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1、第02章半导体器件的特性2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.1本讲稿第一页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.22.1半导体基本知识一、什么是半导体（semiconductors）根据物体导电能力（电阻率）的不同，可以将物体分为导体(conductor)、绝缘体(insulator)和半导体。硅、锗纯水硬玻璃橡胶云母石英绝缘体半导体导体半导体的电阻率介于10-3106之间。本讲稿第二页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peki
2、ng University第二章 No.3半导体的导电机制不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点：1、当受外界热和光的作用时，半导体的导电能力将发生显著变化；（光敏电阻、热敏电阻）2、在纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，其导电能力会有显著的增加。常见的半导体有：硅、锗、-族化合物（如GaN、GaAs）、-族化合物（如一些硫化物和氧化物）等，目前，硅半导体制品约占整个半导体市场的95%。本讲稿第三页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.4二、共价键（covalent bond）结构以最常见的半导体硅和锗为例，它们的
3、最外层电子（即价电子，valence electron）都是四个。锗原子锗原子GeSi硅原子硅原子价电子1、本征半导体（intrinsic semiconductor）本讲稿第四页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.5通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体本征半导体。+4+4+4+4在硅和锗的本征半导体中，每个原子与其相临的原子之间形成共共价键价键，共用一对价电子。共价键共用电子对形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键内的两个电子称为束缚电
4、子束缚电子（bonded electron）。本讲稿第五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.6共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。xyz硅、锗的晶体结构共价键正四面体，键之间的夹角10928：每个原子处于四面体中心，而有四个其它原子位于四面体的顶点。空间利用率约34，杂质粒子很容易在晶体内运动并存在于体内，且为替位杂质的扩散运动也提供了足够的条件。本讲稿第六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.7+4+4+4+4在绝对零度（即T=
5、0K）和无外界激发（光照、电磁辐射）时，共价键中的价电子被束缚，在本征半导体内没有可以自由运动的带电粒子载流子（carrier），此时半导体相当于绝缘体。束缚电子自由电子空穴在室温（300K）下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子（free electron），这种现象称为本征激发本征激发（intrinsic excitation）。价电子成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴空穴（hole）。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。在本征半导体内，自由电子与空穴总是成对出现的（称为电子空穴对）。因此，在任何时刻，本征半导体中的自由电
6、子和空穴数总是相等的。本讲稿第七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.8本征半导体的导电（电子空穴对导电）半导体导电的特殊性：两种载流子参与导电。外电场E+4+4+4+4自由电子导电：形成电子电流空穴导电：形成空穴电流自由电子电流和空穴电流之和为半导体中的电流（符号相反，电流方向相同）。外电场E+4+4+4+4外电场E+4+4+4+4空穴（可看作带正电的粒子）的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。本讲稿第八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University
7、第二章 No.9本征半导体载流子浓度：电子浓度空穴浓度式中，A为与材料有关的系数，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数，EG为禁带宽度（eV），表示热力学零度时挣脱共价键所需要的能量。T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度为：本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低（本征硅的原子浓度为51022/cm3），所以总的来说导电能力很差（电阻率为104cm）。本征载流子的浓度对温度十分敏感。而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。negativepositive本讲稿第九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.10
8、2、掺杂半导体（doped semiconductor）在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子（电子，空穴）浓度大大增加。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、锑），主要载流子为电子，也称作电子型半导体；P型半导体：掺入三价杂质元素（如硼、铟），主要载流子为空穴，也称作空穴型半导体。本讲稿第十页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.11N型半导体+4+4+5+4在硅或锗晶体
