半導(dǎo)體物理與器件課件

1、半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件 能帶理論能帶理論原子結(jié)構(gòu)原子的核型結(jié)構(gòu)原子的核型結(jié)構(gòu): :盧瑟福認(rèn)為原子盧瑟福認(rèn)為原子的結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)相似, ,中間是中間是原子核原子核, ,相當(dāng)于太陽(yáng)相當(dāng)于太陽(yáng), ,電子繞著原電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)子核旋轉(zhuǎn), ,就象就象9 9大行星繞著太陽(yáng)大行星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)一樣。轉(zhuǎn)一樣。硅原子結(jié)構(gòu)泡利不相容原理泡利不相容原理泡利不相容原理: :原子原子中第中第n n個(gè)殼層最多只能個(gè)殼層最多只能容納容納2N2N個(gè)電子。個(gè)電子。電子共有化運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體晶體中的電子共有化運(yùn)半導(dǎo)體晶體中的電子共有化運(yùn)動(dòng)：晶體中原子外圍電子的軌動(dòng)：晶體中原子外圍電子的軌道互相重疊，電子

2、不再只屬于道互相重疊，電子不再只屬于某一個(gè)原子，而是可以在整個(gè)某一個(gè)原子，而是可以在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為晶體整個(gè)原子晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為晶體整個(gè)原子所共有。所共有。電子共有化運(yùn)動(dòng)電子共有化運(yùn)動(dòng)：能帶形成能帶概念半導(dǎo)體中能帶的形成：電子的半導(dǎo)體中能帶的形成：電子的共有化運(yùn)動(dòng)，引起能級(jí)的分裂，共有化運(yùn)動(dòng)，引起能級(jí)的分裂，受泡利不相容原理的影響，這受泡利不相容原理的影響，這些能級(jí)將形成能量稍有不同的些能級(jí)將形成能量稍有不同的“能帶能帶”能帶圖能帶圖能帶概念空帶，滿帶，價(jià)帶，導(dǎo)帶，禁帶寬空帶，滿帶，價(jià)帶，導(dǎo)帶，禁帶寬度：度： 能帶上沒有電子，稱空帶。能帶上沒有電子，稱空帶。 能帶上充滿電子，稱滿帶。能帶上充滿

3、電子，稱滿帶。 能量最高的滿帶稱為價(jià)帶能量最高的滿帶稱為價(jià)帶E EV V。 能量最低的空帶稱為導(dǎo)帶能量最低的空帶稱為導(dǎo)帶E EC C。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的區(qū)域稱為禁帶寬導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的區(qū)域稱為禁帶寬度度E Eg g。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶的差異：禁帶寬度極大的帶的差異：禁帶寬度極大的不同。不同。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體，無雜質(zhì)。本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體，無雜質(zhì)。本征激發(fā)：在一定溫度下，由于熱運(yùn)本征激發(fā)：在一定溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，一部分價(jià)帶電子獲得大于禁帶寬動(dòng)，一部分價(jià)帶電子獲得大于禁帶寬度的能量而躍遷到導(dǎo)帶。（實(shí)質(zhì)：共度的能量而躍遷到導(dǎo)帶。（實(shí)質(zhì)：共

4、價(jià)鍵上電子掙脫了出來，成為自由電價(jià)鍵上電子掙脫了出來，成為自由電子；同時(shí)留下一個(gè)空穴。）這樣形成子；同時(shí)留下一個(gè)空穴。）這樣形成了空穴電子對(duì)。了空穴電子對(duì)。載流子復(fù)合電子空穴對(duì)的復(fù)合：電子空穴對(duì)在晶體中電子空穴對(duì)的復(fù)合：電子空穴對(duì)在晶體中相遇，就可能復(fù)合而消失，補(bǔ)好了一個(gè)完相遇，就可能復(fù)合而消失，補(bǔ)好了一個(gè)完整的共價(jià)鍵。整的共價(jià)鍵。 這也就是電子又從導(dǎo)帶跳回了價(jià)帶，多余這也就是電子又從導(dǎo)帶跳回了價(jià)帶，多余的能量以發(fā)光的形式或發(fā)熱的形式釋放出的能量以發(fā)光的形式或發(fā)熱的形式釋放出來。來。 激發(fā)和復(fù)合可形成動(dòng)態(tài)的平衡。激發(fā)和復(fù)合可形成動(dòng)態(tài)的平衡。 本征載流子濃度一般是很低的。本征載流子濃度一般是很低

