第1章 常用半导体器件课件

第1章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.5集成电路制造工艺1.4场效应管

典型的半导体硅Si和锗Ge的原子结构，它们都是4价元素。

1.导体：很容易导电的物质。如铜、银、铝等金属材料。其电阻率

<10-4

·

cm

2.绝缘体：不容易导电的物质。如橡胶、塑料等。其电阻率>109·

cm

3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅和锗。半导体导电性能是由其原子结构决定的，物质导电的强弱，关键看内部载流子（运载电荷的粒子）的多少。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。惯性核一、半导体及其导电性能将硅或锗材料提纯形成单晶体，它的原子结构为共价键结构见图。价电子共价键当温度T=0

K时，价电子无法移动→无载流子→半导体呈绝缘状态，不导电。二、本征半导体的晶体结构及导电性能自由电子空穴若T

>0K，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。这种现象称为热激发。T

>0K本征激发——半导体由于热激发产生自由电子-空穴对的现象。三、本征激发与复合现象在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，自由电子和空穴浓度一定，且数量相等。复合——游离在外的部分自由电子填补空穴的过程。四、载流子的浓度常温300K时：电子空穴对的浓度两种载流子一定温度下，本征半导体内热激发产生的自由电子、空穴成对出现，因此二者浓度相等。经固体物理导出：自由电子空穴整体呈电中性五、半导体的导电机理

3、空穴导电的实质是：相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。1、自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电荷的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。2、自由电子和空穴两种载流子共同参与导电。1.1.1本征半导体1.1半导体基础知识一、半导体及其导电性能二、本征半导体的晶体结构及导电性能四、载流子的浓度纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。

三、本征激发与复合现象共价结构、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时，本征半导体不导电。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。五、半导体的导电机理

施主原子+5自由电子N型半导体多数载流子——自由电子少数载流子——空穴+3受主原子空穴P型半导体多数载流子——空穴少数载流子——自由电子1.1.2杂质半导体（Impuritysemiconductor）

施主原子+5自由电子N型半导体+3受主原子空穴P型半导体掺杂前后载流子数目发生了哪些变化？取决于哪些因素？多数载流子浓度取决于掺入杂质的浓度；少数载流子的浓度取决于温度。1.1.2杂质半导体1.1半导体基础知识一、N型半导体二、P型半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

三、N、P型半导体内载流子的浓度变化掺入5价元素多子：自由电子

少子：空穴

掺入3价元素多子：空穴少子：自由电子

与其掺杂浓度和温度有关四、杂质半导体的导电性能1.1.2杂质半导体（Impuritysemiconductor）目的是为了实现导电能力可控！杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体的图示(a)N型半导体(b)P型半导体杂质半导体的的简化表示法突出杂质特性，注重多子，忽略少子。一、PN结的形成耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动

2.扩散运动形成空间电荷区图1-5（a）多子扩散运动PN1.1.3PN结3.空间电荷区产生内电场UDPN空间电荷区内电场UD内电场UD

阻挡层空间电荷区宽度稳定4.对称结与不对称结助推少子漂移阻碍多子扩散动态平衡浓度高的对应空间电荷区宽度窄一定温度下扩散与漂移二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRIPN空间电荷区图1-7PN结加反向电压的情况PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压(反偏)三、PN结的伏安特性式中：Is为反向饱和电流；UT为温度电压当量，当T＝300K时，四、PN结的反向击穿特性当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大，即击穿。五、PN结的温度特性当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小。六、PN结的电容效应

