半导体器件教材

半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4金属－氧化物－半导体场效应管§1.1

半导体的特性半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。+32+14锗原子硅原子硅和锗的晶体结构原子间的结合方式：以共价键的形式相结合共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。1.1.1本征半导体

+4+4+4+4自由电子

空穴2、空穴：

共价键中的价电子获得一定的能量便激发成为自由电子，同时共价键中留下一个空位，称为空穴。1、定义：完全纯净的不含其它杂质的半导体。+4+4+4+4

在外电场的作用下，价电子依次填补空穴，这种填补运动相当于带正电荷的空穴在运动，称之为空穴运动，并将空穴看成为带正电的载流子。

半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。由此可见：自由电子和空穴总是成对地出现，成为电子-空穴对。1.1.2杂质半导体P型半导体（空穴型半导体）：掺入三价元素的半导体，空穴的浓度大大高于电子的浓度。N型半导体（电子型半导体）：

掺入五价元素的半导体，电子的浓度大大高于空穴的浓度。定义：在本征半导体中掺入某种特定的杂质

后形成的半导体。

一、N型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的5价元素磷（或锑），原来晶格中的某些硅原子被杂质原子取代。+4+4+5+4多余电子磷原子

多余电子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的正离子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。二、P型半导体

在硅或锗晶体中掺入少量的3价元素，如硼（或铟），原来晶格中的某些硅原子被杂质原子取代。+4+4+3+4空穴硼原子

相邻共价键中的价电子获得能量后，就可能填补这个空位，使得硼原子成为不能移动的负离子。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体

杂质半导体中多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。它们的移动都能形成电流，但起导电作用的主要是多数载流子。§1.2半导体二极管PN结及其单向导电性半导体二极管稳压管1·2·1PN结及其单向导电性一、载流子的扩散与漂移2、漂移：由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。

对于空穴而言，其移动方向与电场方向相同，而电子则是逆着电场的方向移动。1、扩散：

基于载流子的浓度差异和随机热运动速度而产生的载流子由高浓度区域向低浓度区域的移动称为扩散。扩散将引起扩散电流。二、PN结的形成

将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。空间电荷区P区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

区++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散越强，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。

当扩散和漂移最终达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就固定下来。

空间电荷区又称为耗尽区。P区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

区++++++++++++++++++++内电场++++空间电荷区接触电位差：

V0锗材料：0.1--0.3V硅材料：0.6--0.8VP区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N

区++++++++++++++++++++内电场++++V0空间电荷区三、PN结的单向导电性

PN

结外加正向电压（正偏）是指：

P

区加正、N

区加负电压。

PN结外加反向电压（反偏）是指：

P区加负、N

区加正电压。－－－－－－－－++++++++1、PN

结正偏内电场外电场变窄PNRE+_内电场被削弱，多数载流子的扩散加强，能够形成较大的正向电流。I正向电流空穴电流电子电流二种载流子极性不同，运动方向相反，电流方向一致。

在一定范围内，所加正向电压越高，正向电流越大。正向电流一定值时，PN结呈低阻状态，称此为导通。2、PN

结反偏内电场外电场+_RENP－－－－－－－－++++++++－－－－++++变宽内电场被加强，多数载流子的扩散受抑制。少数载流子漂移加强，但数量有限，只能形成较小的反向电流。I≈0

反向电流很小，PN结呈高阻状态，这种情况称为截止。

由于少数载流子的激发与温度有关，故温度对反向电流影响很大。

结论PN结的单向导电性：

当正向偏置时，有较大正向电流，导通电阻很小，称PN结处于导通状态；当反向偏置时，反向电流很小(几乎为零)，相当于一个非常大的电阻，称PN结处于截止状态。1.2.2

半导体二极管一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。点接触型面接触型PN二极管的电路符号：引线外壳触丝N型锗晶体阳极阴极二、伏安特性曲线(V-I特性)

二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线。1、正向特性外加正向电压时的伏安特性对应图中①段。死区电压：锗管：约为0.1V硅管：约为0.5V正向导通压降：锗管：0.1V~0.3V

