半導體元器件基礎知識

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半導體器件華天科技測試部2010年 半導體的基礎知識物體根據(jù)導電能力的強弱可分為導體、半導體和絕緣體三大類。凡容易導電的物質(zhì)（如金、銀、銅、鋁、鐵等金屬物質(zhì)）稱為導體；不容易導電的物質(zhì)（如玻璃、橡膠、塑料、陶瓷等）稱為絕緣體；導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)（如硅、鍺、硒等）稱為半導體。半導體之所以得到廣泛的應用，是因為它具有熱敏性、光敏性、摻雜性等特殊性能。 本征半導體是一種純凈的半導體晶體。常用的半導體材料是單晶硅（Si）和單晶鍺（Ge）。半導體硅和鍺都是4價元素，其原子結構如圖:半導體的原子結構示意圖（a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡化模型 單晶硅的共價鍵結構 本征半導體如果能從外界獲得一定的能量（如光照、溫升等），有些價電子就會掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，在共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”?？昭ǖ某霈F(xiàn)使相鄰原子的價電子離開它所在的共價鍵來填補這個空穴，同時，這個共價鍵又產(chǎn)生了一個新的空穴。這個空穴也會被相鄰的價電子填補而產(chǎn)生新的空穴，這種電子填補空穴的運動相當于帶正電荷的空穴在運動，并把空穴看成一種帶正電荷的載流子。空穴越多，半導體的載流子數(shù)目就越多，因此形成的電流就越大。 在本征半導體中，空穴與電子是成對出現(xiàn)的，稱為電子—空穴對。其自由電子和空穴數(shù)目總是相等的。本征半導體在溫度升高時產(chǎn)生電子—空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。溫度越高，產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)目就越多，這就是半導體的熱敏性。在半導體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而導體中只有自由電子這一種載流子，這是半導體與導體的不同之處。 在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)元素，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可分為P型半導體和N型半導體兩大類。P型半導體P型半導體是在本征半導體硅（或鍺）中摻入微量的3價元素（如硼、銦等）而形成的。因雜質(zhì)原子只有3個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時，缺少1個電子，因此在晶體中便產(chǎn)生一個空穴，當相鄰共價鍵上的電子受熱激發(fā)獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子成為不能移動的負離子，而原來硅原子的共價鍵因缺少了一個電子，便形成了空穴，使得整個半導體仍呈中性，如圖下頁所示。 P型半導體的共價鍵結構 在P型半導體中，原來的晶體仍會產(chǎn)生電子—空穴對，由于雜質(zhì)的摻入，使得空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目，成為多數(shù)載流子(簡稱多子)，而自由電子則為少數(shù)載流子(簡稱少子)。因而P型半導體以空穴導電為主。N型半導體N型半導體是在本征半導體硅中摻入微量的5價元素（如磷、砷、鎵等）而形成的，雜質(zhì)原子有5個價電子與周圍硅原子結合成共價鍵時，多出1個價電子，這個多余的價電子易成為自由電子，如圖所示。 N型半導體的共價鍵結構綜上所述，在摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當程度的增加。因而對半導體摻雜是改變半導體導電性能的有效方法。 PN結在同一塊半導體基片的兩邊分別形成N型和P型半導體，它們的交界面附近會形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱其為PN結。PN結的形成過程如圖所示。（a）多子擴散示意圖；（b）PN結的形成 PN結的單向?qū)щ娦訮N結正向偏置——導通給PN結加上電壓，使電壓的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)（即正向連接或正向偏置），如下圖（a）所示。