9、中掺入少量的五价元素磷（或锑），取代晶体点阵中的某些半导体原子，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易被激发而形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子（majority carrier），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（minority carrier）,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为不能移动的正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质（donor impurities）。多余电子N型半导体表示法本讲稿第十一页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking U
10、niversity第二章 No.12P型半导体+4+4+3+4在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素硼（或铟），取代晶体点阵中的某些半导体原子，硼原子的最外层只有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时会产生一个空穴，这个空穴很容易吸引周围的束缚电子来填充而在其它半导体原子处产生一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子,由热激发形成。得到束缚电子的三价杂质原子因带负电荷而成为不能移动的负离子，因此三价杂质原子也称为受主杂质（acceptor impurities）。空穴P型半导体表示法填充本讲稿第十二页，共六十二页2023/1/5School of Ph
11、ysics,Peking University第二章 No.13P型半导体+N型半导体一般掺杂浓度为1014/cm31018/cm3，常温下这些粒子都会激发出载流子，即半导体中载流子浓度等于杂质粒子浓度（远大于本征半导体载流子浓度1010/cm3），因此，掺杂可以大大增强半导体的导电能力。本讲稿第十三页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.14一、PN结（PN junction）1、PN结的形成在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时，在N型半导体和P型半导体的结合面附近，由于多数载
12、流子的相互扩散并且相互结合，会形成一个很薄（nmm）的由不能移动的带电离子组成的空间电荷区（space charge region），称之为PN结。在这个区域中没有载流子，所以又称之为耗尽层（depletion layer），电阻率非常高。2.2PN结及二极管本讲稿第十四页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.15扩散运动+P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体（由载流子浓度差引起）PN结处的载流子运动本讲稿第十五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第
13、二章 No.16扩散运动+P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体内电场E漂移运动（由内电场引起）PN结处的载流子运动空间电荷区扩散运动的结果是扩散运动的结果是使空间电荷区逐渐使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区加宽，空间电荷区越宽，内电场越大。越宽，内电场越大。内电场越强，就内电场越强，就使漂移运动越强，使漂移运动越强，而漂移使空间电而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。本讲稿第十六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.17扩散运动（diffusion）+P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体内电场E漂移运动（dr
14、ift）PN结处的载流子运动空间电荷区扩散和漂移这一扩散和漂移这一对相反的运动最对相反的运动最终将达到动态平终将达到动态平衡，相当于两个衡，相当于两个区之间没有电荷区之间没有电荷运动，即空间电运动，即空间电荷区的厚度固定荷区的厚度固定不变。不变。本讲稿第十七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.182、PN结的单向导电性（unilateral conductivity）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压正向电压（forward bias），简称正偏正偏；反之称为加反向电压（反向电压（rever
15、se bias），简称反偏反偏。+ERN区P区内电场内电场外电场外电场(1)PN结正向偏置正向电流正向电流PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，抵消内电场的作用，使得PN结变薄。此时，扩散运动将大于漂移运动，从而产生扩散电流。扩散电流由多数载流子形成，所以电流较大。本讲稿第十八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.19+ERN区P区内电场内电场外电场外电场(2)PN结反向偏置PN结反偏时，外加电场与内电场方向相同，使得PN结变厚。此时，扩散运动将趋于停止，PN结内存在少量漂移运动，从而产生漂移电流。漂移电流由少数载流