5、的。載流子復(fù)合施主能級(jí)N N型半導(dǎo)體：硅中摻入型半導(dǎo)體：硅中摻入5 5價(jià)元價(jià)元素磷、砷、銻，產(chǎn)生非平衡素磷、砷、銻，產(chǎn)生非平衡載流子電子。在能帶圖中，載流子電子。在能帶圖中，在禁帶中靠近導(dǎo)帶的地方，在禁帶中靠近導(dǎo)帶的地方，形成一個(gè)施主能級(jí)形成一個(gè)施主能級(jí)E ED D。 施主能級(jí)受主能級(jí)P P型半導(dǎo)體：硅中摻入型半導(dǎo)體：硅中摻入3 3價(jià)元素價(jià)元素硼，產(chǎn)生非平衡載流子空穴。硼，產(chǎn)生非平衡載流子空穴。在能帶圖中，在禁帶中靠近價(jià)在能帶圖中，在禁帶中靠近價(jià)帶的地方，形成一個(gè)受主能級(jí)帶的地方，形成一個(gè)受主能級(jí)E EA A。受主能級(jí)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。的補(bǔ)償作用。半導(dǎo)體中雜質(zhì)的補(bǔ)

6、償費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)E EF F ：衡量半導(dǎo)體：衡量半導(dǎo)體摻雜水平摻雜水平電子填充水電子填充水平高低的標(biāo)志。平高低的標(biāo)志。 載流子運(yùn)動(dòng)方式載流子運(yùn)動(dòng)方式半導(dǎo)體中載流子的兩種運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中載流子的兩種運(yùn)動(dòng)方式：方式：漂移運(yùn)動(dòng)（在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)（在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)）；運(yùn)動(dòng)）；擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（濃度差造成的運(yùn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（濃度差造成的運(yùn)動(dòng)）。動(dòng)）。 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子的遷移現(xiàn)象的遷移現(xiàn)象載流子遷移率載流子遷移率載流子的遷移率：載載流子的遷移率：載流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下的平均漂移速作用下的平均漂移速度。度。常溫下載流子的遷移率 非平衡載流子非平衡載流子平衡載流子：半導(dǎo)體在熱平衡

7、平衡載流子：半導(dǎo)體在熱平衡情況下，體內(nèi)產(chǎn)生的載流子。情況下，體內(nèi)產(chǎn)生的載流子。非平衡載流子：光、電等外界非平衡載流子：光、電等外界因素引起的額外增加的載流子。因素引起的額外增加的載流子。非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子的復(fù)合載流子壽命的概念非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命: :在外界作用在外界作用因素停止后，其隨時(shí)間逐漸減少因素停止后，其隨時(shí)間逐漸減少以至消失的過程稱為衰減。其平以至消失的過程稱為衰減。其平均存在時(shí)間稱為非平衡載流子的均存在時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。壽命。非平衡少數(shù)載流子壽命的意義：非平衡少數(shù)載流子壽命的意義：其濃度降低到原來的其濃度降低到原來的3737（1/e1/e）的時(shí)

8、間。的時(shí)間。非平衡載流子的復(fù)合機(jī)理：非平衡載流子的復(fù)合機(jī)理：直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷造成的電子和空穴的復(fù)合。躍遷造成的電子和空穴的復(fù)合。間接復(fù)合：電子通過禁帶中的各種復(fù)合中間接復(fù)合：電子通過禁帶中的各種復(fù)合中心能級(jí)（雜質(zhì)和缺陷形成）分兩步進(jìn)行的心能級(jí)（雜質(zhì)和缺陷形成）分兩步進(jìn)行的電子和空穴的復(fù)合。電子和空穴的復(fù)合。非平衡載流子的凈復(fù)合率：非平衡載流子的凈復(fù)合率：甲：俘獲電子過程；甲：俘獲電子過程； 乙：發(fā)射電子過程；乙：發(fā)射電子過程； 丙：俘獲空穴過程；丙：俘獲空穴過程； ?。喊l(fā)射空穴過程。丁：發(fā)射空穴過程。 凈復(fù)合率凈復(fù)合率 甲甲 乙乙 丙