判断器件具有电容效应依据：外电压变化时，器件中的电荷有无相应的“积累”和“释放”过程。1.势垒电容Cb是“耗尽层的宽窄随外加电压变化”所呈现的等效电容。与结面积、空间电荷区宽度和外加电压等因素有关。是“扩散区内电荷浓度差随外加电压的变化”所呈现的等效电容。与正向电流和温度等因素有关。2.扩散电容CdPN结电容由势垒电容和扩散电容组成，它们均为非线性电容。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。在信号频率较高时，结电容的作用使PN结失去单向导电性，导致了“高频”与“大功率”二者不可得兼。1.1.3PN结1.1半导体基础知识（杂质半导体的图示）一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结电流方程五、PN结的伏安特性六、PN结的电容效应正向连接导通反向连接截止势垒电容Cb扩散电容Cd非线性电容四、PN结的温度特性将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。一、半导体二极管的几种常见结构(a)外形图半导体二极管又称晶体二极管(b)符号1.2半导体二极管一、半导体二极管的几种常见结构1.2半导体二极管二极管的常见结构图1-9二极管的外形和符号1、二极管和PN结伏安特性的区别604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性开启电压击穿电压U(BR)反向特性图1-10二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅0.5V05-0.8V1微安以下锗0.1V0.1-0.3V十几微安2、温度对二极管伏安特性的影响正向压降、反向饱和电流均较PN结的略大。1）最大整流电流IF2)最大反向工作电压URM3)反向电流IR4)最高工作频率fM三、二极管的主要参数（课外阅读）二极管的理想模型四、二极管的等效电路（等效模型）1、二极管等效2）恒压降模型：正向等效开关闭合+一个电压源；反向截止。在一定条件下，用一个特定的线性电路等效二极管的功能，完成非线性元件的转化。其意义是便于对二极管进行分析计算。2、常用的二极管等效电路1）理想模型：正向导通电压为0；反向截止电流为0（相当于开关）。二极管的恒压降模型4.小信号模型:当二极管通过的直流远大于交流信号时，对交流而言，二极管等效成一个动态电阻rd。3.折线模型：正向电压大于开启电压Uth后，其电流与电压成性线关系；反向截止电流为0。二极管的小信号模型二极管的折线模型【例1】电路如图，试判断二极管是否导通，并求输出电压U0总的解题手段：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低。若V阳>V阴(正偏)，二极管导通;若V阳<V阴(反偏)，二极管截止。

广义KVL：任意两结点之间的电压，可通过任意一条联接两结点路径进行计算，所得结果与计算时所取的路径无关。例三/P67：写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V。例1.4/P69:电路如图所示，已知ui＝5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。五、稳压二极管

一种工作在反向击穿状态下面接触型硅半导体二极管。稳压管符号+图1-19稳压管的伏安特性和符号1.稳压管的伏安特性稳定电压正向同普通二极管iuUZ△I△UIzminIzmax稳压管正常工作的条件特点：反向特性曲线很陡峭2.稳压管的主要参数（课外阅读）1）稳定电压UZ3)额定功率PZM2）稳定电流IZ在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。稳压管工作在稳压状态时的参考电流。4）动态电阻rZ5）电压温度系数UiuUZ△I△UIzminIzmax3.并联稳压电路（例1.2.2/P25）1）电路特点2）R的取值范围例题四/P67：已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。

一、半导体二极管的几种常见结构1.2半导体二极管二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数（课外阅读）四、二极管的等效电路五、稳压二极管理想模型：正向导通时端电压为0恒压降模型：正向导通时端电压为常量Uon拆线模型：正向导通时端电压与电流成线性关系小信号模型：当二极管通过的直流远大于交流信号时，对交流而言，二极管等效成一个动态电阻rd硅管、工作在反向反向击穿区并联稳压电路工作保障、R的取值又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)晶体管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。图2-1晶体管的外形1.3.1双极晶体管的结构及类型NcSiO2b硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN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)，再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。1.3.1双极晶体管的结构及类型（1）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（3）集电结比发射结面积大工艺要求图2-2晶体管结构示意图和符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP1.3.1双极晶体管的结构及类型PPNecb符号NPN型

cbe符号PNP型三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1）发射区高掺杂2）基区做得很薄外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3）集电结面积大1.3.2双极晶体管的电流放大作用三极管放大的外部条件：beceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICn它由管子的结构尺寸和掺杂浓度决定，与外加电压无关。1、晶体管内部载流子的运动1）发射区向基区大量注入电子2）电子在基区复合和进一步扩散3）集电区大量收集电子2、晶体管的电流分配关系三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IB代入(1)式，得上式中的后一项常用ICEO表示，ICEO称穿透电流。一般ICEO<<IC，故有：输出回路+UCE-IBUCE三极管输入输出特性曲线测试电路IC输入回路VCCRbVBBcebRcV+V+A++mA一、输入特性曲线+UCE-+UCE-IBIBIB死区电压硅0.5V锗0.1VUBE导通压降硅0.7V锗0.2V图2-7(a)NPN三极管的输入特性曲线特性曲线随UCE增大而右移1.3.3双极晶体管的共射特性曲线二、输出特性曲线图2-7(b)NPN三极管的输出特性曲线划分三个区：截止区、放大区和饱和区。截止区放大区饱和区放大区

1.截止区

IB=0曲线与横轴所围区域。IB=0时，IC=ICEO。发射结、集电结都处于反向偏置。截止区截止区iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321临界饱和线UB=UC对NPN管UB＜UE、UB＜UC

