半导体器件
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些半导体器件是指在半导体材料基础上制造的电子器件。
它具有介于导体与绝缘体之间的特性，既能够传导电流，又能够控制电流的大小和方向。
半导体器件广泛应用于电子、通信、计算机、光电等领域，是现代科技发展的基础之一。
半导体器件的种类繁多，涵盖了许多不同的功能和应用。
下面将介绍一些常见的半导体器件：1. 整流器件整流器件用于将交流电转换为直流电，常见的整流器件有二极管和整流桥。
二极管是最基础的半导体器件之一，通过正向电压使电流通路畅通，而反向电压则阻止电流流动。
整流桥由四个二极管组成，可以实现更高效的电流转换。
2. 放大器件放大器件可以将输入信号信号放大输出，常见的放大器件有晶体管和场效应晶体管（FET）。
晶体管通过控制输入电流，改变输出电流的放大倍数，广泛应用于各种放大和开关电路中。
FET则是利用场效应原理，通过控制栅极电压来调节输出电流。
3. 逻辑器件逻辑器件用于实现逻辑运算和数据处理，常见的逻辑器件有门电路、触发器和寄存器。
门电路包括与门、或门、非门等，用于实现与、或、非等逻辑运算。
触发器和寄存器则用于存储和传输数据，实现时序逻辑功能。
4. 可控器件可控器件可以通过控制信号来改变器件的电特性，常见的可控器件有可控硅（SCR）和可控开关。
可控硅是一种具有双向导电性的半导体器件，可以实现高压大电流的控制。
可控开关通过改变输入信号的状态，控制输出电路的导通和断开。
5. 光电器件光电器件将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号。
常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻和光电晶体管。
光电二极管具有较快的响应速度，可用于光电转换和光通信。
光敏电阻对光信号具有较大的灵敏度，常用于光控开关和光敏电路。
光电晶体管通过光控电流来控制电流的通断，常用于光电触发器和光电继电器。
除了以上提到的常见半导体器件，还有诸如二极管激光器、发光二极管（LED）、MOSFET、IGBT等。
这些器件在不同的应用领域发挥着重要的作用，推动着科技的不断进步和创新。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识，真是个神奇的世界。
咱们常常提到“半导体”，脑海里浮现出那些小小的芯片，觉得它们离我们有点遥远。
其实，半导体就在我们身边，像个无形的助手，让生活变得更加便利。
一、半导体的基本概念1.1 半导体是什么？半导体，简单来说，就是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们在某些条件下能导电，在其他情况下又不导电。
是不是听上去有点神秘？其实，最常见的半导体材料就是硅。
我们用的手机、电脑，里面的处理器，几乎都离不开硅的身影。
1.2 半导体的特性半导体有很多奇妙的特性，比如它的电导率。
温度变化、杂质掺入，都会影响它的导电性能。
说白了，半导体的电性就像人心一样，瞬息万变。
通过控制这些特性，工程师们可以设计出各种各样的电子器件。
二、半导体器件的类型2.1 二极管咱们来聊聊二极管。
这小家伙看似简单，却是半导体世界的基石。
二极管只允许电流朝一个方向流动。
它就像个单行道，确保电流不走回头路。
常见的应用就是整流器，把交流电转成直流电。
这在生活中非常重要，大家用的手机充电器，就离不开二极管的帮助。
2.2 晶体管接下来是晶体管。
晶体管的发明可谓是科技界的一场革命。
它不仅能放大电信号，还能用作开关，控制电流的流动。
晶体管的出现，让电子产品变得更小、更快。
你知道吗？现代计算机的核心，CPU，里面就有成千上万的晶体管在默默工作。
2.3 其他器件还有很多其他的半导体器件，比如场效应管、光电二极管等。
每种器件都有其独特的用途和应用领域。
它们一起构成了一个复杂而又和谐的生态系统。
可以说，半导体器件的多样性是现代科技发展的动力。
三、半导体的应用3.1 消费电子说到应用，咱们首先想到的就是消费电子。
手机、平板、电视，都是半导体的舞台。
随着科技的进步，半导体技术不断演变，产品功能越来越强大，性能越来越高。
可以说，半导体让我们的生活变得丰富多彩。
3.2 工业应用除了消费电子，半导体在工业中也大显身手。
自动化设备、传感器、控制系统，全都依赖于半导体技术的支持。
半导体基本器件
集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流 IC 。
三极管电流的形成及分配 电流的分配关系 发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给β个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。 β称为电流放大系数， β值通常在20～200之间
（与自由电子的运动不同）
*
结论：
本征半导体中有两种载流子：
①带负电荷的自由电子②带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。
*
