半导体器件课件

半导体器件电子电路中，所有元器件可分为两大类：

１、无源器件：电阻(Resistor)、电容(Capacitor)、电感(Inductor)和二极管(Diode)。仅由无源器件构成的电路不能实现电信号的放大。２、有源器件：晶体管(Transistor)，是所有放大电路的核心器件。从参与导电的载流子类型上又可以分为双极和单极两类器件：１）双极晶体管(BipolarTransistor)，习惯简称三极管或晶体管。２）场效应晶体管(FieldEffectTransistor,)，从结构上又可分为：

a)

MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应晶体管）

b)

JFET（结型场效应晶体管）１、半导体(SemiConductor)材料的特性。半导体：导电性能介于导体和绝缘体材料之间的材料。单质元素半导体只有硅(Si,Silicon)和锗(Ge,germanium)两种材料。

硅：IV族元素，原子序数14，外层电子轨道分三层，分别有2、8、4个电子，最外层价电子数为4。单晶硅：硅外层电子和其它硅原子的电子形成共价键，有序排列起来，就形成晶体硅。EV：价带EC：导带Eg：禁带EF：费米能级Ei：本征能级硅单晶中原子的有序排列，形成能带结构。室温下不同半导体材料的禁带宽度（Eg）Si1.12evGe0.66evGaAs1.42ev不含有杂质的纯净半导体材料称本征半导体，在能带结构中没有其它的能级。1.1本征半导体本征半导体的导电能力很弱。

1）在T=0K时，半导体不导电，同绝缘体一样。

2）在T=300K时，Si

的电阻率为2.3105

cm，Ge为47cm本征半导体的导电机制：

1）热运动使少量的共价电子摆脱束缚，成为可以在晶格中自由运动的“自由电子”参与导电。

2）断裂的共价键处留下一个带正电的“空穴”，其它共价键上的电子可以填补“空穴”，在宏观上““空穴”也可以自由运动，参与导电。”电子“和”空穴“统称载流子

复合：电子和空穴相遇时消失。在热平衡状态下，”电子“—”空穴“对的产生和复合作用达到一个平衡，宏观上有一定浓度的”电子“—”空穴“对存在，这些载流子称本征载流子，记为ni。1.2掺杂半导体

在半导体材料中引入特定的杂质，可以改变材料的性能。1）N(Negative)型半导体在半导体材料中引入P、As、Sb等V族元素。2）P(Postive)型半导体在半导体材料中引入B、Al、Ga、In等III族元素。P原子最外层有5个价电子，占据晶格位置后4个电子与硅原子形成共价键，多余的一个电子成为”自由电子“，可以参与导电。P原子掺入硅中后，在禁带中靠近导带底部引入了浅能级，这些浅能级中的电子很容易激发到导带中去，形成“自由电子”，参与导电。B原子最外层有3个价电子，占据晶格位置后3个电子都与硅原子形成共价键，周围的硅原子有一个电子无法形成共价键，留下一个带正电的“空穴”，可以参与导电。B原子掺入硅中后，在禁带中靠近价带顶部引入了浅能级，价带中的电子很容易激发到这些浅能级中去，从而在价带中留下带正电的“空穴”参与导电。在N型硅中，V族元素称“施主”杂质，代表放出“电子”，此时材料中电子占多数，称“多数载流子”，空穴占少数，称”少数载流子“。在P型硅中，III族元素称“受主”杂质，代表可以俘获“电子”，此时材料中空穴占多数，为“多数载流子”，电子占少数，为”少数载流子“。在掺杂半导体中，本征热激发过程依然存在，材料中同时有“电子”和“空穴”。掺入少量的杂质后，半导体材料的导电性能将大幅度提高。2、半导体二极管