9、丙 丁丁半導(dǎo)體的界面態(tài)和表面態(tài)半導(dǎo)體界面：半導(dǎo)體界面： 半導(dǎo)體晶體和別的物質(zhì)的交界面。半導(dǎo)體晶體和別的物質(zhì)的交界面。 比如硅表面和比如硅表面和SIO2SIO2的交界面。的交界面。半導(dǎo)體表面：當(dāng)別的物質(zhì)是空氣時(shí)，半導(dǎo)體界面半導(dǎo)體表面：當(dāng)別的物質(zhì)是空氣時(shí)，半導(dǎo)體界面又稱為半導(dǎo)體表面。又稱為半導(dǎo)體表面。半導(dǎo)體界面態(tài)：半導(dǎo)體界面上的硅原子外層電子半導(dǎo)體界面態(tài)：半導(dǎo)體界面上的硅原子外層電子不能象體內(nèi)那樣和另一個(gè)硅原子的外層電子形成不能象體內(nèi)那樣和另一個(gè)硅原子的外層電子形成完整的共價(jià)鍵，稱懸掛鍵，它很容易和其它原子完整的共價(jià)鍵，稱懸掛鍵，它很容易和其它原子結(jié)合，就形成了界面態(tài)。結(jié)合，就形成了界面態(tài)。表面態(tài)

10、：界面態(tài)的特殊形式。表面態(tài)：界面態(tài)的特殊形式。表面復(fù)合：硅晶體的表面，一般和表面復(fù)合：硅晶體的表面，一般和SIO2SIO2相相接，在相互作用下，由于界面態(tài)的存在，接，在相互作用下，由于界面態(tài)的存在，會(huì)在禁帶中形成一些新的能級(jí)；硅晶體表會(huì)在禁帶中形成一些新的能級(jí)；硅晶體表面受水汽和臟物的影響，也會(huì)在禁帶中產(chǎn)面受水汽和臟物的影響，也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生一些新的能級(jí)。生一些新的能級(jí)。 這些能級(jí)其實(shí)也屬這些能級(jí)其實(shí)也屬于復(fù)合中心能級(jí)的范疇。從而使晶體表面于復(fù)合中心能級(jí)的范疇。從而使晶體表面載流子復(fù)合加劇，這樣就使表面附近載流載流子復(fù)合加劇，這樣就使表面附近載流子壽命減小子壽命減小。非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)非平

11、衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：自然界任何物質(zhì)都有從濃度高處向濃度低處運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。非平衡載流子的擴(kuò)散擴(kuò)散流與濃度差的關(guān)系：等式右邊的擴(kuò)散流與濃度差的關(guān)系：等式右邊的D D表示擴(kuò)散系數(shù)。表示擴(kuò)散系數(shù)。 dn/dxdn/dx表示濃度梯表示濃度梯度，即濃度差的大小。度，即濃度差的大小。影響擴(kuò)散系數(shù)的因素：溫度、摻雜濃影響擴(kuò)散系數(shù)的因素：溫度、摻雜濃度等度等：擴(kuò)散流密度與擴(kuò)散定律擴(kuò)散流密度與擴(kuò)散定律 ：擴(kuò)散流密：擴(kuò)散流密度與載流子的濃度梯度成正比。度與載流子的濃度梯度成正比。 擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度LpLp：是描寫非平衡少子在：是描寫非平衡少子在邊擴(kuò)散邊復(fù)合的過程中，能夠擴(kuò)散邊擴(kuò)散邊復(fù)合的過程中，能夠擴(kuò)散的平均距離。其

12、在數(shù)值上等于非平的平均距離。其在數(shù)值上等于非平衡少子濃度衰減到原來衡少子濃度衰減到原來 的的1/e1/e（即（即3737）時(shí)兩點(diǎn)之間的距離。）時(shí)兩點(diǎn)之間的距離。擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算; ;愛因斯坦方程愛因斯坦方程半導(dǎo)體體內(nèi)可能存在的4種電流PNPN結(jié)與半導(dǎo)體二極管結(jié)與半導(dǎo)體二極管1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 二極管二極管 = PN結(jié)結(jié) + 管殼管殼 + 引線引線NP結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)符號(hào)符號(hào)陽(yáng)極陽(yáng)極+陰極陰極- 二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1) 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路

