半导体器件基础课件

半導體器件基礎1.1半導體的基本知識

在物理學中。根據材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是矽Si和鍺Ge，它們都是4價元素。矽原子鍺原子矽和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。

本征半導體的共價鍵結構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導體

本征半導體——化學成分純淨的半導體晶體。製造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。

當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。

可見本征激發同時產生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。

動畫演示

與本征激發相反的現象——複合在一定溫度下，本征激發和複合同時進行，達到動態平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度矽：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負電荷電子流動畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導體的導電性取決於外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制二.雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素後的半導體稱為雜質半導體。1.

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

N型半導體多餘電子磷原子矽原子多數載流子——自由電子少數載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。空穴硼原子矽原子多數載流子——空穴少數載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導體雜質半導體的示意圖++++++++++++N型半導體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關多子濃度——與溫度無關內電場E

因多子濃度差

形成內電場

多子的擴散

空間電荷區

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區多子擴散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結及其單向導電性

1.PN結的形成

動畫演示少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO矽0.5V鍺0.1V2.PN結的單向導電性(1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區，負極接N區

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區，負極接P區

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。動畫演示1

動畫演示23.PN結的伏安特性曲線及運算式

根據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結電擊穿——可逆

根據理論分析：u為PN結兩端的電壓降i為流過PN結的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量其中k為玻耳茲曼常數

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學溫度對於室溫（相當T=300K）則有UT=26mV。當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時4.PN結的電容效應

當外加電壓發生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CB(2)擴散電容CD

當外加正向電壓不同時，PN結兩側堆積的少子的數量及濃度梯度也不同，這就相當電容的充放電過程。電容效應在交流信號作用下才會明顯表現出來極間電容（結電容）1.2半導體二極體

二極體=PN結+管殼+引線NP結構符號陽極+陰極-

二極體按結構分三大類：(1)點接觸型二極體

PN結面積小，結電容小，用於檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極體

用於積體電路製造工藝中。PN結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極體

PN結面積大，用於工頻大電流整流電路。半導體二極體的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數字代表同類器件的不同規格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極體，3代表三極管。

一、半導體二極體的V—A特性曲線

矽：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺

矽：0.7V鍺：0.3V二.二極體的模型及近似分析計算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件二極體的模型DU串聯電壓源模型UD二極體的導通壓降。矽管0.7V；鍺管0.3V。理想二極體模型正偏反偏導通壓降二極體的V—A特性二極體的近似分析計算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極體模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V例：二極體構成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別採用理想二極體模型、理想二極體串聯電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）採用理想模型分析。

採用理想二極體串聯電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別採用理想二極體模型和理想二極體串聯電壓源模型分析電路並畫出相應的輸出電壓波形。解：①採用理想二極體模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②採用理想二極體串聯電壓源模型分析，波形如圖所示。三.二極體的主要參數

(1)最大整流電流IF——二極體長期連續工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極體反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規定的反向電壓下的反向電流值。矽二極體的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極體在微安(

A)級。當穩壓二極體工作在反向擊穿狀態下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數穩定電壓四、穩壓二極體

穩壓二極體是應用在反向擊穿區的特殊二極體正向同二極體反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻

穩壓二極體的主要參數

(1)穩定電壓UZ——(2)動態電阻rZ——

在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

rZ=

U

/

I

rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩定工作電流IZmin——

保證穩壓管擊穿所對應的電流，若IZ＜IZmin則不能穩壓。

(4)最大穩定工作電流IZmax——

超過Izmax穩壓管會因功耗過大而燒壞。*

1.3半導體三極管

半導體三極管，也叫晶體三極管。由於工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型電晶體（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。

BJT是由兩個PN結組成的。一.BJT的結構NPN型PNP型符號:

三極管的結構特點:（1）發射區的摻雜濃度＞＞集電區摻雜濃度。（2）基區要製造得很薄且濃度很低。--NNP發射區集電區基區發射結集電結ecb發射極集電極基極--PPN發射區集電區基區發射結集電結ecb發射極集電極基極*二．BJT的內部工作原理（NPN管）

三極管在工作時要加上適當的直流偏置電壓。若在放大工作狀態：發射結正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集電結反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發射極接法c區b區e區