2.1

pn结的单向导电性

pn结：p型和n型半导体的交界面。

2.1.1pn结中载流子的运动１）载流子从高浓度的区域向低浓度的区域扩散，在p区留下带负电的硼原子核，在n区留下带正电的磷原子核．２）p区带负电的硼原子核和n区带正电的磷原子核之间形成电场，称”自建电场“，该电场使载流子产生漂移运动，方向与扩散运动相反，阻碍了载流子的扩散运动。３）最终载流子的扩散和漂移运动达到一个平衡。“自建电场”区域内没有载流子，仅有带电的原子核，称“耗尽区”。载流子的运动分为“扩散”和漂移“两种，分别产生“扩散电流”和“漂移电流”扩散：载流子在浓度梯度的作用下由高浓度区向低浓度区的运动。漂移：载流子在电场作用下的运动。2.1.2pn结的单向导电性１）正向偏置：外加电场方向与pn结的自建电场方向相反，因此自建电场被削弱，耗尽区变薄，载流子的扩散运动大于漂移运动，pn结能够导电，并且电流随外电压的增加而迅速增加。称“正向导通”状态。２）反向偏置：外加电场方向与pn结的自建电场方向相反，因此自建电场增强，耗尽区变宽，多数载流子无法通过耗尽区而运动，pn结几乎不导电。称“反向截止”状态。

在“反向截止”状态，pn结可以通过微弱的电流，这一部分电流称“反向漏电流”。

当pn结两端的外加反向电场达到一定程度时，pn结将发生“击穿”，反向电流迅速增大。2.2二极管的伏安特性二极管的电流电压方程：

I

：二极管电流

IS

：常数

U

：外加电压

UT

：热电动势二极管的符号：箭头的方向代表导电的方向。1）正向电流：电流与外加电压成指数关系。

特点：外加电压较小时，正向电流很小，几乎为零。当电压大于一定值时，才会有明显的电流。死区电压（结压降）：二极管没有明显电流的电压区域。类型硅管锗管肖特基管死区电压0.50.7V0.10.3V

0.3V

简化的伏安特性：当外加电压小于死区电压时，二极管无电流；当外加电压大于死区电压，二极管电流为无穷大。该近似能简化许多电路中的估算。2）反向电流：（反向饱和电流）

特点：当外加反向电压时，二极管反向漏电流很快趋向饱和值(IS)；当反向电压大于某值(VBR)时，二极管反向击穿，电流急剧增大。“反向漏电流”通常很小，其影响在电路分析中可以忽略掉2.4二极管的主要参数

1.最大整流电流（IF）：允许通过二极管的最大平均正向电流。取决于二极管的结面积和封装形式。

2.最高反向工作电压（UR）：常取击穿电压UBR的一半。

3.反向电流（IR）：室温下加规定的反向电压时，二极管的反向漏电流。

4.最高工作频率：取决于pn结的结电容。2.5稳压管一种特殊二极管，利用二极管反向击穿特性来输出恒定的直流电压。稳压管的主要参数：1）稳定电压UZ：击穿电压UBR。2）稳定电流IZ：正常工作时的最小参考电流。3）动态内阻rZ：静态工作点上

V-I曲线的斜率的倒数。4）温度系数

U：工作电流一定时，环境温度变化引起的UZ

变化的百分比。温度系数

U的特性由pn结的击穿机制决定，对于硅二极管：

a.UBR>6.7V，pn结为雪崩击穿，

U为正。

b.UBR<4.5V，pn结为齐纳击穿（隧道击穿），

U为负。3、双极型三极管。双极三极管管是各种电子电路的核心器件。发射极（emitter），基极（base），集电极（collector）

三极管有两个pn结，从结构上分为npn管和pnp管两大类型。符号中箭头的方向代表电流流动方向，即pn结正向偏置方向。3.1三极管的结构三极管有两个pn结，产生放大作用的关键结构在于。