13、。N型 鍺正 極 引 線負(fù) 極 引 線外 殼金 屬 觸 絲(3) 平面型二極管平面型二極管 用于集成電路制造工藝中。用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。SiO2正 極 引 線負(fù) 極 引 線N型 硅P型 硅負(fù) 極 引 線正 極 引 線N型 硅P型 硅鋁 合 金 小 球底 座PNPN結(jié)的形成：結(jié)的形成：合金法；合金法；擴(kuò)散法；擴(kuò)散法；注入法注入法兩種不同雜質(zhì)分布的PN結(jié)突變結(jié)：突變結(jié)：P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的雜質(zhì)

14、分區(qū)的雜質(zhì)分布界限分明。布界限分明。緩變結(jié)：緩變結(jié)：P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的雜質(zhì)分區(qū)的雜質(zhì)分布呈現(xiàn)此消彼漲的漸變模式。布呈現(xiàn)此消彼漲的漸變模式。PNPN結(jié)的空間電荷區(qū)結(jié)的空間電荷區(qū)PNPN結(jié)的勢(shì)壘結(jié)的勢(shì)壘PNPN結(jié)的正向特性結(jié)的正向特性PNPN結(jié)的反向特性結(jié)的反向特性PN結(jié)兩邊的摻雜濃度PNPN結(jié)兩邊未接觸時(shí)的能帶圖結(jié)兩邊未接觸時(shí)的能帶圖PNPN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖少子在PN結(jié)兩邊的分布PN結(jié)的正反向接法) 1(eTSUuIi 根據(jù)理論分析：根據(jù)理論分析：u 為為PN結(jié)兩端的電壓降結(jié)兩端的電壓降i 為流過為流過PN結(jié)的電流結(jié)的電流IS 為反向飽和電流為反向飽和電流UT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)

15、量稱為溫度的電壓當(dāng)量其中其中k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù) 1.381023q 為電子電荷量為電子電荷量1.6109T 為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度 對(duì)于室溫（相當(dāng)對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K）則有則有UT=26 mV。當(dāng)當(dāng) u0 uUT時(shí)時(shí)1eTUuTeSUuIi 當(dāng)當(dāng) u|U T |時(shí)時(shí)1eTUuSIi影響影響PNPN結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素：結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素：正向復(fù)合電流：當(dāng)正向復(fù)合電流：當(dāng)P P區(qū)來的空穴和區(qū)來的空穴和N N區(qū)來區(qū)來 的電子在空間電荷區(qū)復(fù)合時(shí)，就形成該電的電子在空間電荷區(qū)復(fù)合時(shí)，就形成該電流，此電流在正向電流較小時(shí)比重較大，流，此電流在正向電流較小時(shí)比重較大

16、，由于它對(duì)三極管發(fā)射極注入無貢獻(xiàn)，故小由于它對(duì)三極管發(fā)射極注入無貢獻(xiàn)，故小電流時(shí)三極管放大倍數(shù)會(huì)下降。電流時(shí)三極管放大倍數(shù)會(huì)下降。 反向時(shí)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流：反向時(shí)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流：空間電荷區(qū)熱激發(fā)的載流子在空間電荷區(qū)熱激發(fā)的載流子在反壓下來不及復(fù)合，就被電場(chǎng)反壓下來不及復(fù)合，就被電場(chǎng)驅(qū)走，增多了反向電流。驅(qū)走，增多了反向電流。 大注入情況：電流隨電壓的增加將大注入情況：電流隨電壓的增加將變緩。變緩。PNPN結(jié)的反向擊穿：結(jié)的反向擊穿：雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓很高時(shí)，空雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓很高時(shí)，空間電荷區(qū)電場(chǎng)很強(qiáng)，電子和空穴動(dòng)間電荷區(qū)電場(chǎng)很強(qiáng)，電子和空穴動(dòng)能很大，可將空間電荷區(qū)中的硅的能很大，