（1）因為發射結正偏，所以發射區向基區注入電子，形成了擴散電流IEN

。同時從基區向發射區也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數量小，可忽略。所以發射極電流IE≈

IEN。

（2）發射區的電子注入基區後，變成了少數載流子。少部分遇到的空穴複合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達了集電區的邊緣。1．BJT內部的載流子傳輸過程（3）因為集電結反偏，收集擴散到集電區邊緣的電子，形成電流ICN

。

另外，集電結區的少子形成漂移電流ICBO。*2．電流分配關係三個電極上的電流關係:IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關係:所以:其值的大小約為0.9～0.99。

(2)IC與IB之間的關係：聯立以下兩式：得：所以：得：令：三.BJT的特性曲線（共發射極接法）(1)輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時，相當於兩個PN結並聯。（3）uCE≥1V再增加時，曲線右移很不明顯。

（2）當uCE=1V時，集電結已進入反偏狀態，開始收集電子，所以基區複合減少，在同一uBE

電壓下，iB

減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區電壓矽0.5V鍺0.1V導通壓降矽0.7V鍺0.3V

(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

現以iB=60uA一條加以說明。

（1）當uCE=0

V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。

（3）當uCE

＞1V後，收集電子的能力足夠強。這時，發射到基區的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

輸出特性曲線可以分為三個區域:飽和區——iC受uCE顯著控制的區域，該區域內uCE＜0.7

V。此時發射結正偏，集電結也正偏。截止區——iC接近零的區域，相當iB=0的曲線的下方。此時，發射結反偏，集電結反偏。放大區——

曲線基本平行等距。此時，發射結正偏，集電結反偏。該區中有：飽和區放大區截止區四.BJT的主要參數1.電流放大係數（2）共基極電流放大係數：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發射極電流放大係數：

2.極間反向電流

（2）集電極發射極間的穿透電流ICEO

基極開路時，集電極到發射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關。

（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發射極開路時，在其集電結上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結的反向電流。其大小與溫度有關。鍺管：ICBO為微安數量級，矽管：ICBO為納安數量級。++ICBOecbICEO

3.極限參數

Ic增加時，

要下降。當

值下降到線性放大區

值的70％時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（3）反向擊穿電壓

BJT有兩個PN結，其反向擊穿電壓有以下幾種：

①

U（BR）EBO——集電極開路時，發射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。

②U（BR）CBO——發射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開路時，集電極與發射極之間允許的最大反向電壓。

在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU

1.4三極管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非線性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec截止狀態ecb放大狀態UDβIBICIBecb發射結導通壓降UD矽管0.7V鍺管0.3V飽和狀態ecbUDUCES飽和壓降UCES矽管0.3V鍺管0.1V直流模型二.BJT電路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）(模擬p58~59)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射電路如圖，已知三極管為矽管，β=40，試求電路中的直流量IB、

IC、UBE、UCE。+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+VCCRc(+12V)4KΩ+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：設三極管工作在放大狀態，用放大模型代替三極管。UBE=0.7V2.圖解法模擬(p54~56)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非線性部分線性部分iC=f(uCE)

iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流負載線斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V

直流工作點Q*

半導體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C矽PNP管、D矽NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規格三極管國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：3DG110B

1.5場效應管

BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數載流子和少數載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場效應管結型場效應管

場效應管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。

FET因其製造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優點，得到了廣泛應用。一.絕緣柵場效應三極管

絕緣柵型場效應管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強型MOS管

（1）結構

4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極體，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區少子電子聚集到P區表面→形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用

定義：開啟電壓（UT）——剛剛產生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。

②漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用

當uGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。（設UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時，id=0。（b）uds↑→id↑；同時溝道靠漏區變窄。（c）當uds增加到使ugd=UT時，溝道靠漏區夾斷，稱為預夾斷。（d）uds再增加，預夾斷區加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。（3）特性曲線

四個區：（a）可變電阻區（預夾斷前）。

①輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=const（b）恒流區也稱飽和區（預夾斷後）。

（c）夾斷區（截止區）。

（d）擊穿區。可變電阻區恒流區截止區擊穿區

②轉移特性曲線：iD=f(uGS)

uDS=const

可根據輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉移特性曲線：UT

一個重要參數——跨導gm：gm=

iD/

uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。

2.N溝道耗盡型MOSFET特點：

當uGS=0時，就有溝道，加入