第二章-半導(dǎo)體及其本征特征

第二章半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)主要知識點和閱讀章節(jié)1、半導(dǎo)體材料基本特性2、pn結(jié)3、雙極晶體管4、場效應(yīng)管閱讀教材第二章閱讀康華光《電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第五版）》第1、2、3、4、5章.第二講半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)2.4PN結(jié)2.5雙極晶體管2.6MOS場效應(yīng)管半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)

據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)PN特點：存在兩種載流子，載載流子有漂移、擴散、產(chǎn)生和復(fù)合三種運送形式1.PN結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因為缺少載流子突變結(jié)三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動

由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑?？四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?.平衡的PN結(jié)：沒有外加偏壓能帶結(jié)構(gòu)載流子漂移(電流)和擴散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場和自建勢自建場和自建勢費米能級EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時，能級被占據(jù)的幾率為1/2本征費米能級位于禁帶中央自建勢qVbi費米能級平直平衡時的能帶結(jié)構(gòu)3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時，擴散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴散和復(fù)合過程〕4.PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散NPN區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴散漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散5.PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕赫蚱梅聪蚱谜驅(qū)?，多?shù)載流子擴散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷篤bi~0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb6.PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7.PN結(jié)電容問題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？

二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管

二極管的組成點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。

二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化？100V？5V？1V？§2.5雙極晶體管集成電路中典型NPN型BJT的截面圖1、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？1.雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖二、晶體管的放大原理

擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴散電流分配：

IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成的電流

IB－復(fù)合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性為什么UCE增大曲線右移？

對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？1.輸入特性2.輸出特性β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下?對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)晶體管的三個工作區(qū)域

晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB

控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

直流參數(shù)：、、ICBO、ICEOc-e間擊穿電壓最大集電極電流最大集電極耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作區(qū)交流參數(shù)：β、α、fT（使β＝1的信號頻率）

極限參數(shù)：ICM、PCM、U（BR）CEONPN晶體管的幾種組態(tài)共基極共發(fā)射極共收集極共基極共發(fā)射極共收集極NNP晶體管的共收集極接法cbe3.晶體管的直流特性3.1共發(fā)射極的直流特性曲線三個區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)3.晶體管的直流特性3.2共基極的直流特性曲線4.晶體管的特性參數(shù)4.1晶體管的電流增益（放大系數(shù)〕共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)

0

、兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)

0、4.晶體管的特性參數(shù)5.2晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開路時，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開路時，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開路時，收集極－發(fā)射極的反向漏電流

晶體管的主要參數(shù)之一4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）5.3晶體管的擊穿電壓BVcboBvceoBVeboBVeeo晶體管的重要直流參數(shù)之一4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）5.4晶體管的頻率特性

截止頻率f

：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的所對應(yīng)的頻率值

截止頻率f

：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時對應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時對應(yīng)的頻率5.BJT的特點優(yōu)點垂直結(jié)構(gòu)與輸運時間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號應(yīng)用模擬電路輸入電容由擴散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時在大或小的電流下工作而無需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)缺點：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲電荷上升開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計參數(shù)設(shè)計BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB當代BJT結(jié)構(gòu)特點：深槽隔離多晶硅發(fā)射極2.6MOS場效應(yīng)晶體管一、場效應(yīng)管（以N溝道為例）

場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。1.結(jié)型場效應(yīng)管符號結(jié)構(gòu)示意圖柵極漏極源極導(dǎo)電溝道單極型管∶噪聲小、抗輻射能力強、低電壓工作柵-源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負電壓？UGS（off）漏-源電壓對漏極電流的影響uGS＞UGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。預(yù)夾斷uGD＝UGS（off）

VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）夾斷電壓漏極飽和電流轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）。uDG＞－UGS（off）g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝UGS（off）可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo)：2.絕緣柵型場效應(yīng)管

uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當反型層將兩個N區(qū)相接時，形成導(dǎo)電溝道。SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層增強型管大到一定值才開啟增強型MOS管uDS對iD的影響

用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？

iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)

uGD＝UGS（th）,預(yù)夾斷

iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻耗盡型MOS管

耗盡型MOS管在

uGS＞0、

uGS

＜0、

uGS

＝0時均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS＞0時仍保持g-s間電阻非常大的特點。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時就存在導(dǎo)電溝道MOS管的特性1)增強型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓夾斷電壓3.場效應(yīng)管的分類

工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性uGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？uGS＜0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？1.MOS電容電容的含義MOS結(jié)構(gòu)理想的MOS電容特性非理想的MOS電容特性關(guān)于電容平行板電容器+Q-QEd+-V面積A電容C定義為：QVC＝斜率直流和交流