17、可將空間電荷區(qū)中的硅的共價(jià)鍵撞開，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，共價(jià)鍵撞開，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，使載流子呈現(xiàn)雪崩式倍增，使電流使載流子呈現(xiàn)雪崩式倍增，使電流劇增，形成擊穿。從能帶觀點(diǎn)：即劇增，形成擊穿。從能帶觀點(diǎn)：即是將價(jià)帶上的電子激發(fā)到了導(dǎo)帶上。是將價(jià)帶上的電子激發(fā)到了導(dǎo)帶上。雪崩擊穿影響雪崩電壓大小因素：?jiǎn)斡绊懷┍离妷捍笮∫蛩兀簡(jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)電壓與輕摻雜一邊邊突變結(jié)電壓與輕摻雜一邊摻雜濃度有關(guān)，濃度大則電摻雜濃度有關(guān)，濃度大則電壓低。緩變結(jié)擊穿電壓高低壓低。緩變結(jié)擊穿電壓高低則與濃度梯度的大小有關(guān)，則與濃度梯度的大小有關(guān)，梯度大則電壓低，反之已然。梯度大則電壓低，反之已然。隧道擊穿隧道擊穿：對(duì)于隧道擊穿

18、：對(duì)于PNPN結(jié)兩邊摻結(jié)兩邊摻雜都較高的情況下，空間電雜都較高的情況下，空間電荷區(qū)比較窄，電場(chǎng)強(qiáng)度極大，荷區(qū)比較窄，電場(chǎng)強(qiáng)度極大，使得電子和空穴的能量極高，使得電子和空穴的能量極高，快速穿越快速穿越PNPN結(jié)，造成擊穿。結(jié)，造成擊穿。隧道擊穿從能帶角度講：從能帶角度講：P P區(qū)的價(jià)帶可高于區(qū)的價(jià)帶可高于N N區(qū)的導(dǎo)帶，這時(shí)區(qū)的導(dǎo)帶，這時(shí)P P區(qū)價(jià)帶電子就可區(qū)價(jià)帶電子就可穿越空間電荷區(qū)的隧道，直接進(jìn)入穿越空間電荷區(qū)的隧道，直接進(jìn)入N N區(qū)導(dǎo)帶，形成擊穿。一般而言，區(qū)導(dǎo)帶，形成擊穿。一般而言，擊穿電壓在擊穿電壓在7 7伏以下者是隧道擊穿，伏以下者是隧道擊穿，反之是雪崩擊穿。反之是雪崩擊穿。隧道擊穿

19、能帶圖 金屬半導(dǎo)體接金屬半導(dǎo)體接觸觸固體的功函數(shù)固體的功函數(shù)逸出功：固固體的功函數(shù)逸出功：固體的處于費(fèi)米能級(jí)高度的電體的處于費(fèi)米能級(jí)高度的電子跑到自由空間需要的能量。子跑到自由空間需要的能量。金屬半導(dǎo)體接觸：金屬半導(dǎo)體接觸：金半接觸的整流特金半接觸的整流特性（性（SBDSBD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)肖特基肖特基二極管）二極管）低摻雜的N型半導(dǎo)體與金屬接觸，當(dāng)金屬的逸出功較大時(shí)，就會(huì)形成肖特基勢(shì)壘，出現(xiàn)整流特性。歐姆接觸定義：歐姆接觸的概念歐姆接觸定義：歐姆接觸的概念: :線線性和對(duì)稱的伏安特性性和對(duì)稱的伏安特性, ,接觸電阻小于接觸電阻小于材料體電阻材料體電阻. . 獲得方式：獲得方式：低勢(shì)壘接觸低勢(shì)壘接觸:

20、P:P型硅與金屬的接觸型硅與金屬的接觸高復(fù)合接觸：大量的缺陷能級(jí)提供高復(fù)合接觸：大量的缺陷能級(jí)提供反向時(shí)的載流子反向時(shí)的載流子高摻雜接觸：空間電荷區(qū)極薄，電高摻雜接觸：空間電荷區(qū)極薄，電子可通過隧道效應(yīng)穿過去子可通過隧道效應(yīng)穿過去肖特基二極管與普通二極管的肖特基二極管與普通二極管的比較：比較：1.1.正向壓降較低：多子電流大，正向壓降較低：多子電流大，故飽和電流大。故飽和電流大。2.2.開關(guān)速度較快：空間電荷區(qū)開關(guān)速度較快：空間電荷區(qū)沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。肖特基二極管結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體的磁電效半導(dǎo)體的磁電效應(yīng)應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象：在半導(dǎo)體晶體霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象：在半導(dǎo)體晶體上，