16、子形成，所以电流很小。反向电流反向电流PN结的单向导电性：PNPN结加结加正向正向电压时，呈现电压时，呈现低电阻低电阻，具有，具有较大较大的正向扩散的正向扩散电流电流；PNPN结加结加反向反向电压时，呈现电压时，呈现高电阻高电阻，具有，具有很小很小的反向漂移的反向漂移电流电流。本讲稿第十九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.20(3)PN结的伏安特性（V-A characteristics）ui0(V)(mA)0.510.51-0.5-1PN结的伏安特性：式中Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量，即k为波耳兹曼常
17、数，q为电子电量反向饱和电流 Is：反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子数量很少，即使全部参与导电，也只能产生一个微弱的电流（A量级），即反向饱和电流。（voltage-equivalent of temperature）（reverse saturation current）本讲稿第二十页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.213、PN结的反向击穿（reverse breakdown）当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，这种现象称为PN结的反向击穿。此时的电压称为反向击穿电压UBR。ui0
18、(V)(mA)-UBR热击穿：不可逆过程，即过热烧毁；电击穿：可逆过程，能加以利用（如稳压管）。雪崩击穿：多发生于掺杂浓度低，PN结厚的情形，所需反向击穿电压较大，电子在运动时能获得较大动能，当与原子发生碰撞时能激发出电子空穴对，从而达到倍增效应；齐纳击穿：多发生于掺杂浓度高，PN结薄的情形，PN结处的强电场能破坏共价键而把电子分离出来形成电子空穴对。（avalanche breakdown）（Zener breakdown）本讲稿第二十一页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.224、PN结的电容效应(1)势垒电容CB
19、PN结反偏时，当外加电压变化时，PN结厚度相应改变，即在耗尽层中的空间电荷数发生变化，从而形成电容效应，称为势垒电容。势垒电容类似于平行板电容器。结面积PN结宽度反向偏置的PN结常被当作压控可变电容器使用。+ERN区P区（capacitance effect）（barrier capacitance）本讲稿第二十二页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.23+ERN区P区xnNpnPn(2)扩散电容CD电流PN结正偏时，随着多子的扩散运动，在另一区将形成浓度梯度，相当于电荷的积累。当外加电压变化时，浓度梯度将发生变化，即
20、积累的电荷量发生变化，从而形成电容效应，称为扩散电容。PN结电容为两者之和，即一般的，CJ为pf 量级。（diffusion capacitance）本讲稿第二十三页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.241、结构工艺在PN结上加上引线和封装，就成为一个晶体二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管正极引线负极引线外壳N型锗片金属触丝含镓的金属触丝压在锗晶体上，在正方向通过很大的瞬间电流，使触丝与半导体熔接在一起，形成PN结。点接触型二极管示意图特点：PN结面积小，结电容小。适用于检
21、波和变频等高频电路。二、晶体二极管（semiconductor diode）本讲稿第二十四页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.25面接触型二极管示意图平面型二极管示意图正极引线负极引线铝合金小球P型硅N型硅金锑合金底座正极引线负极引线PNP型支持衬底(2)面接触型二极管(3)平面型二极管用合金法（铝合金球压在N型硅片上，加热使熔合、渗透，形成合金）或扩散法形成PN结。特点：PN结面积大，结电容大，允许较大电流通过。适用于整流等工频电路。使用集成电路制造工艺生产，基本取代面接触型二极管。特点：PN结面积可大可小。适用范
22、围广。(4)二极管符号D正极负极(anode)(cathode)本讲稿第二十五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.26常见的半导体二极管本讲稿第二十六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.272、伏安特性二极管的伏安特性曲线：RUsDuDiDIs反向饱和电流二极管的直流参数：、最大整流电流IF（maximum DC(direct current)forward current）指二极管允许通过的最大正向平均电流。、反向击穿电压UBR和最大反向
23、工作电压URM为保证二极管安全工作，一般情况，取URM=UBR/2（maximum peak reverse voltage）uDiD0(mA)-UBRISUon导通区截止区击穿区死区本讲稿第二十七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.28、反向电流IR（reverse current）IR越小，说明二极管的单向导电性越好。当温度上升时，IR将会剧增。、导通电压UD（forward voltage）指二极管导通后的管压降。、开启电压Uon（cut-in voltage）、最高工作频率fMUD=0.7V 硅管0.2V 锗
24、管Uon=0.5V 硅管0.1V 锗管二极管正常工作的上限截止频率。二极管正向电流开始迅速增大时的管压降。本讲稿第二十八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.293、图解分析法如图，求iD、uD。RUsDuDiD线性区非线性区线性方程非线性方程uDiD0(V)(mA)PUsUPIP在二极管伏安平面上画出相应的曲线，两曲线交于P点，则P点对应的电压电流即为所求。即iD IPuD UP本讲稿第二十九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.304、等效