由于PN結是高阻區(qū)，而P區(qū)與N區(qū)電阻很小，因而外加電壓幾乎全部落在PN結上。由圖可見，外電場將推動P區(qū)多子（空穴）向右擴散，與原空間電荷區(qū)的負離子中和，推動N區(qū)的多子（電子）向左擴散與原空間電荷區(qū)的正離子中和，使空間電荷區(qū)變薄，打破了原來的動態(tài)平衡。同時電源不斷地向P區(qū)補充正電荷，向N區(qū)補充負電荷，其結果使電路中形成較大的正向電流，由P區(qū)流向N區(qū)。這時PN結對外呈現(xiàn)較小的阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。 PN結的單向?qū)щ娦元ぃ╝）正向連接;（b）反向連接 PN結反向偏置——截止將PN結按上圖（b）所示方式連接（稱PN結反向偏置）。由圖可見，外電場方向與內(nèi)電場方向一致，它將N區(qū)的多子（電子）從PN結附近拉走，將P區(qū)的多子（空穴）從PN結附近拉走，使PN結變厚，呈現(xiàn)出很大的阻值，且打破了原來的動態(tài)平衡，使漂移運動增強。由于漂移運動是少子運動，因而漂移電流很??；若忽略漂移電流，則可以認為PN結截止。綜上所述，PN結正向偏置時，正向電流很大；PN結反向偏置時，反向電流很小，這就是PN結的單向?qū)щ娦浴?半導體二極管半導體二極管的結構半導體二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管。二極管按其結構的不同可以分為點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型二極管的結構，如下圖（a）所示。這類管子的PN結面積和極間電容均很小，不能承受高的反向電壓和大電流，因而適用于制做高頻檢波和脈沖數(shù)字電路里的開關元件，以及作為小電流的整流管。 半導體二極管的結構及符號（a）點接觸型結構;（b）面接觸型結構; 半導體二極管的結構及符號（c）集成電路中的平面型結構;（d）圖形符號 半導體二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF2.反向擊穿電壓UB3.反向飽和電流IS 單相半波整流電路單相橋式整流電路組成 特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，由于曲線很陡，反向電流在很大范圍內(nèi)變化時，端電壓變化很小，因而具有穩(wěn)壓作用。圖中的UB表示反向擊穿電壓，當電流的增量ΔIZ很大時，只引起很小的電壓變化ΔUZ。只要反向電流不超過其最大穩(wěn)定電流，就不會形成破壞性的熱擊穿。因此，在電路中應與穩(wěn)壓管串聯(lián)一個具有適當阻值的限流電阻。 穩(wěn)壓管的伏安特性曲線、圖形符號及穩(wěn)壓管電路（a）伏安特性曲線;（b）圖形符號;（c）穩(wěn)壓管電路 2.光電二極管光電二極管的結構與普通二極管的結構基本相同，只是在它的ＰＮ結處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。光電二極管的ＰＮ結在反向偏置狀態(tài)下運行，其反向電流隨光照強度的增加而上升。下圖（ａ）是光電二極管的圖形符號，圖（ｂ）是它的等效電路，而圖（ｃ）是它的特性曲線。光電二極管的主要特點是其反向電流與光照度成正比。 光電二極管（ａ）圖形符號;（ｂ）等效電路;（ｃ）特性曲線 3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種能把電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊器件。這種二極管不僅具有普通二極管的正、反向特性，而且當給管子施加正向偏壓時，管子還會發(fā)出可見光和不可見光（即電致發(fā)光）。目前應用的有紅、黃、綠、藍、紫等顏色的發(fā)光二極管。此外，還有變色發(fā)光二極管，即當通過二極管的電流改變時，發(fā)光顏色也隨之改變。圖下（a）所示為發(fā)光二極管的圖形符號。 發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式器件。發(fā)光二極管的另一個重要的用途是將電信號變?yōu)楣庑盘?，通過光纜傳輸，然后再用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號。圖下（b）所示為發(fā)光二極管發(fā)射電路通過光纜驅(qū)動的光電二極管電路。