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第1讲 半导体器件 北京大学信息科学技术学院 授课教师：鲁文高 wglu@pku.edu.cn 1 本讲内容 二极管 PN结简介 PN结二极管的IV特性及电路分析 其它类型二极管 FET MOSFET简介 MOSFET的IV特性及电路分析 其它结构FET BJT BJT简介 BJT的IV特性及电路分析 PN结 N型半导体 掺杂施主杂质，提供自由电子 例：Si中掺V族元素 P型半导体 掺杂施主杂质，提供自由空穴 例：Si中掺III族元素 PN结的内建势垒电压 内建势垒电压： 其中k为波尔兹曼常数 T为绝对温度 Na、Nd分别是受主、施主掺杂浓度 ni是半导体载流子浓度 硅PN结：掺杂浓度变化时 变化不大 GaAs PN结、Ge PN结 GaAs PN结： Ge PN结： 本讲内容 二极管 PN结简介 PN结二极管的IV特性及电路分析 其它类型二极管 FET MOSFET简介 MOSFET的IV特性及电路分析 其它结构FET BJT BJT简介 BJT的IV特性及电路分析 PN结反向偏置（1） 反向偏置电压从VR增大到VR + VR 使得空间电荷区变宽，改变电荷量 称为结电容或耗尽层电容 PN结反向偏置（2） 结电容随PN结偏压变化而变化 变容二极管 用于VCO PN结正向偏置 PN结的理想IV特性 VD=0.7 VD=-0.7 PN结的理想IV特性曲线 右图：局部放大 注意：VD-0.1V时，实际反向电流远比IS大 PN结的理想IV特性曲线（对数） VD变化60mV， ID变化一个数量级 Pn结反向击穿 击穿电压 雪崩击穿 机理：碰撞电离 表现：掺杂浓度越高，击穿电压越低 齐纳击穿 机理： 两边均高掺杂，耗尽层窄，隧穿 表现：击穿电压3-8V PN结的温度效应 Vbi温度系数约-2mV/K 温度每增加5K，IS约增加1倍 Ge二极管 反向电流本来就大 并随温度继续增大 很难应用 Pn结正向到反向切换 结电容阻止结电压瞬态跳变 二极管电路分析（图解法） 二极管电路：交流等效分析 等效电路：直流、交流 本讲内容 二极管 PN结简介 PN结二极管的IV特性及电路分析 其它类型二极管 FET MOSFET简介 MOSFET的IV特性及电路分析 其它结构FET BJT BJT简介 BJT的IV特性及电路分析 其它类型二极管 太阳能电池 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管 齐纳二极管 PIN二极管 太阳能电池 光产生电流 多个Cell串并联 光电二极管 反偏时光电流与光强成正比 光电流 可见光、红外、紫外成像 发光二极管 机理：电流光 用途：照明、显示、通信 其它类型：OLED、激光二极管 肖特基二极管 机理：金属与适当掺杂N型半导体连接 没有少子存储，开关速度快 反向饱和电流大 金属-半导体接触 肖特基接触 适当掺杂的N型半导体 欧姆接触 高掺杂半导体 雪崩二极管 机理：雪崩效应 用途： 参考源 钳位保护 粒子探测 齐纳二极管 机理：隧穿 PIN二极管 用途： RF开关： 正偏等效小电阻；负偏等效电容+大电阻 光电二极管： X光等高能射线检测（安检） RF保护 本讲内容 二极管 PN结简介 PN结二极管的IV特性及电路分析 其它类型二极管 FET MOSFET简介 MOSFET的IV特性及电路分析 其它结构FET BJT BJT简介 BJT的IV特性及电路分析 场效应晶体管（FET） MOSFET NMOS：增强型、耗尽型 PMOS：增强型、耗尽型 结型FET JFET：pn结 MESFET：肖特基势垒结 MOSFET结构 四端器件：D、S、G、B 漏：Drain 源：Source 栅：Gate 衬（体）：Substrate（Body） MOSFET工作原理 NMOS： 源、漏：N+掺杂 衬底：P-掺杂 栅：多晶硅 沟道反型时S-D之间导通 IDS与阈值电压VTH ID=IDS VGSVTH，沟道截至；VGSVTH，沟道反型 增强型NMOS的阈值电压大于0V 本讲内容 二极管 PN结简介 PN结二极管的IV特性及电路分析 其它类型二极管 FET MOSFET简介 MOSFET的IV特性及电路分析 其它结构FET BJT BJT简介 BJT的IV特性及电路分析 MOSFET导通：线性vs饱和 粉色：沟道区 VGS不变 VDS增大 a：深线性区 b：线性区 c：线性转饱和 d：饱和区 NMOS线性区、饱和区的条件 NMOS理想I-V特性 非饱和区 饱和区 耗尽型NMOS VGS=0，沟道反型 耗尽型NMOS的阈值电压小于0V 增强型PMOS NMOS：VSVD；PMOS：VSVD VGS-VTHP0，沟道反型 增强型PMOS的阈值电压小于0V 耗尽型PMOS VGS=0时，沟道反型 耗尽型PMOS的阈值电压大于0V C