25、电路分析法uDiD0uDiD0理想模型恒压降模型、静态等效电路、理想模型（开关模型）(ideal model)将二极管当作开关处理：当uD0，二极管相当于短路；而uD 0，二极管相当于断路。、恒压降模型(constant voltage drop model)UD等效ababUD当uD UD时，用二极管导通电压UD来等效；当uD UD时，二极管相当于断路。UD=0.7V 硅管0.2V 锗管即：(DC equivalent circuits)本讲稿第三十页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.31、动态等效电路用折线来近似
26、二极管的特性曲线，当二极管电压超过开启电压后，用斜线来代替特性曲线，斜线的斜率为工作范围内电流、电压的比值，其倒数为等效的电阻rD，此时的管压降用开启电压Uon等效。(AC(alternating current)equivalent circuits)uDiD0Uon等效aba即：UonrDb折线模型、折线模型(piecewise model)本讲稿第三十一页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.32、微变等效电路(small signal model)uDiD0各模型适用范围：UiUD时，使用理想模型；考虑二极管影响
27、时，使用恒压降模型（常用）或折线模型；当外加信号幅度动态范围较小时，使用微变等效电路。只考虑二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化时引起的电流变化，可用曲线在该固定值处的切线来近似表示这一小段曲线，而将二极管等效成一个微变等效电阻rd。即：等效abardb微变等效电路本讲稿第三十二页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.335、应用利用二极管的单向导电性，可对信号进行限幅处理，实现整流、检波等功能。RuiDuouiuo、整流电路整流电路的作用是将交流电压变成直流电压，常用于直流稳压电源中。半波整流电路本讲稿第三十三页
28、，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.34另外，利用二极管的其它特性，还能完成一些特殊功能。如稳压二极管（Zener diode，反向电击穿时管压降不变）、光电二极管（photoelectric diode，受光照导电能力剧变）、发光二极管（light-emitting diode，激发的自由电子回到基态会产生辐射）、变容二极管（varactor diode，PN结电容会因外加电压的变化而改变），等等。限幅电路RuiDuouiuo、限幅电路：限制电压，起保护作用URUR本讲稿第三十四页，共六十二页2023/1/5Scho
29、ol of Physics,Peking University第二章 No.35-UZ6、稳压二极管、特性稳压二极管简称稳压管，正常工作在反向击穿状态。其反向击穿曲线非常陡峭，击穿时管压降几乎不随电流的变化而变化。、主要参数uDiD0符号伏安特性稳压电压UZ：是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压；稳定电流IZ：是稳压管工作在稳压状态时的参考电流值，有一定的 取值范围，即IZminIZmax，小于IZmin时稳压效果变坏，大于IZmax时管子容易烧毁；动态电阻rZ：稳压管稳压工作时可以用折线模型等效。DZ本讲稿第三十五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Pekin
30、g University第二章 No.36、稳压管稳压电路并联型稳压电路，R为限流电阻。稳压原理：当UI变化、负载不变时：RUIDZIUORLIOIZUIUOIZ、IOI RUO=UI-IR当UI不变、负载变化时：RLIZI 几乎不变UO基本不变IO为了让稳压管安全的工作在稳压状态，必须选取合适的R值。本讲稿第三十六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.37例：稳压电路如图。已知US=12V，RL=600，查手册知稳压管2CW14参数如下：UZ=7.5V，IZmin=10mA，额定功率PZM=250mW，rZ10，估算
31、限流电阻R的取值范围。RUSDZRL2CW14解：忽略rZ，IRL不变。当IZ=IZmin时，R值最大，有当IZ=IZmax时，R值最小，有其中 、，代入数值可得98 R 200本讲稿第三十七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.382.3双极型晶体管（BJT：bipolar junction transistor）一、结构特点双极型晶体管又称晶体三极管(semiconductor triode)或晶体管(transistor)，可以近似看作两个二极管背靠背组合而成，它包含两个PN结。发射极(Emitter)用E或e表
32、示基极(Base)用B或b表示集电极(Collector)用C或c表示发射结(Je)集电结(Jc)发射区：掺杂浓度高基区：掺杂浓度低，很薄(m量级)集电区：中度掺杂，面积较大ebcNPN型硅衬底本讲稿第三十八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.39根据各区性质不同，三极管分为PNP型和NPN型两种。结构符号PNP型NPN型ebcPPNebcNNPbecbec本讲稿第三十九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.40二、工作原理要使三极管正常工作
33、（放大），外加电压必须满足一定的条件：发射结正偏，集电结反偏。1、载流子的运动NNPecbUe（IEP，两者之和形成发射极电流IE。IEP往往被忽略不计。IEIENIEP注：图中箭头所指为载流子的运动方向，而不是电流方向，电子的运动方向与电流方向相反。本讲稿第四十页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.41、电子在b区的扩散与复合：e区注入到b区的电子，因浓度差而继续向c区扩散，在扩散的过程中有部分电子与b区中的空穴复合，形成电流IBN，由于空穴由基极补充，故IBN是IB的一部分。NNPecbUe（1V）Uc（几伏几十伏