在發(fā)射端，一個0～５V的脈沖信號通過500Ω的電阻作用于發(fā)光二極管（LED），這個驅(qū)動電路可使LED產(chǎn)生一數(shù)字光信號，并作用于光纜。由LED發(fā)出的光約有20%耦合到光纜。在接收端，傳送的光中，約有80%耦合到光電二極管，以致在接收電路的輸出端復原為0～５V電壓的脈沖信號。 發(fā)光二極管（a）圖形符號;（b）光電傳輸系統(tǒng) 4.變?nèi)荻O管二極管結電容的大小除了與本身的結構和工藝有關外，還與外加電壓有關。結電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管，其圖形符號如圖7.13（a）所示，圖（b）是某種變?nèi)荻O管的特性曲線。 變?nèi)荻O管（a）圖形符號;（b）結電容與電壓的關系（縱坐標為對數(shù)刻度） 半導體三極管半導體三極管根據(jù)其結構和工作原理的不同可以分為雙極型和單極型半導體三極管。雙極型半導體三極管（簡稱BJT），又稱為雙極型晶體三極管或三極管、晶體管等。之所以稱為雙極型管，是因為它由空穴和自由電子兩種載流子參與導電。而單極型半導體三極管只有一種載流子導電。 半導體三極管的結構和類型三極管的構成是在一塊半導體上用摻入不同雜質(zhì)的方法制成兩個緊挨著的PN結，并引出三個電極，如下圖所示。三極管有三個區(qū)：發(fā)射區(qū)——發(fā)射載流子的區(qū)域；基區(qū)——載流子傳輸?shù)膮^(qū)域；集電區(qū)——收集載流子的區(qū)域。各區(qū)引出的電極依次為發(fā)射極（ｅ極）、基極（ｂ極）和集電極（ｃ極）。發(fā)射區(qū)和基區(qū)在交界處形成發(fā)射結；基區(qū)和集電區(qū)在交界處形成集電結。根據(jù)半導體各區(qū)的類型不同，三極管可分為NPN型和PNP型兩大類，如下圖（a）、（b）所示。 三極管的組成與符號（a）NPN型;（b）PNP型 為使三極管具有電流放大作用，在制造過程中必須滿足實現(xiàn)放大的內(nèi)部結構條件，即：（1）發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃度，以便于有足夠的載流子供“發(fā)射”。（2）基區(qū)很薄，摻雜濃度很低，以減少載流子在基區(qū)的復合機會，這是三極管具有放大作用的關鍵所在。（3）集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜少，以利于收集載流子。由此可見，三極管并非兩個PN結的簡單組合，不能用兩個二極管來代替；在放大電路中也不可將發(fā)射極和集電極對調(diào)使用。 三極管的工作電壓和基本連接方式工作電壓三極管要實現(xiàn)放大作用必須滿足的外部條件：發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓，即發(fā)射結正偏，集電結反偏。如下圖所示，其中V為三極管，UCC為集電極電源電壓，UBB為基極電源電壓，兩類管子外部電路所接電源極性正好相反，Rb為基極電阻，Rc為集電極電阻。若以發(fā)射極電壓為參考電壓，則三極管發(fā)射結正偏，集電結反偏這個外部條件也可用電壓關系來表示：對于NPN型：UC>UB>UE；對于PNP型：UE>UB>UC。 三極管電源的接法（a）NPN型;（b）PNP型 基本連接方式三極管有三個電極，而在連成電路時必須由兩個電極接輸入回路，兩個電極接輸出回路，這樣勢必有一個電極作為輸入和輸出回路的公共端。根據(jù)公共端的不同，有三種基本連接方式。（1）共發(fā)射極接法（簡稱共射接法）。共射接法是以基極為輸入端的一端，集電極為輸出端的一端，發(fā)射極為公共端，如下圖（a）所示。（2）共基極接法（簡稱共基接法）。共基接法是以發(fā)射極為輸入端的一端，集電極為輸出端的一端，基極為公共端，如下圖（b）所示。（3）共集電極接法（簡稱共集接法）。共集接法是以基極為輸入端的一端，發(fā)射極為輸出端的一端，集電極為公共端，如下圖（c）所示。圖中“⊥”表示公共端，又稱接地端。無論采用哪種接法，都必須滿足發(fā)射結正偏，集電結反偏。 三極管電路的三種組態(tài)（a）共發(fā)射極接法;（b）共基極接法（c）共集電極接法 三極管的主要參數(shù)1）電流放大倍數(shù)2）極間反向電流3）極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM。（3）反向擊穿電壓U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO。 