常用半导体器件

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1、常用半导体器件第1章 常用半导体器件教学内容和要求 理解半导体基本特性和PN结 理解二极管特性 掌握二极管模型和二极管应用电路的分析方法 理解NPN型BJT工作原理和特性 理解N沟道增强型MOSFET工作原理和特性Date常用半导体器件1.1.1 本征半导体半导体硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等本征半导体纯净(7N)且具有完整晶格结构的 半导体1.1 半导体基础知识Date常用半导体器件硅、锗的晶格结构一个原子位于立方体的中 心，其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前 右下、后右上、后左下四个顶点Date常用半导体器件硅、锗的共价键结构+4+4+4+4+4价电子除价电子 外的原子D

2、ate常用半导体器件本征激发一定温度下，本征半导体的热激发+4+4+4+4+4空穴自由电子Date常用半导体器件两种载流子(运载电荷的粒子)本征激发产生 自由电子和空穴两种载流子导电的差异 外电场作用下自由电子的定向运动真正的 载流子 外电场作用下价电子定向依次填补晶格中的空 位(价电子只在共价键间运动)，宏观上将其看为 空穴的定向运动等效载流子Date常用半导体器件空穴的定 向运动自由电子的 定向运动+4+4+4+4+4外电场Date常用半导体器件载流子的复合两种载流子在运动中相遇，使 一对自由电子和空穴消失一定温度下载流子的产生与复合达到动态平衡本征浓度平衡状态下单位体积内的自由电子 或空

3、穴数，用ni或pi表示常温(T=300K)下，硅、锗的本征浓度分别为Date常用半导体器件1.1.2 杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量5价元素( 如磷)形成N型杂质半导体，简称N型半导体施主电离很低温度下， 5价元素就会有价电子 挣脱束缚产生自由电子1、N型半导体Date常用半导体器件价电子+5+4+4+4+4自由电子缺少一个价电 子的正离子Date常用半导体器件N型半导体在一定温度下既有施主电离产生的自由 电子，又有本征激发产生的自由电子和空穴施主电离产生自由电子和不能移动的正离子，不 产生空穴多数载流子和少数载流子N型半导体中，自由 电子是多数载流子，空穴是少数载流子Date

4、常用半导体器件通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量3价元素( 如硼)形成P型杂质半导体，简称P型半导体受主电离很低温度下， 3价元素的空位就会由 邻近的价电子填补，产生空穴2、P型半导体Date常用半导体器件+3+4+4+4+4增加一个价电 子的负离子价电子空穴Date常用半导体器件受主电离产生空穴和不能移动的负离子，不产生 自由电子P型半导体在一定温度下既有受主电离产生的空穴 ，又有本征激发产生的自由电子和空穴P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少 数载流子Date常用半导体器件平衡状态下多子浓度与少子浓度的乘积等于同一 温度时本征浓度的平方(n0p0=ni2=pi2)多子浓度越高，少

5、子浓度越低一定温度下，杂质半导体中载流子的产生与复合 达到动态平衡 N型半导体多子浓度n0 本征浓度ni=pi少子 浓度p0 P型半导体多子浓度p0 本征浓度ni=pi少子 浓度n0Date常用半导体器件常温下杂质电离全部完成，多子浓度约等于杂质 浓度少子浓度对温度非常敏感多子浓度基本与温度无关Date常用半导体器件1.1.3 PN结将本征半导体掺杂为两个区，一个区为P型半导体 ，另一个区为N型半导体PN结两者界面形成的特殊薄层Date常用半导体器件载流子浓度差界面两侧的多子向对方扩散越 界后被复合+1、PN结的形成扩散载流子因浓度差而产生的定向运动Date常用半导体器件P区一侧出现负离子，N

6、区一侧出现正离子，形成 空间电荷区由N区指向P区的内电场+内电场Date常用半导体器件漂移电场作用下载流子所产生的定向运动空穴沿电场方向漂移，自由电子逆电场方向漂移内电场界面两侧的少子向对方漂移无外电场作用条件下，扩散的多子与漂移的少子 达到动态平衡形成 PN结Date常用半导体器件+内电场PN结P区与N区杂质浓度相同，对称PN结；杂质浓度不 同，不对称PN结，空间电荷区向低掺杂区延伸Date常用半导体器件2、PN结的特点 空间电荷区结内存在内电场，电压值硅为 0.60.8V，锗为0.10.3V 耗尽层结内的载流子在PN结形成过程中基 本耗尽Date常用半导体器件3、PN结的单向导电性偏置在半

7、导体器件上所加的直流电压和直流 电流PN结相对于P区和N区而言为高阻区，偏置电压几 乎完全作用在PN结内正向偏置电压正极接P区，负极接N区正向偏置的PN结外电场削弱内电场，破坏动态平衡，扩散的多子 漂移的少子Date常用半导体器件正偏电压越大，正向电流越大多子净扩散外电路形成正向电流(扩散电流)对外电路而言，相当于PN结导通反向偏置的PN结反向偏置电压正极接N区，负极接P区外电场加强内电场，破坏动态平衡，扩散的多子 0uUonuUZuUBE=Uon2、工作在放大状态时内部载流子运动和外电流发射结正向偏置有利于多子扩散发射区多子 向基区扩散外电路形成发射极电流IEecbNPNUBBUCCRbRc

