（很小，A级）(3)、二极管的主要参数2.最高反向工作电压UR3.反相电流IR4.最高工作频率fM最大整流电流IF:最大正向平均电流最大反向电压,约为击穿电压VBR的一半反向电流小,单向导电性好0.2.4稳压二极管(zenerdiode)IZmax+-稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和

Izmin之间时,其两端电压近似为常数正向同二极管稳定电流稳定电压二、稳压管的主要参数稳定电压UZ稳定电流IZ额定功耗PZM=UZ

IZmax动态电阻rZ=UZ/IZ温度系数

0.2.5其他类型二极管(diode)1发光二极管(light-emitting

diode)2光电二极管(photodiode)(1)单向导电性(2)用于显示电路中(1)远红外线接受管,将光能转为电能(2)用于遥控、报警及光电传感器中符号§0.3半导体三极管(双极型晶体管)(BipolarJunctionTransistor)0.3.1基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型collecteremitterbaseBECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NPNCBEPNPCBE发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+++++++++++++__________________________+++++++++++++半导体三极管图片频率：高频管、低频管功率：材料：小、中、大功率管硅管、锗管类型：NPN型、PNP型0.3.2电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IB基区空穴向发射区扩散,可忽略.BECNNPEBRBEcIE由于集电结反偏，从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。动画2-1晶体管电流分配关系IE=IEN+IEP1.发射结扩散运动产生IE2.扩散到基区的自由电子与空穴复合产生IB

IB=IBN+IEP-ICBO=I’B-ICBOICNIEIBNI

CBOIBICI

ENI

EP3.集电结反偏，漂移运动产生IC

IC=ICN+ICBOIE=IC+IB从外部看:当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=IB’

ICBOIC=ICN+ICBO共射直流电流放大系数穿透电流很小,可忽略共基直流电流放大系数

=IC/

IBIC=

IB静态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+

IBIC：IC+

IC

=

IC/

IB一般认为：==，近似为一常数，值范围：20~100

IC=

IB

=IC/

IBIC=

IB0.3.3特性曲线晶体管的特性曲线是指晶体管各极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动的外部体现。由于三极管和二极管一样是非线性元件，不能用一个固定的数值和简单的方程式来表示三极管各极电压与电流的关系，所以要用伏安特性曲线来描述。伏安特性曲线也不象二极管那样简单，工程上常用的三极管的输入和输出伏安特性曲线。输入特性曲线：iB=f(uBE)|uCE=Const.

输出特性曲线：iC=f(uCE)|iB=Const.

ICmA

AVVUCEUBERBIBUSCUSB

实验线路(共发射极接法)CBERCIB与UBE的关系曲线（同二极管）（1）输入特性

死区电压，硅管0.4V工作压降：硅管UBE0.7VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VUCE=0非线性区输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且

IC=

IB。此区域称为线性放大区。此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压,，称为截止区。动画2-2IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’

=IC/

IB=2mA/40A=50

=

IC/

IB

=(3-2)mA/(60-40)A=50

=IC/

IB=3mA/60A=50输出特性三个区域的特点:(1)放大区BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且

IC=

IB(2)饱和区BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO0

三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数

（2）集-射间穿透电流ICEO（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗PCM安全工作区SOA(SafeOperationArea） PCM、ICM和V(BR)CEO限定PCM: 过损耗区；ICM: 过流区；UCEO:过压区§0.4FieldEffectTransistor(场效应晶体管）

(UnipolarJunctionTransistor)

1.结型场效应晶体管

(JunctionFieldEffectTransistor

JFET)2.绝缘栅型场效应晶体管

(

InsulatedGateFieldEffectTransistor

IGFET)

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

(MetalOxideSemiconductorFETMOSFET）主要内容：MOS管工作原理、特性曲线FET主要参数及与三极管比较0.4.2绝缘栅型场效应管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)：

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道N-channelenhancementMOSFETN-channeldepletionMOSFETP-channelenhancementMOSFETP-channeldepletionMOSFET增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，N沟道P沟道

增强型N沟道P沟道

耗尽型增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，FET特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高

(107

1015

，IGFET可高达1015

)一、N沟道增强型MOSFETG:Gate,栅极S：Source,源极D：Drain，漏极B:Substrate,衬底动画2-3(一)、结构及工作原理：工作原理：1、栅源电压对沟道的影响a.当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离，在D、S间也不可能形成电流。b.当0<VGS<V(GS(th)(开启电压)时,栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。

反型层开启电压UGS(th)动画2－4c.当VGS＞VGS(th)时,由于栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方聚集较多的电子，可以形成D和S间的导电沟道，如果加有漏源电压，就可形成漏极电流ID。在导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。VGS值越大，沟道内电子越多，沟道电阻越小，ID

越大。这样，就实现了输入电压VGS对输出电流ID

的控制。VGS对漏极电流的控制关系可用转移特性曲线描述。UDS<UGS-UGS(th)2、漏源电压对导电沟道的影响a.当VGS＞VGS（TH），若给D、S间加正电压则形成漏极电流ID。当VDS较小时，ID从D

S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最低，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，由它们感生的沟道越来越浅。VGS一定时,VDS增加,ID增加UDS=UGS-UGS(th)b.若VDS增大，直至VDS=VGS-VGs(th)时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。动画2－5UDS>UGS-UGS(th)c.当VDS继续增加到使UDS>UGS-UGS(th)时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，ID基本不随VDS增加而变化。其中，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)

VGS=const这一关系曲线可用漏极输出特性曲线来描述。(二)、特性曲线1、输入特性曲线2、漏极输出特性曲线3、转移特性曲线描述VGS＞VGS(th)，VDS对ID的影响ID=f(VDS)

VGS=constVGS对漏极电流ID的控制关系

ID=f(VGS)

VDS=const栅极电流和VGS间的关系，由于G、S间有SiO2绝缘层，故栅极电流为零。输入特性不必考虑。ID=f(VDS)

VGS=const4.击穿区2、漏极输出特性曲线1.夹断区，VGS<VGS(th)2.可变电阻区VDS=VGS-VGS(th)左边区域3.恒流区VDS>VGS-VGS(th)夹断区不同斜率的直线，直线斜率为D和S间的等效电阻。阻值和VGS、VDS有关。iD随VGS变化而变化VDS很大时，击穿3、转移特性曲线

转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：

gm=

ID/

VGS

VDS=const(单位mS)

ID=f(VGS)

VDS=const从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：

二、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。

三、P沟道MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。曲线分五个区域：（1）可变电阻区（2）恒流区（放大区）（3）截止区（4）击穿区（5）过损耗区截止区击穿区过损耗区可变电阻区各类场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P

沟道耗尽型0.4.3场效应晶体管的参数1.开启电压VGS(th)

增强型场效应管参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

2.夹断电压VGS(off)(或VP)

结型、耗尽型场效应管参数，VGS=VGS(off)时,漏极电流为零饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应管参数，当VGS=0时所对应的漏极电流。一、直流参数

4.输入电阻RGS(DC)

栅源输入电阻的典型值， 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω， 绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。

1.低频跨导gm

栅压对漏极电流的控制作用，与