半导体器件课件

半導體器件

5.1半導體與PN結

導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體.

常用的半導體材料是鍺（Ge）和矽（Si）。5.1.1本征半導體

1.純淨的半導體稱為本征半導體。

2.本征半導體的共價鍵結構:

最外層都有四個價電子;

每一個價電子都和鄰近原子的價電子組成一對共價鍵，形成相互束縛的關係。

3.最外層均有八個價電子而處於穩定狀態。這時半導體內部沒有任何帶電的粒子存在，半導體材料相當於絕緣體。

4.本征激發:

溫度或外界光照影響下，價電子電子得到能量，其中少數能量較大的價電子可以擺脫共價鍵的束縛而形成自由電子,這種現象稱為本征激發5.電子－空穴對:

價電子脫離了共價鍵束縛後，在原共價鍵中缺少一個應有的電子而留下了“空穴”，形成電子－空穴對.“空穴”因失去電子而形成的，被視為帶單位正電荷.6.複合:

帶正電荷的空穴，會吸引相鄰原子上的價電子來填補(複合)，而在這個價電子的原來地方留下新的空穴。

7.載流子空穴(+)和電子(-)都是帶電的粒子，稱為載流子.

空穴和電子的運動是雜亂無章的,在本征半導體中不構成電流。

8.激發和複合的動態平衡:

在外界環境影響下，電子和空穴的激發和複合是同時進行的，並保持動態平衡，使電子－空穴的濃度保持不變。 隨著溫度的升高，本征激發會提高電子－空穴對濃度。5.1.2P型半導體和N型半導體本征半導體中空穴(+)和電子(-)是等量的而且很少.

在本征半導體中摻入微量的其他(雜質)元素,摻雜後的半導體 ---雜質半導體。摻雜的元素不同，P型(雜質)半導體和N(雜質)型半導體。

1.N型半導體

在本征半導體鍺或矽中摻入五價的磷(P)或銻(Sb)元素，雜質原子代替本征半導體晶格中的某些鍺或矽的原子，並提供一個多餘價電子，它僅受本身原子核的吸引，只要獲得少量的能量就能掙脫原子核的束縛而成為自由電子。五價的雜質元素提供多餘的價電子，稱此雜質為施主雜質。摻入施主雜質後的半導體中自由電子的濃度遠大於空穴，這樣的半導體稱為N型半導體。

N型半導體中自由電子稱為多數載流子，空穴稱為少數載流子.

五價的雜質原子由於給出一個價電子後成為帶正電荷的離子,它是被束縛在半導體晶格中不能移動而不能參與導電。

N型半導體簡化結構空穴２．P型半導體在本征半導體鍺或矽中摻入三價的元素(B)或(Al)．三價元素的原子代替本征半導體晶格中（鍺或矽）的原子。由於三價元素只有三個價電子，使第四對共價鍵留下“空穴”，鄰近原子共價鍵上的電子只需獲得少量的能量就能填補這個空穴，三價的雜質元素的原子能接受電子，故稱為受主雜質。摻雜後的半導體中空穴為多數載流子，

自由電子為少數載流子，這樣的半導體稱為P型半導體。負離子多子空穴少子電子Ｐ型半導體簡化結構5.1.3PN結1.PN結的形成:

純淨的半導體晶片上，一邊摻雜成P型半導體，一邊摻雜成N型半導體,如下圖.

1).擴散運動:

濃度的差異引起載流子的運動稱為擴散運動

.擴散從P區與N區的交界處開始。空穴擴散到N區與電子複合，在P區留下不能移動的負離子；電子擴散到P區與空穴複合.2)空間電荷區:在N區留下不能移動的正離子。在P區和N區的交界附近形成一個不能移動的正、負離子的空間電荷區稱為PN結。

3).飄移運動:

由正、負離子組成的空間電荷區,其電場是由N區去指向P區，即PN結的內電場。(見上頁圖)

內電場力阻礙多子的擴散，有利於雙方少子向對方運動(飄移運動)。飄移運動所形成的電流稱為飄移電流。4)動態平衡 少子的飄移運動(複合對方的離子)會使空間電荷區變窄，消弱了內電場。使內電場力減小，又有利於擴散的進行。

擴散

→

空間電荷區→

內電場力→

飄移運動

→消弱了內電場

動態平衡---空間電荷區穩定

(1).PN結正向偏置:如圖

---P區接電源的正極，

N區接電源的負極.

外電場消弱了內電場，使PN結變窄，破壞了原動態平衡，多子的擴散大於少子的飄移，外電路可測到一個正向電流I，此時稱為PN結導通

.

PN結呈現為低電阻.

2.PN結的特性

PN結兩端加不同極性的電壓，就會有不同的導電特性。

(2).PN結反向偏置

:如圖

---P區接電源的負極，

N區接電源的正極

.