34、）IEIENIEPIBNIB本讲稿第四十一页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.42、电子被集电极收集：由于集电结反偏，且所加反偏电压较大，扩散到集电结边沿的电子在电场的作用下很容易漂移过集电结，到达c区，形成电流ICN，构成集电极电流IC的一部分。、集电结的反向电流：集电结反偏，则在基极与集电极间有反向饱和电流ICBO（collector-base cut-off current）。NNPecbUe（ICBO时，则一般为0.90.99静态（直流）(common base direct current amplific
35、ation factor)本讲稿第四十三页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.44整理上式，将IE消去，可得：令共射直流电流放大系数则：当基极开路，即IB=0时，穿透电流动态（交流）：ICBO为本征热激发引起，只与温度有关，与结电压变化无关，当温度一定时是一个常数。(common emitter direct current amplification factor)本讲稿第四十四页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.45定义：共基电流放大系数
36、共射电流放大系数则：110100三极管的联接法becbececb共发射极接法（CE configuration）共基极接法（CB configuration）共集电极接法（CC configuration）电压放大倍数大，用于电压放大电路频带宽，功率放大，用于高频放大和宽带放大器电压放大倍数1，输入电阻大，输出电阻小，用于多级放大器中输入级、输出级及中间隔离级(common base alternating current amplification factor)本讲稿第四十五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.4
37、6三、三极管特性曲线(characteristic curve)测量电路(共发射极接法)共射极（CE）接法RBVBB+-+-+-+-+-VCCBCE+-mAVmVAIBICUBEUCE本讲稿第四十六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.471、输入特性曲线以集电极电压UCE为参变量，输入回路中基极电压UBE与基极电流IB的关系曲线，称为输入特性曲线。即：UBEIB0(V)(A)0.20.840120800.40.6UCE 0VUCE 1VUCE 0V，相当于两个二极管正向并联的伏安特性；UCE 01V，曲线向右移动明显
38、。在UCE UBE（约0.7V）以前，集电结处于正偏状态，收集电子的能力弱，随着UCE增大，集电结逐渐过渡到反向偏置，收集电子的能力逐渐增强，使e区的电子更多地漂移到c区，使得IB明显减小，曲线向右移动。当UCE 1V时，e区注入的电子绝大多数被c区收集，故UCE 再增加，IB也不再明显减小，所以UCE 1V以后的输入特性曲线基本重合。本讲稿第四十七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.48Jc反偏，使e区注入到b区的电子绝大部分漂移到c区。此时IC大小不随UCE明显变化，其大小受IB控制，满足 的关系。2、输出特性曲
39、线UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区放大区：放大区：Je正偏，Jc反偏。当IB等量变化时，输出特性曲线基本是平行等距的。随着UCE的增加，IC稍有增大，使曲线略为上翘，这是由于基调效应（基区宽度调制效应，base-width modulating effect）引起的。(active region)本讲稿第四十八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.49UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区饱和区：饱和区：Je正偏，Jc正偏。UCE较小，UCEUBE，Jc正偏，收集电子的
40、能力很弱，即使增加IB，IC也增加很少，晶体管处于饱和状态，的关系不再成立。随着UCE的增大，集电结收集电子的能力逐渐增大，IC变化明显，曲线迅速上升。临界饱和线UCB0V（即UCEUBE）的曲线称为临界饱和线。饱和时的电压UCE称为饱和压降，记做UCES，对于小功率硅管，UCES 0.3V。(saturation region)(collector-emitter saturation voltage)本讲稿第四十九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.50UCEIC0(V)(mA)28134462放大区饱和区截止区
41、临界饱和线截止区：截止区：Je反偏，Jc反偏。通常将IB0的输出特性曲线以下的区域称为截止区，此时IEIC ICEO，晶体管失去放大作用。严格的讲，应把IE0，IBICBO的曲线下方区域称为截止区。(cutoff region)本讲稿第五十页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.51输出特性曲线三个区域的特点：放大区：Je正偏，Jc反偏。，。饱和区：Je正偏，Jc正偏。UCEUBE，UCES0.3V。截止区：Je反偏，Jc反偏。IB=0，IEICICEO。本讲稿第五十一页，共六十二页2023/1/5School of P
