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1、1,半导体基础知识,导 体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。,绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。,半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,半导体的特点,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,2,1. 本征半导体,本征半导体的导电机理,纯净的半导体。如：硅和锗,1）最外层四个价电子。,2）共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,3,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高载流子的浓
2、度越高本征半导体的导电能力越强。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,归纳,4,2. 杂质半导体,杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。,在本征半导体中掺入某些微量杂质。,1）N型半导体,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。,多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；,少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。,5,N型半导体,多余电子,磷原子,6,2）P型半导体,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。,多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；,少数载流子（少子）：电子。取决于温度。,空穴,硼原子,7,归纳,3、杂质半导体中起导电作用
3、的主要是多子。,4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。,2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。,8,杂质半导体的示意表示法,9,一、 PN结的形成,在一块本征半导体在两侧掺杂不同的杂质,通过扩散分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,3. PN结,10,P型半导体,N型半
4、导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,11,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,12,空间电荷区,N型区,P型区,PN结,耗尽层,13,二、PN结的单向导电性,PN结加正向电压（正向偏置）： P区接电源的正极、N区接电源的负极。,PN结加反向电压（反向偏置）： P区接电源的负极、N区接电源的正极。,PN结呈现低电阻，处于导通状态。,PN结呈现高电阻，处于截止状态。,14,1、PN结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,15,2、PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受
5、抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,16,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,17,PN结的单向导电性,正向特性,反向特性,归纳,P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I正大；,I的大小与外加电压有关；,P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；,I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；,18,5.2 半导体二极管,一、 基本结构,PN结 + 管壳和引线,阳极,阴极,符号：,D,19,2.反向特性,硅：Is0.1 A，锗：Is几十A。,U
6、（BR）=几十伏,1.正向特性,开启电压Uon：正向电压超过某一数值后，才有明显的正向电流。,硅：Uon=0.5V；锗：Uon=0.1V,正向导通电压U范围：,硅：0.60.8V（计算时取0.7V），U=0.7锗：0.10.3V（计算时取0.2V），U=0.2,使用时应加限流电阻,反向电流很小，与温度有关；,|U | 击穿电压，击穿导通，反向电流急剧增加；,二、伏安特性,20,一、MOS管(绝缘栅场效应管)的结构和工作原理,1、N沟道增强型MOS管（NMOS）,21,（1）工作原理,GS间开路时,此时，漏源间有两个背靠背的PN结，因此DS间接什么电压，都不会有电流产生。即此时不存在导电沟道。,
7、uGS0，DS短接,此时，栅极接正，衬底接负，衬底中的多子空穴被排斥到下方，上面形成耗尽层。且uGS越大，耗尽层越宽。,22,当uGS=UGS(th)时，衬底中的少子电子被吸引到耗尽层，形成N型薄层，称为反型层。该反型层即导电沟道。uGS再，则反型层加宽，沟道变宽。,UGS(th)称为开启电压。,uGSUGS(th)，uDS0,uDS很小时，由于S端电压低于D端电压，故S端沟道宽，D端沟道窄，沟道呈楔型。,沟道中的电子在uDS的作用下形成电流iD。,且uDSiD，呈现电阻性。电阻的大小与uGS有关,23,uGS对iD的影响：uGS沟道宽度iD,当uDS时，D端反型层消失，沟道被夹断，称为预夹断
8、（因S端未被夹断）；,预夹断后，uDS，夹断长度，增加的电压uDS大部分落在夹断区，沟道上电压几乎不，故iD基本不，呈饱和性。,24,（2）特性曲线与电流方程,输出特性曲线，分为三个区。开启电压0。转移特性曲线在第一象限，因开启电压0。,方程：,25,2、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,情况与增强型类似。不同的只是开启电压不同。增强型UGS(th)0，耗尽型UGS(off)0。,uGSUGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD产生。,26,特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,27,开启电压：增强型MOS管UGS(th)0。,特性曲线：将N沟道对应曲线旋转180度 即得,28,3、P沟道增强型MOS管（PMOS）,当vGSVGS(th)，管子截止， iD = 0,29,4、P沟道耗尽型MOS管（PMOS）,当vGS VGS(off)(正值），管子截止， iD = 0； vGS VGS(off) 时,管子导通,30,
