01 第四章 常用半导体器件原理

1、模拟电子电路与技术基础西安电子科技大学微电子学院主讲教师：张进成1教材：模拟电子电路及技术基础（第二版），孙肖子主编，西安电子科技大学出版社，2008年1月授课顺序：第二篇（半导体器件及集成电路原理基础篇）：410章第一篇（模拟集成电路系统应用基础篇）：13章教师联系方式：电子邮件：2电路定义：把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元器件及布线连接在一起，实现一定功能的电子系统。电路分类:按功能分：模拟电路、数字电路、数/模混合电路按形式分：印制板电路、薄厚膜混合集成电路、半导体集成电路电路发展趋势：SoC（系统集成、片上系统）电路的作用：将人类带入智器时代。3第四章 常用半导体器件原理4-1

2、半导体物理基础4-2 PN结4-3 晶体二极管4-4 双极型晶体管4-5 场效应管44.1半导体物理基础 简单介绍半导体物理基础知识，包括本征半导体，杂质半导体，PN结；分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路，双极型晶体管和场效应管的结构、工作机理、特性和应用电路，重点是掌握器件的特性。 媒质导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 1020 m。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs) 。半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使

3、它们成为制作半导体元器件的重要材料。导体、半导体和绝缘体在电阻率上并无绝对明确的界限，根本区别在于性质上。5III-V族半导体Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)NIV族半导体: Ge, GeSi, Si, SiC, CII-VI族半导体Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S半导体体系6金属半导体（丰富多彩）绝缘体IV族III-V族II-VI族GeSiGeSiSiCC?Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)N?Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S?半导体体系光电器件(GaN,GaP)微波器件(GaAs,InP)功率器件

4、(AlGaN/GaN)多功能性：生物芯片，压电传感器，声表面波器件，透明电极，纳米结构高温器件高压器件74.1.1本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体。硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，每个价电子带一个单位的负电荷。因为整个原子呈电中性，而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。8每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。 价电子可以获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。本征激发

5、产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。9价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动。因此，在本征激发的作用下，本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。 自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合。 101、自由电子（负电荷）：部分价电子挣脱共价键束缚离开原子而成为自由电子；自由电子可以在单晶体中自由移动；2、空穴（正电荷）：失去价电子的共价键处留下一个空位，即空穴；空穴的移动：相邻共价键中的电子在空位正电荷的吸引下会填补这个空位，即空位发生了移动。空穴的

6、移动实际上是束缚电子的反移动。3、自由电子和空穴都可以参与导电，这是半导体不同于金属（只有自由电子）的区别之一。4、本征激发：本征半导体受外界能量（热、电和光等）激发，同时产生电子、空穴对的过程。11平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上 其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗为0.78 eV；k = 8.63 10- 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm- 3 K- 3 / 2，锗为1.76 1016 cm- 3 K- 3 / 2。 自

7、由电子共价键复合激发禁带宽度导带价带12 T ni (pi) ;T=300K(27) ni =1.43*1010cm-3 原子密度：5*1022cm-3 本征半导体导电能力弱本征载流子浓度随温度升高近似指数上升。2、禁带宽度越大，导电性能越差（绝缘性能越好）1、本征半导体导电性能对温度的变化很敏感；134.1.2N 型半导体和 P 型半导体 本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少，这说明本征半导体的导电能力很弱。 我们可以人工少量掺杂某些元素的原子，从而显著提高半导体的导电能力，这样获得的半导体称为杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。 14一、N

8、型半导体在本征半导体中掺入五价原子，即构成 N 型半导体。N 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性 热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以空穴的浓度 pn为 因为 ni 容易受到温度的影响发生显著变化，所以 pn 也随环境的改变明显变化。 自由电子浓度杂质浓度15二、P 型半导体在本征半导体中掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多

9、数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性而自由电子的浓度 np 为环境温度也明显影响 np 的取值。 空穴浓度掺杂浓庹16本征半导体载流子受温度、光照影响大；杂质半导体载流子主要受掺杂浓度控制；174.1.3漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。半导体电流半导体电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的

10、浓度差即浓度梯度的大小。184.2PN 结 通过掺杂工艺，把本征半导体的一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。 4.2.1PN 结的形成 多子扩散空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡19空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。204.2.2PN 结的单向导电特性 一、正向偏置的 PN 结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强，漂移运动减弱正向电流二、反向偏置的 PN 结反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱，漂移运

11、动加强反向电流21PN 结的单向导电特性：PN 结只需要较小的正向电压，就可以使耗尽区变得很薄，从而产生较大的正向电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变。而在反偏时，少子只能提供很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。22PN结电流方程i=IS(equ/kT-1)= IS(eu/UT-1)q : 电子电荷量，1.6*10-19 CT : 热力学温度(K); K : 玻尔兹曼常数（8.63*10-6V/K）;IS : 反向饱和电流，与PN结材料、制作工艺、温度等有关UT=kT/q : 温度的电压当量或热电压。在T=300K(27 )时， UT =26mV 正 : U UT ,

12、 e u/UT 1 , iISe u/UT反 : U UT , e u/UT 7V ) 2 齐纳击穿 重掺杂，外加反向电压 耗尽区很窄 强电场 耗尽区中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大 ; (UBR 5V) UBR介于57V时，两种击穿都有。可逆性：P=UI 0 且超过特定值 UD(on) 时，iD 变得明显，此时认为二极管导通，UD(on) 称为导通电压 (死区电压) ； uD 0 时，二极管是截止的； 当反向电压足够大时，PN 结击穿，二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。28二、二极管的管压降当电源电压 E 变化时，负载线平移到新的位置，虽然 I