外電場增強了內電場，使PN結變寬，破壞了原有的動態平衡，加強子的飄移運動。少子的數量很少.因此，少子的飄移運動產生的電流很小，可忽略不計，此時稱為PN結截止。

PN結呈現出高電阻。

(3).單向導通特性

PN結正向偏置，PN結呈現低阻，正嚮導通；

PN結反向偏置，PN結呈現高阻，反向截止。

---PN結重要的單向導通特性。5.2半導體二極體

5.2.1基本結構一個PN結上引出兩個電極，加上外殼封裝,如右圖(a)。半導體二極體用圖(b)符號表示.

加工工藝不同,二極體類型:

點接觸型二極體:PN結面積很小，流過電流小。結電容小，多用於 高頻與開關電路。點接觸型二極體多是鍺管。

面接觸型二極體:PN結的面積大，可通過大的電流，工作頻率低， 多用於整流電路。此類管一般是矽管。

5.2.2伏安特性

伏安特性曲線:是指流過二極體的電流和二極體兩端電 壓之間的關係曲線，如下圖。1.當正偏置電壓<Uth值:

正偏置電壓不足以克服內電場，流過二極體的電流非常小--死區2.正偏置電壓>Uth值:

流過二極體的電流才隨電壓的增加而呈指數式大—導通區

Uth稱為二極體的門限(死區)電壓。鍺管:Uth值約為0.1V;

矽管:Uth值約為0.5V。

使二極體上有明顯的電流流過，鍺管正向電壓應取(0.2~0.3)V;

矽管正向電壓應取(0.6~0.8)V，這個電壓稱為二極體導通電壓UD(正嚮導通壓降)。

死區導通區UD3.反向特性:

1).反向截止狀態 :

二極體加反偏置電壓時，只有少數載流子的飄移運動產生微 小的反向電流，稱為反向飽和電流--二極體反向截止。

2).反向擊穿狀態:

當反向電壓加大到某一數值時，反向電流將會急劇增加，

---稱為反向擊穿，該反向電壓稱為反向擊穿電壓Ubr。這時，二極體失去單向導電的特性。5.2.3主要參數

1.最大整流電流---最大正向平均電流

.2.最高反向工作電壓

--二極體加反向電壓時不被擊穿的極限參數。

3.最大的反向電流---單向導電性能好壞的指標.

5.2.4. 穩壓二極體

1.原理與符號:(左圖)

當二極體兩端的反向電壓加大到一定程時,

反向電流急劇增加大---二極體反向擊穿特性.

在這區間裏，反向電流在很大範圍內變化， 而二極體兩端電壓基本不變。

採用特殊的工藝可製作成穩壓二極體，它在電路中能起到穩壓的作用。工作在反向穿狀態下，它的反向擊穿是可逆的。

2.主要參數(1)穩定電壓UZ：是穩壓二極體正常工作時的穩壓值(2)穩定電流IZ：正常穩壓時的最小工作電流。(3)動態電阻rZ：rZ越小,穩壓性能越好.正向特性反向特性ΔIZΔVZ0VI5.3半導體三極管

5.3.1三極管的基本結構

一塊半導體基片上摻雜形成三個區。由P區和N區的排列不同，三極管分成兩類：NPN型和PNP型，如圖(a)和(b)所示。三個區兩個結三個極5.3.2三極管的電流放大作用

1.電源EB向發射結提供正向偏置，UBE>0。

發射結有明顯的電流流過，鍺管正向電壓應>(0.2~0.3)V; 矽管正向電壓應>(0.6~0.8)V，

(正嚮導通壓降)。2.電源EC向集電結提供反向偏置，UCB>0。

三極管(NPN為例)要實現放大的條件:如圖(a)所示。1.發射區發射多數載流子形成IE(1).發射區中多子—電子向基區擴散形成電流IEN

(2).基區中多子—空穴，向發射區擴散形成電流IEP

(3)兩者的電流方向相同，形成發射極電流IE

IE=IEN+IEP≈IEN

E區摻雜的濃度遠高於

B區摻雜的濃度.(1).發射區向基區擴散的電子少數在基區與空穴複合形成複合 電流IBN,絕大多數都能穿越基區到達集電結附近。(2).集電結反向偏置，基區和集電區的少子互向對方飄移，形 成飄移電流ICB0，稱為反向電流。(3)上已知:基區中多子—空穴，向發射區擴散形成電流IEP(4)組成基極電流IB有:IB=IBN+IEP

-ICB0

≈IBN

-ICB0

(5-2) 3.集電區收集載流子形成集電極電流IC(1)集結在集電結附近發射區發射過來的大量電子,

被EC正極吸引到集電區，流向EC的正極，形成ICN

(2)上已知:基區和集電區中少子飄移，產生飄移電流ICB0 (3)集電極電流IC為

:

IC

=

ICN

+ICB0=

IEN

-

IBN

+ICB0(5-3)

2.基區複合形成基極電流IC4.三極管電流分配關係:

已知:式(5-1)、(5-2)、(5-3)如下: IE=IEN+IEP(5-1) IB=IBN+IEP

-ICB0

(5-2) IC

=

IEN

-

IBN

+ICB0(5-3)

而(5-2)+(5-3)得

IB+IC

=

IEN+IEP

即:

IE=IB+IC

分析可看出：發射極電流IE等於集電極電流IC和基極電流IB之和.

把三極管看成一個結點，根據基爾霍夫電流定律，則可寫成:IE=IB+IC

5.電流放大倍數將IC和IB的關係寫成:

由於IC比IB的電流大得多,稱為直流放大倍數

同樣可寫成電流變化量比:

稱為交流放大倍數

在實際中，兩個放大倍數在數值上很接近，常相互替換.

IC比IB的電流關係寫成:

可看出:當IB(ΔIB)有很小的變化時，就會控制IC(ΔIC)的很大變化.

IEIBIC

6.共發射極電路

在上述分析的圖(a)電路中:

發射極是基極回路(輸入回路)和集電極回路(輸出回路)共有，此電路的接法稱為共發射極電路。

所以這裏的電流放大係數的全稱應為共發射極電流放大係數，簡稱為電流放大係數。

對於具體的某個三極管，它一旦製作完成，其電流放大係數就確定了而不會改變。5.3.3三極管伏安特性曲線

伏安特性曲線包括輸入特性曲線和輸出特性曲線.可以通過實驗方法(見圖)或用電晶體圖示儀獲得。輸入回路輸出回路1.輸入特性曲線:

輸入回路的函數關係式：

IB=f(UBE)│UCE常數

發射極之間的電壓UCE為常數時，基極回路中基極電流IB與基極、發射極間電壓UBE的關係曲線.右圖所示。

集電結加有反向偏置電壓:

輸入特性曲線和二極體的伏安特性曲線相同

(1)死區:UBE<0.7V,IB≈0(2)導通區: UBE>0.7VIB與隨UBE的增加明顯增大.死區導通區2.輸出特性曲線

基極電流IB為常數，集電極回路中IC與集電極、發射極間電壓UCE的關係曲線.函數關係式為:

IC=f(UCE)│IB=常數

完整的輸出特性曲線如右圖.

輸出特性曲線分成三個工作區域:

截止區： 飽和區： 放大區：代表三極管的三個不同的工作狀態。

放大區

輸出特性曲線(1)截止區：

位於輸出特性曲線的最下端，IB=ICB0曲線以下區域。 三極管的兩個結都處於反向偏置狀態，即

UBE<0，UBC<0

此時IC=IB=ICB0，三極管不導通(截止),無放大作用。(2)放大區：

在輸出特性曲線區域的中間部分，是由一族近乎水準的直線組成。

發射結(UBE>0)的正向偏置，集電結(UBC<0)的反偏狀態，三極管導通,電流特點符合IC=βIB的放大關係。(3)飽和區：

輸出特性曲線迅速上升和彎曲部分的右邊。

三極管的兩個結都處於正向偏置狀態，即UBE>0，UBC>0

可看出：IC電流不受IB的控制，IC和IB已不符合β的關係。

----飽和工作狀態，一般認為：當UCE<1時，三極管已處在飽和區工作。

5.3.4三極管主要參數

選擇和使用三極管的重要依據。1.共射極直流交流放大係數:2.穿透電流(反向飽和電流)ICE0:

基極開路，集電極與發射極之間的電流。

ICE0受溫度影響大，ICE0越小則其溫度的穩定性就越好。3.集電極最大允許電流ICM IC的增加會使電流放大係數β下降。當β下降到其正常值三分之二時的IC,稱為集電極最大允許電流。4.集電極最大允許耗散功率PCm

集電極允許耗散功率的定義為

PC

=UCEIC

三極管在工作時，工作電壓UCE主要降在集電結上。

IC流過集電結時要產生熱量，使結溫上升，會引起三極管參數發生變化。 實際使用功率PC超過PCm，將毀壞三極管。

5.反向擊穿電壓U(BP)CE0

是指基極開路時，集電極—發射極之間所加的最大允許電壓。實際使用電壓UCE超過時，ICE0就會突然上升，意味著三極管已被擊穿.安全工作區:由 集電極最大允許電流、 反向擊穿電壓、 集電極最大允許耗散功率三個參數共同組成了三極管的安全工作區，如右圖所示的三條虛線圍成的區域。5.4場效應管

三極管:輸入電流控制輸出電流---電流控制器件.