場效應管場效應管（簡稱FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應來控制輸出電流的，所以又稱之為電壓控制型器件。它工作時只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導電，故也叫單極型半導體三極管。因它具有很高的輸入電阻，能滿足高內(nèi)阻信號源對放大電路的要求，所以是較理想的前置輸入級器件。它還具有熱穩(wěn)定性好、功耗低、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。根據(jù)結構不同，場效應管可以分為結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（IGFET）或稱MOS型場效應管兩大類。根據(jù)場效應管制造工藝和材料的不同，又可分為N型溝道場效應管和P型溝道場效應管。 結型場效應管結構和符號結型場效應管（JFET）結構示意圖如圖（a）所示。N溝道結型場效應管（a）結構示意圖;（b）圖形符號;（c）外形圖 P溝道結型場效應管（a）結構示意圖;（b）圖形符號 工作原理(以N溝道結型場效應管為例)場效應管工作時它的兩個PN結始終要加反向電壓。對于N溝道，各極間的外加電壓變?yōu)閁GS≤0，漏源之間加正向電壓，即UDS＞0。當G、S兩極間電壓UGS改變時，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導致溝道電阻值的改變，從而實現(xiàn)了利用電壓UGS控制電流ID的目的。 場效應管的工作原理 UGS對導電溝道的影響（a）導電溝道最寬;（b）導電溝道變窄;（c）導電溝道夾斷 絕緣柵型場效應管在結型場效應管中，柵源間的輸入電阻一般為10+6~10+9Ω。由于PN結反偏時，總有一定的反向電流存，而且受溫度的影響，因此，限制了結型場效應管輸入電阻的進一步提高。而絕緣柵型場效應管的柵極與漏極、源極及溝道是絕緣的，輸入電阻可高達10+9Ω以上。由于這種場效應管是由金屬（Metal）,氧化物（Oxide）和半導體（Semiconductor）組成的，故稱MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種。按照工作方式不同可以分為增強型和耗盡型兩類。 Ｎ溝道增強型絕緣柵場效應管結構和符號下圖是N溝道增強型MOS管的示意圖。MOS管以一塊摻雜濃度較低的P型硅片做襯底，在襯底上通過擴散工藝形成兩個高摻雜的N型區(qū)，并引出兩個極作為源極S和漏極D；在P型硅表面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在二氧化硅表面再噴上一層金屬鋁，引出柵極G。這種場效應管柵極、源極、漏極之間都是絕緣的，所以稱之為絕緣柵場效應管。絕緣柵場效應管的圖形符號如下圖（b）、(c)所示，箭頭方向表示溝道類型，箭頭指向管內(nèi)表示為N溝道MOS管(圖(b))，否則為P溝道MOS管(圖(c))。 MOS管的結構及其圖形符號 下圖是N溝道增強型MOS管的工作原理示意圖，圖（b）是相應的電路圖。工作時柵源之間加正向電源電壓UGS，漏源之間加正向電源電壓UDS,并且源極與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點。當UGS=0時，漏極與源極之間沒有原始的導電溝道，漏極電流ID=0。這是因為當UGS=0時，漏極和襯底以及源極之間形成了兩個反向串聯(lián)的PN結，當UDS加正向電壓時，漏極與襯底之間PN結反向偏置的緣故。 N溝道增強型MOS管工作原理(a)示意圖；(b)電路圖 當UGS>0時，柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個垂直于半導體表面、由柵極G指向襯底的電場。這個電場的作用是排斥P型襯底中的空穴而吸引電子到表面層，當UGS增大到一定程度時，絕緣體和P型襯底的交界面附近積累了較多的電子，形成了N型薄層，稱為N型反型層。反型層使漏極與源極之間成為一條由電子構成的導電溝道，當加上漏源電壓UGS之后，就會有電流ID流過溝道。通常將剛剛出現(xiàn)漏極電流ID時所對應的柵源電壓稱為開啟電壓，用UGS(th)表示。 當UGS>UGS(th)時，UGS增大、電場增強、溝道變寬、溝道電阻減小、ID增大；反之，UGS減小，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。所以改變UGS的大小，就可以控制溝道電阻的大小，從而達到控制電流ID的大小，隨著UGS的增強，導電性能也跟著增強，故稱之為增強型。必須強調(diào)，這種管子當UGS