1）基区厚度很薄。

2）发射区的掺杂浓度>>基区掺杂浓度。3.2三极管的放大作用和载流子的运动三极管在电路中要产生放大作用的条件：

1）发射结正向偏置2）集电结反向偏置npn:集电极的电位必须高于基极。pnp:集电极的电位必须低于基极。3.2.1npn管中载流子的运动(Ie=Ib+Ic)特点：a）由于发射区掺杂浓度n+>>基区掺杂浓度p，因此从发射区扩散到基区的电子数（2+3）>>基区扩散到发射区的空穴数（4）。b）由于基区很薄，因此发射区扩散到基区的电子（2+3）中，只有很少的一部分（2）被复合，绝大部分电子（3）都通过集电结到达集电区，形成集电极电流IC。如果忽略：a）基区扩散到发射区的空穴电流

b)集电结的反向电流则可以得到载流子的运动的简化图象。

由于发射结正向偏置，发射区高浓度的电子向基区扩散，形成发射极电流Ie；扩散到基区的电子一部分被复合，形成基极电流Ib；其余的大部分电子到达集电结耗尽区边缘，在反向电场作用下被扫到集电区内，形成集电极电流Ic定义：1）共基电流放大系数：从发射区扩散到基区的电子，到达集电区的比例。2）共射电流放大系数：从发射区扩散到基区的电子，到达到达集电区的量与被复合的量的比值。由：可得：

当be之间的正向电压加大时，将会有更多的电子从射区扩散到基区（Ie增大），同时到达集电极的电子也会增加（Ic增大），基区内复合的电子数也会增加（Ib增大）。Ie、Ic和Ib三者之间的比例基本不变。故对于一只特定的三极管，

和

值可以近似看为不变的常数。常用的三极管，

值在数十到数百之间。3.2.3晶体管的反向电流3.2.2三极管的放大作用

Ic=

Ib，三极管的放大作用是指，电路中可以用基极的的小电流Ib去控制集电极的大电流Ic

。ICBO：发射极开路时，cb之间的反向电流，这一电流相当于单个pn结的反向漏电流。ICEO：（反向穿透电流）基极开路时，ce之间的反向电流，有：物理意义：

1）集电结反向偏置，有漏电流ICBO。

2）ICBO从基极流向发射结，引起发射极电子发射。

3）发射的电子通过基区，被集电结收集。

4）因此形成了被放大的反向穿透电流ICEO。3.3三极管的特性曲线特性曲线：全面描述和反映三极管b,c,e极之间的电流电压关系的I—V曲线，这些曲线可以通过测量得到．根据测量端口又分为输入特性曲线和输出特性曲线．1、（共射）输入特性曲线测量当Uce一定时，Ｕbe和Ib之间的关系．2、（共射）输出特性曲线测量Ib恒定时，Ic和Uce之间的关系。3.3.1（共射）输入特性曲线

根据Uce的不同分为3种不同的情况理解。(1)Uce=0

集电结和发射结都正向偏置，等同于两只二极管并联，集电结无收集作用。此时，Ib

Ie，Ic0，发射区电子扩散到基区后几乎全部复合，从基极流出，形成Ib。(2)Ｕce

<Ube集电结和发射结都正向偏置，集电结有一定的收集作用，此时，发射区电子扩散到基区后只有部分被复合，形成Ib，另一部分被集电结收集，形成集电极电流Ic。(3)Uce

Ube

集电结正偏，发射结反偏，集电结收集作用很强，此时，发射区电子扩散到基区后只有很少部分被复合，形成Ib，大部分被集电结收集，形成Ic。(4)Uce进一步增高，集电结耗尽区展宽，使有效基区宽度减小，基区内复合减小，Ib进一步减小。总结：Ib和Ube之间呈指数关系，随着Uce的增加，关系曲线向右移动。3.2.2（共射）输出特性测量Ib恒定时，Ic和Uce之间的关系。

当Ib=0时，集电极几乎没有电流，仅有反向穿透电流ICEO。当Ib>0时：

1)Uce=0,集电结没有收集作用，Ic=0。

2)Uce<Ube，三极管工作在饱和区，集电结收集作用随Uce的增加而快速增加，因此Ic随Uce快速增加。

3)Uce>Ube，三极管工作在线性放大区，Ic几乎不随Uce变化，有Ic=

Ib。

4)Uce继续增加，集电结发生击穿。在饱和区，三极管的基极电流不能控制集电极电流Ic

Ib4.场效应晶体管

单极器件，只有一种载流子导电。4.1绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）从导电沟道的类型上分为：