42、hysics,Peking University第二章 No.52四、三极管的主要参数1、电流放大系数共基极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数共射极电流放大系数共基极电流放大系数一般在工作电流不太大的情况下，可认为 ，故可以混用。的取值：如果太小，放大作用太差；而太大，晶体管的性能会不稳定，所以一般30120为宜。本讲稿第五十二页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.532、极间反向电流ICBO集电极基极反向饱和电流。ICEO穿透电流。ICBO标志晶体管的质量，要求越小越好。对于硅管，ICBOICM时，晶体管不一定损
43、坏，但电路的放大倍数将明显下降。(maximum collector current)、集电极最大允许耗散功率PCM管耗功率使结温升高，使晶体管性能变差，集电极耗散功率超过PCM时，管子有可能烧毁。(maximum power dissipation)本讲稿第五十四页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.55U(BR)EBOc极开路，e、b间的 反向击穿电压；、反向击穿特性：U(BR)CBOe极开路，c、b间的 反向击穿电压；U(BR)CEOb极开路，c、e间的 反向击穿电压；使用时，为保证晶体管安全工作，各值要控制在极
44、限量的60%以内。U(BR)EBO U(BR)CEO U(BR)CBOUCEIC0(V)(mA)28134462ICMPCMICM UCEU(BR)CEO安全工作区过损耗区本讲稿第五十五页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.56半导体器件型号由五部分组成。（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）五个部分意义如下：第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2二极管、3三极管。第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。附录1：中国半导体分立器件命名方法表示二极管
45、时：AN型锗材料、BP型锗材料、CN型硅材料、DP型硅材料。表示三极管时：APNP型锗材料、BNPN型锗材料、CPNP型硅材料、DNPN型硅材料。本讲稿第五十六页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.57第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的功能。P普通管、V微波管、W稳压管、C参量管、Z整流管、L整流堆、S隧道管、N阻尼管、U光电器件、K开关管、X低频小功率管(f3MHz，Pc3MHz，Pc1W）、D低频大功率管（f1W）、A 高频大功率管（f3MHz，Pc1W）、T 半导体晶闸管（可控整流器）、Y 体效应器件、B
46、雪崩管、J 阶跃恢复管、CS 场效应管、BT 半导体特殊器件、FH 复合管、PIN PIN型管、JG 激光器件。第四部分：用数字表示序号。第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。例如：3DG6表示NPN型硅材料高频小功率三极管。本讲稿第五十七页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.58附录2：集成电路芯片加工工艺简介以加工2m设计规则的硅栅等平面N沟道CMOS反相器电路为例。UDDUiUoTPTNP沟道N沟道1、初始材料P型硅单晶片，电阻率30cm，相当于掺杂浓度51014/cm3。2、形成N阱，光刻1、初始氧化（干氧湿氧干
47、氧工艺）：生长SiO2，厚度3500；、光刻1：用第一块掩模版，经曝光、等离子刻蚀，形成N阱窗口；、N阱粒子注入：磷离子注入，剂量31012/cm2，能量80keV；、形成N阱：在N2:O2=9:1的气氛中退火和趋进，温度1150，时间60分钟，N阱深度为56 m，同时生长氧化层2000；、去掉所有氧化层：用稀HF酸泡掉全部氧化层，结果留下N阱处约400 的硅表面高度差（3500 SiO2与裸硅表面氧化速度不同），此高度差可以作为光刻对准之基准。本讲稿第五十八页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.593、确定NMOS有
48、源区，光刻2、生长缓冲SiO2薄层，厚度600，为减少即将淀积的Si3N4层与硅衬底之间的应力；、低压化学汽相淀积Si3N4，用于掩蔽氧化，厚度1000；、光刻2，确定NMOS有源区：用第二块掩模版，经曝光、等离子刻蚀，保留NMOS有源区和N阱区的Si3N4层，将非有源区，即场区部分的Si3N4和SiO2去掉；、NMOS场区硼注入：剂量11013/cm2，能量120keV，为了防止场区下硅表面反型，产生寄生沟道；、场区等平面局部氧化：利用Si3N4掩蔽氧化的功能，在没有Si3N4层、并经硼离子注入的区域，生长一次场区氧化层，厚度4000。4、确定PMOS有源区，光刻3：在N阱中，确定PMOS有
49、源区、光刻3：除去N阱中非PMOS有源区部分的Si3N4和SiO2；、根据需要，确定是否需要对N阱中场区部分进行磷离子注入（对于35 m沟道，不必注入，对于1.52m沟道，进行磷注入）；、等平面场区局部氧化：用湿氧氧化或高压氧化生长1m厚的SiO2层。本讲稿第五十九页，共六十二页2023/1/5School of Physics,Peking University第二章 No.605、栅氧化与开启电压调整、去掉Si3N4层和缓冲的SiO2层；、栅氧化：在HCl气氛中干氧氧化生长栅氧化层（2001000）；、开启电压调整：用硼离子注入，剂量61011/cm2，能量100keV，使UTN=0.71
50、.0V，UTP=0.71.0V。6、多晶硅淀积、用低压化学汽相淀积法（LPCVD）淀积多晶硅层：温度625，气体源SiN4(20%)+Ar(或N2)(80%)，多晶硅薄膜厚40005000 ；、淀积多晶硅后，需对多晶硅掺杂，以获得低阻多晶硅层（在淀积时加入PH3或AsH3气相掺杂，也可在淀积后用扩散或离子注入）。7、光刻4，形成NMOS的源、漏区、光刻NMOS多晶硅（保护PMOS区），形成NMOS多晶硅栅，去掉没有多晶硅覆盖的栅氧化层；、砷或磷离子注入，形成NMOS源、漏区：注入剂量31015/cm2，典型能量150keV。本讲稿第六十页，共六十二页2023/1/5School of Phys