21、在上，在x x方向加以電場(chǎng)，流過一個(gè)方向加以電場(chǎng)，流過一個(gè)電流，在電流，在z z方向施加一個(gè)磁場(chǎng)，則方向施加一個(gè)磁場(chǎng)，則在在y y方向?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓，方向?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓，稱為霍爾電壓。稱為霍爾電壓。原理：是物理學(xué)中洛侖茲力引起原理：是物理學(xué)中洛侖茲力引起的載流子定向運(yùn)動(dòng)。的載流子定向運(yùn)動(dòng)。有關(guān)公式有關(guān)公式霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)R RH H霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體工藝中的應(yīng)用：霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體工藝中的應(yīng)用：1.1.可以測(cè)量載流子濃度?？梢詼y(cè)量載流子濃度。2.2.可判斷硅片的導(dǎo)電類型?？膳袛喙杵膶?dǎo)電類型。3.3.可測(cè)量載流子的遷移率?？蓽y(cè)量載流子的遷移率。霍爾電壓測(cè)試示意通過測(cè)出霍爾系數(shù)和電導(dǎo)，可

22、求出載流子遷移率推導(dǎo)過程從略推導(dǎo)過程從略 晶體管的直流特晶體管的直流特性性晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管的基本結(jié)構(gòu)一一. .BJTBJT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)符號(hào)符號(hào):-bce-ebc 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極二二 BJTBJT的內(nèi)部工作原理的內(nèi)部工作原理（NPNNPN管）管） 三極管在工作三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹睍r(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。流?/p>

23、置電壓。2022-3-3若在放大工作狀態(tài)：若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏：集電結(jié)反偏：由由VBB保證保證由由VCC、 VBB保證保證UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法c區(qū)區(qū)b區(qū)區(qū)e區(qū)區(qū)載流子在晶體管內(nèi)載流子在晶體管內(nèi)的傳播的傳播 （1 1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形形成了擴(kuò)散電流成了擴(kuò)散電流I IENEN 。同時(shí)從基區(qū)向。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為成的電流為I IEPEP。但其數(shù)量小，可

24、但其數(shù)量小，可忽略忽略。 所以發(fā)射極電流所以發(fā)射極電流I I E E I I EN EN 。 （2 2）發(fā)射區(qū)的電）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成空穴復(fù)合掉，形成I IBNBN。所。所以以基極電流基極電流I I B B I I BN BN 。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。緣。1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程內(nèi)部的載流子傳輸過程N(yùn)NPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI晶體管的輸入特性晶體管的輸入特性曲線曲線 BJT BJT的特性曲線（的特性曲線（共發(fā)射極接法）共發(fā)射極接法）(1) (1)

25、 輸入特性曲線輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci（1 1）u uCECE=0V=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PNPN結(jié)并聯(lián)。結(jié)并聯(lián)。0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。（2）當(dāng)）當(dāng)uCE=1V時(shí)，時(shí)， 集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，合減少， 在同一在同一uBE 電壓下，電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電

26、壓死區(qū)電壓硅硅 0.5V鍺鍺 0.1V導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降硅硅 0.7V鍺鍺 0.3V輸出特性曲線輸出特性曲線現(xiàn)以現(xiàn)以i iB B=60uA=60uA一條加以說明。一條加以說明。 （1）當(dāng)）當(dāng)uCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當(dāng)當(dāng)uCE 1V后，后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形子都被集電極收集，形成成iC。所以。所以u(píng)CE再增加，再增加，iC基本保持不變。基本保持不變。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲線。其他值的曲線。 iCCE(V)(mA)=

27、60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB 輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域: :飽和區(qū)飽和區(qū)iC受受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE0.7 V。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)放大區(qū) 曲線基本平行等曲線基本平行等 距。距。 此時(shí)，發(fā)此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。結(jié)反偏。 該區(qū)中有：該區(qū)中有：BCII i

28、CIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū) BJTBJT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)（2 2）共基極電流放大系數(shù)：）共基極電流放大系數(shù)： BCII BCii ECII ECii iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI =100uACBI=60uAi一般取一般取20200之間之間2.31.538A60mA3 . 2BCII40A40)-(60mA)5 . 13 . 2(BCii（1 1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：

29、2.2.極間反極間反向電流向電流 （2）集電極發(fā)射極間的穿）集電極發(fā)射極間的穿透電流透電流ICEO 基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流極間的電流穿透電流穿透電流 。其大小與溫度有關(guān)。其大小與溫度有關(guān)。 （1）集電極基極間反向飽和電流）集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是它實(shí)際上就是一個(gè)一個(gè)PNPN結(jié)的反向電流。結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管：鍺管：I CBO為微安數(shù)量級(jí)，為微安數(shù)量級(jí)， 硅管：硅管：I CBO為納安數(shù)量級(jí)。為納安數(shù)量