8、IEDate常用半导体器件扩散到基区的自由电子与基区多子复合外电 路形成基极电流IBN发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度且基区很薄 扩散到基区的自由电子只有极少部分与基区 多子复合，IBN远小于IE绝大多数扩散到基区的自由电子到达集电结边界基区多子向发射区的扩散忽略不计Date常用半导体器件ecbNPNUBBUCCRbRcIEIBN集电结反向偏置有利于少子漂移基区非平衡 少子(扩散到基区的自由电子)向集电区漂移 外电路形成集电极电流ICNICNDate常用半导体器件集电区少子向基区漂移漂移到基区的空穴与 基区少子复合外电路形成集电极电流ICBO和基 极电流ICBO，使IC =ICN+ICBO而I

9、B=IBN-ICBOecbNPNUBBUCCRbRcIEIBNICNICBOICBO基区少子向集电区的漂移忽略不计Date常用半导体器件工作在放大状态时内部存在两种载流子运动3、工作在放大状态时的电流分配关系Date常用半导体器件Date常用半导体器件1.3.3 NPN型BJT的共射特性曲线BJT是三端器件，将发射极作为公共端构成双口网 络用特性曲线描述双口网络时将两个自变量中的一 个作为参变量带参变量的曲线族Date常用半导体器件1、共射输入特性曲线共射输入特性曲线以UCE为参变量、uBE为自 变量，iB为因变量的一族曲线每一个给定的参变量UCE 对应一条曲线iBuBEUCE=0.5V UC

10、E=1VUCE=0VDate常用半导体器件共射输入特性曲线的特点 类似于正向偏置时PN结的伏安特性曲线 当参变量UCE 增大即集电结反向偏置电压UCB 增 大时，输入特性曲线略为右移(下移)UCE 对iB的影响较小，输入特性曲线族非常密集 ，可以近似为一条曲线Date常用半导体器件2、共射输出特性曲线共射输出特性曲线以IB为参变量、uCE为自变 量，iC为因变量的一族曲线每一个给定的参变量IB 对应一条曲线Date常用半导体器件uCEiCIB= 20A IB= 0IB= 40AIB= 60AIB= 80A共射输出特性曲线的特点分为三个区讨论放大区 uCE uBE Uon时，输出特性曲线族 近似

11、为等间隔平行线，表现出iB对iC的电流分配关 系，每条曲线随uCE的增大而略有增大(基区宽度调 制效应)放大区饱和区截止区Date常用半导体器件饱和区 uCEUon时，发射结和集电 结同时正向偏置发射结和集电结同时正向偏置，到达集电结边界 的自由电子向集电区的漂移受到阻碍，基区出现 堆积iB增大、iC 减小，不再满足电流分配关系 ，uCE为两个PN结正向偏置电压之差，受电流影响 较小截止区 uCE uBE 但uBE0时，垂直电场使衬底表面出现耗尽层，进而 uGSUGS(th)时，出现反型层，形成导电沟道Date常用半导体器件PNNgsdUDDRdUGGRgN沟道PN结导电沟道刚形成所对应的uG

12、S称为开启电压UGS(th)uGS越大，导电沟道越宽，沟道电阻越小Date常用半导体器件uDS 0条件下， uDS沿导电沟道所形成的电位梯度 使PN结的宽度呈梯度分布，导电沟道为非均匀沟 道PNNgsdUDDRdUGGRgDate常用半导体器件为保证uDS加入后与衬底间的PN结反偏，应满足 uDS 02、uGS为大于UGS(th)的确定值时，导电沟道、iD随 uDS的变化uDS较小时，漏极电流iD随uDS增大，iD= uDS /RDS ， 其中RDS为沟道电阻由于uDS越大，PN结越宽，沟道越窄，相应沟道电 阻RDS越大，iD随uDS的增大为非线性Date常用半导体器件iD /mAuDS /V

13、0uDS= uGSUGS(th)(uGD=uGS uDS=UGS(th) )时，导电沟 道漏极一侧出现夹断点预夹断uGSUGS(th)Date常用半导体器件随着uDS的增大(uDSuGSUGS(th)，夹断区延长，导 电沟道变短夹断区为高阻区，预夹断后，加在沟道上的电压 并未增加，iD基本不变，表现出uGS对iD的比例关 系预夹断后，uDS越大，导电沟道越短，相应沟道电 阻RDS略有减小，iD随uDS略有增大(沟道调制效应)Date常用半导体器件iD /mAuDS /V0uGSUGS(th)Date常用半导体器件3、特性曲线与电流方程输出特性曲线iD /mAuDS /V0UGS=UGS(th)

14、UGS=2UGS(th)IDO可变电阻区恒流区(放大区)截止区uDS=uGSUGS(th)Date常用半导体器件放大偏置时，N沟道增强型MOSFET的电压关系 uGSUGS(th)，uDSuGSUGS(th)转移特性曲线iD /mAuDS /V0UGS=UGS(th)UGS=2UGS(th)IDOuGS /V0iD /mAUGS(th)UDS1UDS1Date常用半导体器件电流方程1.4.3 FET的主要参数其它FET的特性曲线与电流方程Date常用半导体器件1、直流参数 开启电压UGS(th)(增强型) 夹断电压UGS(off)(结型、耗尽型) 饱和漏极电流IDSS (结型、耗尽型) 直流输入电阻RGS(DC)2、交流参数 低频跨导gmDate常用半导体器件3、极限参数 最大漏极电流IDM 击穿电压U(BR)DS 最大耗散功率PDM习题：(p71)1.14、1.16 极间电容Cgs和CdsDate