第5节 半导体器件简介在线视频

下面我们再简单的介绍一下

一些基本的半导体器件及其原理

这些半导体器件在后续的课程中

我们可能

会在很多的传感器中遇到

首先是P-N结

P-N结就是

P型半导体和N型半导体

相接触以后形成的一个结形结构

两种半导体接触以后

电子会从N型半导体中

扩散到P型半导体里边去

而空穴也会从P型半导体中

扩散到N型半导体中

这些扩散的电子

和空穴会产生复合

由此结两侧的掺杂元素的离子

就会形成一个内建的电场

当内建电场与载流子的扩展

达到平衡以后

在结的两侧

就会形成一个所谓的耗尽区

在耗尽区中

载流子的数量几乎为零

这样的话我们就可以知道

P-N结是由三部分区域组成的

包括P型中性区N型中性区

以及两者之间的耗尽区

由这个图大家可以看到

刚才我们提到的内建电势

可以用这样一个公式来描述

在这个公式中

Na和Nd分别表示

施主和受主离子的浓度

可以看到内建电势基本上

是由这两个离子浓度来决定的

另外一个参数

就是所谓的耗尽区的宽度

从这个公式我们可以看到

耗尽区的宽度主要决定于

低掺杂侧的掺杂浓度

如果我们给P-N结两端

施加一定的电压

那么耗尽区的宽度

会由于电压的作用而变宽

或者变窄

当P区施加正电压

N区施加负电压的时候

P-N结耗尽区的宽度

将会变窄

这时我们称之为P-N结正偏

当N区施加正电压

而P区施加负电压的时候

P-N结耗尽区的宽度会变宽

我们称之为反偏

在P-N结结构中

P型电中性区和N型心电中性区

我们可以把它看作

是一个导电的金属

而中间的耗尽区

我们把它可以看作一个介质材料

所以这样的话整个P-N结结构

我们把它可以看作一个电容结构

而这个电容结构的电容值

和外加电压是相关的

这样一个式子描述了P-N结的电容

与外加电压的一个关系

这个电容

我们又称之为耗尽区电容

当我们

给P-N结施加外加电压的时候

同时测量流过P-N结的电流

我们可以得到P-N结的I-V特性

或者说电压电流特性

下面这个式子是描述

P-N结I-V特性的一个公式

从这个式子中

我们可以看到

当P-N结正向偏置的时候

即电流与外加电压的关系

呈指数关系

而式中的I0

我们称之为反向饱和电流

反向饱和电流

与P-N结的截面积

掺杂离子浓度等都有关系

而这些参数都和

我们P-N结的制造工艺相关

左边这个图就是我们

得到的P-N结的I-V特性曲线

通过我们刚才介绍的

P-N结的I-V特性关系

我们可以得到P-N结电导的

一个关系式等于Idc

除以26个毫伏

当P-N结正向偏置的时候

载流子会向P-N结进行扩散

并产生复合

而在扩散到复合的过程中

载流子具有一定的复合寿命

这样一种现象

我们可以用一个

电容的器件来描述

这个式子就是

用来描述这样一种现象的

一个关系式

我们称之为扩散电容

这样的话在小信号的情况下

我们可以将P-N结

用左边这样一个电路

来描述我们称之为

P-N结的小信号模型

当P-N结正向偏置的时候

我们可以把它看作是

一个电阻和两个电容的

并联的电路

这两个电容分别表示

扩散电容和耗尽区电容

第二个重要的半导体是

双极型晶体管

从左边这个图我们可以看到

双极型晶体管其实是

有两个背靠背的

P-N结来构成的

这个图以一个

npn型晶体管为例

在这个图中

晶体管的3个电极

我们分别称之为晶体管的发射极

基极和集电极

当晶体管中的基极的宽度

非常窄的时候

使其比载流子的

扩散长度还短的时候

这样就形成了一个

我们称之为双极型晶体管

当npn型晶体管工作的时候

其基极和发射极的P-N结正偏

集电极和基极的P-N 结反偏

此时会有大量的电子

从发射极移动到了基极

由于基极的宽度非常的窄

远小于载流子的扩散长度

这样的话

大量的电子就会移动到

基极和集电极的P-N结

由于集电极和基极P-N结

处于反偏状态

进入这个P-N结的电子会被

外加电场少入基极

有这样一个工作原理

我们可以看到

晶体管的集电极电流

实际上是取决于发射极的电流

而与集电极与

基极之间的电压无关

描述双极型晶体管特性的参数

主要有电流增益

其表达式由这个式子来描述

电流增益定义为集电极电流

与基极电流的比

另外一个重要的参数

称之为跨导

等于dIc除以dVBE

这样一个式子来描述

这个图是双极型晶体管

一个典型的输出电流

与电压特性

我们可以看到晶体管的

集电极电流取决于基极电流

基极电流越大

晶体管的输出电流

也就是说集电极电流会越大

第三个

我们要介绍的半导体器件

我们称之为

MOS晶体管

或者说

MOSFET

MOS场效应晶体管

这种晶体管是现在的数字电路

以及很多传感器中

用的非常广泛的一种晶体管结构

MOS的含义

指的是

金属氧化物和半导体结构

MOS晶体管的

一个基本结构

可以用这样一张图来表述

这个图展示的是一个

在P型半导体材料上

构建的一个

MOS场效应管结构

在这样一个结构中

氧化层我们称之为 栅

而金属我们称之为 栅极

在栅的两侧

我们分别制作两个N型的区域

我们称之为

MOS场效应管的

源极和漏极

这个图是

MOS场效应管的

一个工作原理图

在这样一个器件结构中

当我们给栅极施加一个

正电压的时候

栅极下面的P型半导体材料

由于静电场的作用

其内部的空穴

被静电场所排斥

而电子会被静电场吸引

这样的话就会在栅极下面

形成一个N型的导电结构

这个现象我们称之为反型

此时如果在

MOS场效应管的

源极和漏极施加电压的话

电子就会通过这样一个N型的

反型层构造中

从源极流向漏极

如果当漏极电压继续升高

升高到一定值的时候

在接近漏极的N型沟道宽度

会逐渐的变窄直至变成零

此时通过沟道的电流

不再会随着

源漏电压的增长而增长

而达到所谓的饱和状态

右边这个图就是

MOS场效应管的

一个输出特性曲线图

我们可以看到漏极电流

会随着栅极电压的增大

而逐渐增大

而这样一个管子

由于其沟道

这样一个晶体管

由于其沟道为N型导电类型

所以我们称之为N沟道

MOS场效应管

或者说NMOS场效应管

对于MOS场效应管而言

其实最重要的参数

我们称为阈值电压

阈值电压就是使得沟道

能够打开的最小的栅电压

阈值电压可以

由这样一个式子来描述

阈值电压包括三部分

其中Phi MS为栅极材料

与硅衬底之间的功函数之差

也就是说不同的栅电极材料

将对应不同的阈值电压

第二项取决于基底的

掺杂离子浓度

而这三项的分子Qdep

为耗尽区的电荷

Cox为单位面积的氧化层电容

从这个式子我们可以看到

对于MOS管的

阈值电压而言

影响这个电压的因素

主要包括有栅电极的材料

以及氧化层的厚度

和介电常数等等

以及衬底的掺杂浓度

以上我们介绍的这些基础内容

如果大家有兴趣的话

还可以从其他的教科书中

得到一些更详细的一些讲解

比如说半导体物理

微纳加工技术

以及半导体器件等等