30、級(jí)。CBOCEO)1 (II+ICBOecbICEO 3.3.極限參數(shù)極限參數(shù) I Ic c增加時(shí)，增加時(shí)， 要下降。當(dāng)要下降。當(dāng) 值值下降到線性放大下降到線性放大區(qū)區(qū) 值的值的7070時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流允許電流I ICMCM。（1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允）集電極最大允許功率損耗許功率損耗PCM 集電極電流通過集集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIP

31、CM PCM （3 3）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓 BJTBJT有兩個(gè)有兩個(gè)PNPN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。允許的最大反向電壓。 在實(shí)際使用時(shí)

32、，還有在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管的基極電阻晶體管的基極電阻r rb b、輸入正向壓降、輸入正向壓降V VBESBES、飽和壓降飽和壓降V VCESCES 晶體管的基極電阻晶體管的基極電阻r rb b、輸入正向壓降輸入正向壓降V VBES (BES (V VBEF)BEF)、飽和壓降飽和壓降V VC Ceses 晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的電容晶體管的電容 PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，

33、即地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。，就像電容充放電一樣。 (1) 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)W+R+E+PN(2) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD 當(dāng)外加正向電壓當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，不同時(shí)，PN結(jié)兩結(jié)兩側(cè)堆積的少子的側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相也不同，這就相當(dāng)電容的充放電當(dāng)電容的充放電過程過程。+NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)中中空空穴穴區(qū)區(qū)中中電電子子區(qū)區(qū)濃濃度度分分布布nL電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）極間電容

34、（結(jié)電容）晶體管的交流特性晶體管的交流特性晶體管交流電流放晶體管交流電流放大系數(shù)大系數(shù)BCii 晶體管頻率特性參數(shù)晶體管頻率特性參數(shù)發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間集電結(jié)電容充電時(shí)間集電結(jié)電容充電時(shí)間集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時(shí)間集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時(shí)間截止頻率的計(jì)算截止頻率的計(jì)算 晶體管功率特晶體管功率特性性 極限參數(shù)極限參數(shù) I Ic c增加時(shí)，增加時(shí)， 要下降。當(dāng)要下降。當(dāng) 值值下降到線性放大區(qū)下降到線性放大區(qū) 值的值的7070時(shí)，時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流大允許電流I ICMCM。集電極最大允許功率損耗集電極最大允許功率損耗

35、P PCMCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生的功耗: : P PC=C= I IC CU UCE CE 極限參數(shù)極限參數(shù) I Ic c增加時(shí)，增加時(shí)， 要下降。當(dāng)要下降。當(dāng) 值值下降到線性放大下降到線性放大區(qū)區(qū) 值的值的7070時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流允許電流I ICMCM。（1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允）集電極最大允許功率損耗許功率損耗PCM 集電極電流通過集集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE BICEui(V)IBC=10

36、0uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM PCM 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 BJTBJT有兩個(gè)有兩個(gè)PNPN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間時(shí)，集電極與

37、發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。允許的最大反向電壓。 在實(shí)際使用時(shí)，還有在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管安全工作區(qū) 晶體管開關(guān)特性晶體管開關(guān)特性晶體管的開關(guān)作用晶體管的開關(guān)作用晶體管開關(guān)過程晶體管開關(guān)過程晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)發(fā)射極電容充電時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間集電極耗盡層渡越時(shí)間集電極電容充電時(shí)間 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管MOSMOS管結(jié)構(gòu)管結(jié)構(gòu)1.N1.N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 （1 1）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 4 4個(gè)電極：漏極個(gè)電極：漏極D D，源極源極S S，柵極，柵極G G和和 襯底襯底B B。-N+NP襯底sgdb源極柵極漏極襯底MOSMOS管工作原理管工作原理（2 2）工作原理）工作原理柵源電壓柵源電壓u uGSGS的控制作用的控制作用當(dāng)當(dāng)u uGS=0VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二二極管，在極管，在d d、s s之間加上電壓也不會(huì)形成電之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。流，即管子截止。當(dāng)當(dāng)u uGSGS0V0V時(shí)時(shí)縱向電場(chǎng)縱向電場(chǎng)將靠近柵極下方的空