場效應管:用輸入電壓控制輸出電流---電壓控制器件 特點:具有輸入阻抗高、內部雜訊小、熱穩定性能好、 抗幅 射能力強、耗電量小、製作工藝簡單且易於集成化

種類:場效應管(FieldEffectTransistor，簡稱FET)

按結構和導電機理分成兩類:

一類為結型場效應管(unctionFET，簡稱JFET)； 一類為絕緣柵型場效應管(InsulatedGateFET，簡稱 IGFET)。廣泛應用在大規模積體電路中.

5.4.1絕緣柵型場效應管

材料:是由金屬、二氧化矽絕緣層及半導體構成。叫做金屬—氧化物—半導體場效應管，簡稱MOS管 (Metal-oxide-semiconductortypefield-effect Transistor)

種類:分為N溝道和P溝道(NMOS和PMOS)，每種溝道中又有增強型和耗盡型之分，共有四種類型。

增強型場效應管:輸入端(柵源)電壓為零時，管子內部沒 有導電溝道，場效應管產生電流。耗盡型場效應管:柵源電壓為零時，管子內部已經存在 了導電溝道，當場效應管加上漏源電 壓，就有電流存在。

1.絕緣柵型場效應管的結構:

以N溝道增強型場效應管結構為例,

如圖所示。

1).低摻雜的P型矽片作為襯底

2).上面製成兩個相距很近的摻雜濃度很高的N+型區(N+型漏區和N+型源區).3).分別安置兩個電極(源極S和漏極D)。

4).在兩個N+型區之間的矽表面上做一層二氧化矽的氧化膜，再安置一個金屬電極(柵極G)。5).襯底B的大部分是和源極S相連，也有單獨引出的(B)。特點:(1)柵極G同半導體P是絕緣;

因而柵源之間的電阻(輸入電阻)RGS有極高的阻值.(2)在N+型的漏區和N+型的源區之間被P型的襯底所隔開，形成了兩個背靠背的PN+結。 在UGS=0時，不管漏極D和源極S之間加上何種極性的電壓，這兩個背靠背的PN+結，總有一個反向偏置，都不能使漏極D和源極S之間產生電流，即漏極電流ID=0。+-+-+-+-+-+-PN結極性N溝道增強型場效應管的電路符號如右圖所示。P溝道增強型場效應管的結構和符號如下圖所示場效應管的轉移特性曲線

如圖連接:

(1).加UGS>0，源極S和P型的襯底相連接.在靠 近絕緣層表面P區一側感應出負電荷。感 應負電荷隨著UGS加大而增多，產生N+型 層---稱為反型層。在兩個N+型區之間形 成了一條N型的導電溝道.

形成N型導電溝道的柵源電壓UGS 稱為開啟電壓UGS(th)。

(2).這時如加正電壓UDS，源區中的電子就會沿 著導電溝道到達漏極，形成漏極電流ID。

加大UGS，導電溝道加寬，導電能力增 強，ID增大。

ID和UGS的關係曲線稱為場效應管的轉移特性曲線,反映了

UGS對ID控制特性。UDSUGS<UGS(th)3.場效應管的輸出特性曲線

場效應管的輸出特性曲線定義為：

ID=f(uDS)，uDS=常數

(1)在UGS<UGS(th)。無溝道形成，加任何數值的UDS,都不會產生ID電流，場效應管處於截止狀態。(2)當UGS>UGS(th)時，溝道形成，加上UDS，產生ID電流，而且會隨著UDS的加大而增大;(3)隨著UGS加大，導電溝道加寬，導電能力增強，ID增大。輸出特性曲線可分成三個區:在Ⅰ區中:當UGS<UGS(th)時，無ID電流，稱為截止區。在Ⅱ區中:當UGS>UGS(th)時，ID與UDS之間是可變的線性電阻關係，稱為可變線性電阻區在Ⅲ區中:ID不隨UDS增大而增大，而是維持在某一個數值上，稱為恒流區。呈現出很大的輸出電阻r0。在不同的柵源電壓下，漏極的電流是呈線性增大的△ID△UDS4.場效應管的控制參數——跨導gm

場效應管是電壓控制器件。 跨導gm--柵源電壓對漏極電流控制能力的強弱。 在uDS=常數時，ΔUGS變化就會引起漏極電流ΔID的增加. gm---

單位為西[門子]，符號為S，一般為毫西(ms)。5.4.2結型場效應管

1.結構與符號:

如右圖5所示:(1)在一低摻雜的N型矽片的兩側，摻 雜成兩個高濃度的P+區，形成兩 個P+N結耗盡層。

(2)將兩個P+區連接在一起，作為控 制柵極(G).