2.放大区：条件：发射结正偏集电结反偏

IB>0且相对于横轴平行等距的一簇曲线所在的区域。二、输出特性曲线放大区

特点：集电极电流和基极电流体现放大作用，即放大区放大区对NPN管UC＞UB＞UE

图2-7（b）NPN三极管的输出特性曲线iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321临界饱和线UB=UC3.饱和区条件：发射结、集电结均正偏。iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。IC

IB对NPN管

UB＞UE、UB＞UC

饱和时，管压降UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(锗管)饱和区饱和区饱和区NPN三极管的输出特性曲线临界饱和线UB=UC

临界饱和线与纵轴所围的区域。1.共射电流放大系数

2.共射直流电流放大系数忽略穿透电流ICEO时，3.共基电流放大系数

4.共基直流电流放大系数忽略反向饱和电流ICBO时，和

这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：一、电流放大系数1.3.4双极晶体管的主要参数二、反向饱和电流（课外阅读教材P34）1.集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流ICEO(a)ICBO测量电路(b)ICEO测量电路ICBOcebAICEOAceb小功率锗管ICBO约为几微安；硅管的ICBO小，有的为纳安数量级。当b开路时，c和e之间的电流。三、极限参数1.集电极最大允许电流ICM当IC过大时，三极管的值要减小。在IC=ICM时，值下降到额定值的三分之二。2.集电极最大允许耗散功率PCM过损耗区安全工作区将iC与uCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。iCuCE<PCM为安全工作区iCuCE>PCM为过损耗区iCuCEOPCM=iCuCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区图2-9三极管的安全工作区3.极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。

U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。

U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。

安全工作区同时要受PCM、ICM和U(BR)CEO限制。过电压iCU(BR)CEOuCEO过损耗区安全工作区ICM过流区图2-9晶体管的安全工作区图2-10温度对晶体管输入特性的影响图2-11温度对晶体管输出特性的影响一、温度对ICBO的影响二、温度对输入、输出特性的影响1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响1.3半导体三极管1.3.1双极晶体管的结构及类型共射电流放大系数1.3.2双极晶体管的电流放大作用1.3.3双极晶体管的共射特性曲线1.3.4双极晶体管的主要参数输出特性曲线极限参数1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响反向饱和电流输入特性输出特性直流参数交流参数输入特性曲线内部载流子运动电流分配关系场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管（属于耗尽型）增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有N沟道和P沟道。两者的外加电压极性相反。FET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。1.4场效应管dsgN符号1.4.1结型场效应管1、结构图3-1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。

2、结型场效应管的工作原理

①当uGS=0时，导电沟道最宽。

（1）栅源电压对沟道的控制作用②当G、S端反偏电压增加时，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当G、S端反偏电压增加到一定值时，沟道会完全合拢。夹断电压UGS(off)——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。iD=0gds

(a)

uGS=0N型沟道P+P+iD=0gds

(b)

uGS<0P+P+N型沟道VGGiD=0gdsP+P+VGG(c)

uGS<=UGS(off)在栅源间加反向电压uGS，漏源电压uDS=0（2）漏源电压对沟道的控制作用②uDS增加

在漏源间加电压uDS，令uGS=0

由于uGS=0，所以导电沟道最宽。

①当uDS=0时，iD=0。③当uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UGS(off)时，在靠漏极处夹断——预夹断。从预夹断到预夹断点下移，④uDS再↑，预夹断点下移。IDSSuGS=0uDSiD0uGS=0⑤若uDS>BUDS，在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。

（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。3、特性曲线1）转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)图1.4.6转移特性两个重要参数饱和漏极电流IDSS(uGS=0时的iD)夹断电压UGS(off)

(iD=0时的uGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA1）转移特性O

uGS/ViD/mAIDSSUGS(off)图1.4.6转移特性2）漏极特性当栅源之间的电压uGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2)漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)漏极特性

可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：1.4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型uGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；uGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+bgsdSiO2源极s漏极d衬底引线b栅极g图3-6增强型NMOS管的结构示意图4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号3、特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区uGS<UGS(th)，iD=0；uGS≥UGS(th)，形成导电沟道，随着uGS的增加，iD

逐渐增大。(uGS>UGS(th)

)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。图3-12(a)转移特性图3-12(b)输出特性曲线UGS(th)IDOuGS/ViD/mAO2UGS(th)二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+bgsd++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使uGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++uGS=0，uDS>0，产生较大的漏极电流；uGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD减小；uGS=

UGS(off),感应电荷被“耗尽”，iD

0。UGS(off)称为夹断电压图3-13耗尽型NMOS管的结构示意图N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：uDS>0；uGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS符号sgdb(b)漏极特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520图3-14特性曲线sgdb3.1.3场效应管的主要参数（教材P50~51）一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UGS(off)3.开启电压UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