1)n沟道管，由电子导电。

2)p沟道管，由空穴导电。从开启电压的极性上又可以分为：

1)增强型管。当栅压为零时不能导电。

2)耗尽型管。当栅压为零时管子已经能够导电。因此MOS管可以分为四类：在实际应用中，MOS管以增强型为主，符号可以简化为：4.1.1N沟增强型

1)器件结构沟道宽度W：源漏区的宽度。沟道长度L：源漏区的间距。MOS管的重要结构参数宽长比：W/L。在一定的工艺下，宽长比是器件设计者唯一可改变的物理参量，去控制MOS管的电学性能。2）MOS管的工作原理利用“感应电荷”来控制MOS管的导电。

MOS管的三层结构相当于一个平板电容，当改变栅压时可以改变电容电荷量。(1)“反型层”的形成机制将S、D接地，在栅、源之间加上一个正向偏压VGS。

a.当VGS=0时，源漏之间有一个n+pn+结构存在，因此源漏之间不能导通。

b)当VGS>0，但是VGS较小时，栅下产生一个电场，形成耗尽区，S、D之间依然不能导通。

该电场“排斥”空穴，“吸引”电子。

c)当VGS足够大时，将有足够多的电子被“吸引”而聚集在栅下，形成一个电子的薄层，称“反型层”，也叫“沟道”，此时源漏之间连通。阈值电压（ThresholdVoltage)，开启电压当“反型层”形成时所需的栅源电压差。对特定的工艺生产和制备的MOS管，阈值电压是一个定值。“反型层”形成的能带变化(2)MOS管的导电特性当导电沟道形成以后，在漏源之间加入电压，MOS管开始导电，形成源漏电流IDS。(a)当VDS较小（VDS<VGS-VTH)时，由于源漏之间电场的存在，沟道形成“梯形”，此时IDS随VDS抛物线上升：(b)当VDS增大（VDS

＞VGS-VTH)时，漏极点附近的沟道在电场的作用下被“夹断”，沟道形成“三角形”，此时IDS基本不再受VDS变化的影响：(c)当漏极电压继续升高，MOS管发生击穿。(3)MOS管的特性曲线

1)输出特性曲线：测量当VGS恒定时，IDS和VDS之间的变化关系。

当VGS<VTH时，无沟道形成，MOS管不导通，处于截止区。

当VGS>VTH且VDS

<VGS-VTH时，沟道呈“梯形”，MOS管导通，处于可变电阻区，IDS随VDS呈抛物线上升。

当VGS>VTH且VDS

>VGS-VTH时，沟道呈“三角形”，MOS管导通，处于恒流区，IDS不随VDS变化。2)转移特性曲线测量当VDS恒定不变时，VGS与IDS之间的变化关系。

当VGS<VTH时，无沟道形成，MOS管不导通，处于截止区。

当VGS>VTH且VGS

<VDS+VTH时，，MOS管处于恒流区，IDS与VGS呈平方关系上升。

当VGS>VTH且VGS

>VDS+VTH时，MOS管进入可变电阻区，IDS随VGS变化线性上升。4.1.2N沟耗尽型

1)器件结构

N沟耗尽型MOS管的结构和增强型的结构一样，只是在制备中刻意在栅氧化层中引入适量的“固定正电荷”，这些正电荷同样可以产生电场“排斥”空穴，“吸引”电子。虽然没有外加电压，但是“反型层”已经形成，MOS管处于导通状态。如果有外加偏压VGS：

VGS>0，则可以增加MOS管的导电能力。

VGS<0，则将会削弱MOS管的导电能力。如果外加的反向偏压足够大（VGS<VTH,VTH

为负），则已形成的沟道消失，MOS管不再导通。2)特性曲线输出特性曲线转移特性曲线4.1.3P沟增强型和耗尽型MOS管P沟管和N沟管的结构完全互补对称。“反型层”由空穴组成。所有外加偏压的方向与N管相反。4.1.4MOS管的跨导（gm）

当MOS管工作在恒流区时，IDS的变化量与VGS的变化量之比：MOS管gm与三极管

值的比较：

值：衡量三极管电流控制电流的能力。

I