半导体基础知识mos管的结构和工作原理

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。21.本征半导体GeSi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+4+4+4+4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42.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+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子62）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。+4+4+3+4空穴硼原子7归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。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－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体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多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡3.PN结10P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动11漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。141、PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。I正152、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。I反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。17PN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；185.2半导体二极管一、基本结构PN结+管壳和引线PN阳极阴极符号：D分类：点接触型面接触型平面型192.反向特性硅：Is0.1A，锗：Is＝几十A。U（BR）=几十伏uiU(BR)0UonIS20℃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：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7锗：0.1~0.3V（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；EDED二、伏安特性20一、MOS管(绝缘栅场效应管)的结构和工作原理特点：输入电流更小，输入电阻更大；便于集成分类：增强型（N沟道、P沟道）耗尽型（N沟道、P沟道）1、N沟道增强型MOS管（NMOS）结构：N+N+sgdBP（衬底）符号：gsdBN沟道gsdBP沟道21（1）工作原理①GS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。②uGS0，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。NN耗尽层PdgsuGSB通常源极和衬底是连在一起的N+N+sgdBP（衬底）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。NN反型层PdgsuGSBUGS(th)称为开启电压。③uGSUGS(th)，uDS0uDS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uDS↑→iD↑，呈现电阻性。电阻的大小与uGS有关NNPdgsuGSBuDSiD23•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（因S端未被夹断）；NNPdgsuGSBuDSiD•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。NNPdgsuGSBuDSiD24（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。IDOiDuGSUGS(th)O2UGS(th)转移特性曲线输出特性曲线uDSiDUGS=UGS(th)OUGS1UGS2UGS3=2UGS(th)可变电阻区夹断区预夹断轨迹uDS=uGS-UGS(th)恒流区IDO方程：2)()1(thGSGSDODUuIi★★252、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。uGS0的某个值UGS(off)（夹断电压）时，反型层消失，沟道夹断。故在uGSUGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD产生。结构与增强型类似，只不过在二氧化硅中加入大量正离子，故在uGS=0时，即有反型层存在。符号：gsdBN沟道gsdBP沟道PdgsuGSBNN反型层++++++++++26uDSiDUGS=UGS(off)0OUGS=0可变电阻区夹断区恒流区iDuGSUGS(off)O特性曲线输出特性曲线转移特性曲线27•P沟道是N沟道的对偶型•使用时uGS、uDS的极性应于N沟道相反，电流的方向也与N沟道相反。开启电压：增强型MOS管UGS(th)0，耗尽型MOS管，UGS(off)0。特性曲线：将N沟道对应曲线旋转180度即得283、P沟道增强型MOS管（PMOS）当vGSVGS(th)，管子截止，iD=0294、P沟道耗尽型MOS管（PMOS）当vGSVGS(off)(正值），管子截止，iD=0；vGSVGS(off)时,管子导通30uDSiDON沟道，uDS0，iD0uDSiDOP沟道，uDS0，iD0旋转180度