硅管：0.6V~0.8V锗二极管2AP15的V-I特性正向特性2、反向特性外加反向电压时的伏安特性，对应图中②段。反向电流特点：②受温度影响很大；①反向电压不超过一定范围时，其大小基本不变，即与反向电压大小无关。锗二极管2AP15的V-I特性反向特性3、反向击穿特性

外加反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿。锗二极管2AP15的V-I特性反向击穿特性1·2·3稳压管（齐纳二极管）UIIU○○+-

当反向电压增至击穿电压时，稳压管的反向电流急剧上升，此后反向电流在很大范围内变化时，稳压管两端的电压变化却很小。一、分类按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN型、PNP型按频率分：高频管、低频管按功率分：小功率、大功率1·3·1BJT的分类和结构§1.3

半导体三极管(BJT)二、结构发射区基区集电区发射结集电结b基极e发射极c集电极

ebcbecNPN型PNP型NNP发射区基区集电区b基极e发射极c集电极

PPN

结构特点：•

发射区的掺杂浓度最高；•

集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•

基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图1、内部载流子的传输过程1·3·2三极管的电流分配与放大作用载流子的传输过程发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

（以NPN为例）

以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型晶体管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

载流子的传输过程2、电流分配关系IC=

αIE

为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=0.90.99。IE=IC+IBIC=

IB»IB

是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

>>1。3.BJT的三种组态共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。共射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；4、放大作用

三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。1·3·3三极管的特性曲线共射极放大电路

三极管特性曲线是指三极管各极的电压与电流之间的关系曲线。ebcVBBVCCRL＋－∆vI＋－∆vOiB=f（vBE）|vCE=常数一、输入特性曲线vBE/ViB/μA0vCE=0VvCE1V0.20.40.8204060800.6ebcVBBVCCRL＋－∆vI＋－∆vOiBiCiEvBE+－(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE

-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下，IB减小，特性曲线右移。(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。二、输出特性曲线iC=f（vCE）|iB=常数截止区饱和区放大区iC(mA)0vCE(V)4321

2

4

60A20A40A60A80AiB=bcVCCRLeVBB＋－∆vI＋－∆vOiBiCiEvCE+－iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A1、截止区当UBE<0，发射结和集电结都反偏，UCE≈VCC，相当于C和E之间的开关断开。bcVCCRLeVBB＋－∆vI＋－∆vOiBiCiEvCE+－2、放大区放大区发射结正偏，集电结反偏。iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A此区域满足，又称为线性区3、饱和区iC(mA)1234vCE(V)2468iB=020A40A60A80A在饱和区，UCE<UBE<1V，发射结、集电结均正偏UCE≈0

，相当于C和E之间的开关接通。bcVCCRLeVBB＋－∆vI＋－∆vOiBiCiEvCE+－1·4金属－氧化物－半导体场效应管(MOS管)增强型（N沟道、P沟道）耗尽型（N沟道、P沟道）就是vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0。就是vGS=0时，存在导电沟道，即iD≠0。耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道

1.N沟道增强型MOSFET结构与工作原理（1）结构：

N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图及符号一、增强型MOSFET(2)工作原理（N沟道增强型）

1）VGS=0，没有导电沟道源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的。因此漏源之间的电阻很大，即没有导电沟道，iD＝0。P型衬底N+N+sgdBiD＝02）VDS=0，VGS

对导电沟道的影响P型衬底N+N+sgdBVGSVGS>VT时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电压的作用才形成导电沟道的FET称为增强FET。在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压VGS叫做开启电压VTPNNsgdBVGGVDSPNNsgdBVGGVDSPNNsgdBVGGVDSVGD>VTVGD=VTVGD<VT预夹断夹断3）VGS一定，VDS

对导电沟道的影响由左到右，VDS逐渐增大,(1)转移特性曲线主要特点如下:

当0＜uGS≤UT时,iD=0。尽管uGS＞0,但无栅流。当uGS＞UT时,导电沟道形成,iD＞0。2.N沟道增强型MOS管特性曲线

分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：（2）输出特性2.N沟道增强型MOS管特性曲线1)截止区：UGS≤UT，导电沟道未形成，iD=0。2)恒流区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。3)可变电阻区：uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻4)击穿区：随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG也随之增大。

1.N沟道耗尽型MOSFET结构与工作原理（1）结构：

增强型NMOS管在uGS=0时