13、D 有比较大的变化，UD 变化却不大，仍然近似等于 UD(on) ，所以也可以认为 UD(on) 是导通的二极管两端固定的管压降。 三、二极管的电阻直流电阻交流电阻29RD 和 rD 随工作点的位置变化而改变4.3.2温度对二极管伏安特性的影响 T 增大； Is 增大，T增大10倍，Is增大一倍。 减小， 雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。304.3.3二极管的近似伏安特性和简化电路模型 31【例 4.3.1】电路如图 (a) 所示，计算二极管中的电流 ID 。已知二极管的导通电压UD(on) = 0.6 V，交流电阻 rD 近似为零。解：可以判断二极管处于导通状态，将相应的电路模型代入，得

14、到图 (b) 。节点 A 的电压 UA = E - I1R1 = - I2R2 = - E + UD(on) = - 5.4 ，解得 I1 = 5.7 mA，I2 = 5.4 mA，于是 ID = I1 + I2 = 11.1 mA 。32工作电流IZ可以在IZmin到IZmax的较大范围内调节，两端的反向电压成为稳定电压UZ。IZ应大于IZmin以保证较好的稳压效果。同时，外电路必须对IZ进行限制，防止其太大使管耗过大，甚至烧坏PN结，如果稳压二极管的最大功耗为PM，则IZ应小于IZmax = PM / UZ。 4.3.4稳压二极管 334.3.4稳压二极管 通常: UZ 7V时具有正温度系

15、数(因雪崩击穿具有正温系数)； UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小 3435例4.3.2稳压二极管电路如图所示，稳定电压 UZ = 6 V。当限流电阻 R = 200 时，求工作电流 IZ 和输出电压 UO；当R = 11 k 时，再求 IZ 和 UO 。 解：当 R = 200 时，稳压二极管 DZ处于击穿状态当 R = 11 k 时，DZ 处于截止状态，IZ = 036其它二极管简介 一、变容二极管 如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(1

16、5)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。变容二极管符号37其它二极管简介 二、 光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。 和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 前级后级光电二极管符号 38其它二极管简介 三、 发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如

17、图所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。 发光二极管符号 四、激光二极管39其它二极管简介蓝色发光二极管40 其它二极管简介 五、 肖特基二极管 当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路符号如图124所示。N型半导体(a)金属(b)肖特基二极管结构与符号(a)结构示意图；(b)电路符号+与PN结二极管比较：相同点：具有单向导电性；相异点：肖特基二极管是依靠多数载流子工作的器件，无少子存 储效应（CD），高频特性好。 导通电压和反向击穿电压均比PN结低。4

18、14.3.5二极管应用电路举例 一、整流电路 例4.3.3分析图 (a) 所示的二极管整流电路的工作原理，其中二极管D的导通电压UD(on) = 0.7 V，交流电阻rD 0。输入电压ui的波形如图 (b) 所示。 42解：当ui 0.7 V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0.7；当ui 0时，D1和D2上加的是正向电压，处于导通状态，而D3和D4上加的是反向电压，处于截止状态。输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连，它们的负极通过D2相连，所以uo = ui；当ui 2.7 V时，D导通，所以uo = 2.7 V；当ui 2.7 V时，D截止，其支路等效为

19、开路，uo = ui。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图 (c) 所示，该电路把ui超出2.7 V的部分削去后进行输出，是上限幅电路。 47例4.3.7二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0.3 V，交流电阻rD 0。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。 48解：D1处于导通与截止之间的临界状态时，其支路两端电压为 - E - UD(on) = - 2.3 V。当ui - 2.3 V时，D1截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D1实现了下限幅；D2处于临界状态时，其支路两端电压为 E + UD(on) =

20、2.3 V。当ui 2.3 V时，D2导通，uo = 2.3 V；当ui 2.3 V时，D2截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图 (c) 所示，该电路把ui超出 2.3 V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。 49三、电平选择电路 例4.3.9图 (a) 给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图 (b) 所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。 50解：因为ui1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一个处于导通状态。不妨假设ui1 ui2时，D2导通，D1截止，

21、uo = ui2；只有当ui1 = ui2时，D1和D2才同时导通，uo = ui1 = ui2。uo的波形如图 (b) 所示。该电路完成低电平选择功能，当高、低电平分别代表逻辑1和逻辑0时，就实现了逻辑“与”运算。 514.4双极型晶体管 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点：发射区相对基区重掺杂；基区很薄，只有零点几到数微米；集电结面积大于发射结面积。 52发射结正偏，集电结反偏。一、发射区向基区注入电子 电子注入电流IEN， 空穴注入电流IEP二、基区中自由电子边扩散 边复合 基区复合电流IBN三、集电区收集自由电子 收集电流ICN 反向饱和电流ICBO4.4.1晶

22、体管的工作原理53晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系： 54共发射极直流电流放大倍数：共基极直流电流放大倍数：换算关系：晶体管的放大能力参数 55晶体管的极电流关系 描述： 描述： 564.4.2晶体管的伏安特性 一、输出特性 放大区(发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数： 近似关系： 恒流输出和基调效应饱和区(发射结正偏，集电结正偏 ) 饱和压降 uCE(sat) 截止区(发射结反偏，集电结反偏 ) 极电流绝对值很小57二、输入特性 当uBE大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态。这两种状态下uBE近似等于UBE(

23、on) ，所以也可以认为UBE(on) 是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE 0，所以集电结反偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当UI = 5 V时，计算得到UCB = - 3.28 V 0，所以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。 61例4.4.2晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V， = 50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。 解：图中晶体管是PNP型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V，得到IB = - 37.4 A 0，所以晶体管处于放大或饱和状态。IC = bIB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V | UGS(