N型和P型半导体 (1)N型半导体
在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个…多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很
截止条件： uBE <Uon(0.5V) 特点： IB=0， IC≈0 c ~ e 之间相当于断开的开关。
截止和饱和两个状态通称为开关状态。
2.2.2 三极管的主要参数及应用 Ib Ic 共发射极电流放大系数 = 20-200
空 穴 自由电子
少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。
3.PN结的形成
预备知识:
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层
2.2.1 三极管的特性曲线
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识真是个引人入胜的话题。
它们无处不在，影响着我们生活的每一个角落。
想象一下，你的手机、电脑、甚至是冰箱，背后都藏着这些小小的奇迹。
半导体其实是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们能在特定条件下导电，这种特性让它们成为现代电子设备的核心。
半导体的应用可谓是无所不在。
从最早的真空管到如今的晶体管，技术发展日新月异。
晶体管是半导体的英雄，推动了计算机和通讯技术的飞速发展。
简单来说，它们就像开关，能够控制电流的流动。
想象一下，没有这些小小的开关，我们的生活会变成什么样子？估计连个短信都发不出去。
接着，我们得聊聊二极管。
二极管是半导体的另一位明星，主要作用是让电流只往一个方向流动。
这种特性在整流和信号处理上至关重要。
比如，你的手机充电器就离不开二极管的帮助。
想象一下，如果电流乱七八糟地流动，那手机估计早就炸了。
然后，还有更复杂的半导体器件，如集成电路。
集成电路把成千上万的晶体管、二极管和其他元件集成在一起，极大地缩小了设备的体积，提升了性能。
可以说，集成电路是现代电子产品的“心脏”。
随着科技的发展，集成电路的技术不断进步，摩尔定律也让我们看到未来的无限可能。
接下来说说半导体材料本身。
硅是最常见的半导体材料。
它不仅价格便宜，而且容易获得。
随着研究的深入，砷化镓等其他材料也逐渐崭露头角。
砷化镓在高频、高功率设备中表现优异，特别是在通讯技术中大放异彩。
其实，半导体器件的工作原理也非常有趣。
电子和空穴的运动就是它们的核心。
简单来说，电子是带负电的，而空穴则像是带正电的“洞”。
这两者的相互作用构成了电流的基础。
在某种程度上，它们的结合就像是一场舞蹈，电子不断地跳动，而空穴则在一旁默默等待。
有趣的是，半导体器件的性能受温度影响很大。
高温会导致材料的导电性变化，甚至可能导致器件失效。
因此，良好的散热设计对于电子设备至关重要。
想想看，电脑过热时卡顿，那绝对是让人抓狂的事。
在实际应用中，半导体器件还涉及到许多前沿技术。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
精选课件
28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
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33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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21
1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
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22
1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
什么是半导体器件
什么是半导体器件半导体器件是一种在电子领域中广泛应用的元件，它在现代科技和信息社会中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍半导体器件的定义、原理、分类以及应用领域。
一、定义半导体器件是一类以半导体材料为基础制成的电子组件，其电导特性介于导体和绝缘体之间。
半导体材料通常是一种特定的固体晶体，例如硅(Si)和锗(Ge)。
通过控制材料中的杂质浓度和器件结构，可以改变半导体器件的电性能。
二、原理半导体器件的电导特性是由材料的能带结构决定的。
在纯净的半导体材料中，价带和导带之间存在能隙，电子必须获得足够的能量才能从价带跃迁到导带中。
但是，通过引入适量的杂质原子，如三价元素和五价元素，可以改变半导体的导电性能。
掺杂三价元素的半导体被称为P型半导体，因为它有多余的正电荷；而掺杂五价元素的半导体被称为N型半导体，因为它有多余的负电荷。
当P型和N型半导体材料接触时，形成PN结。
在PN结中，存在由扩散电流和漂移电流组成的结电流。
当外加正向偏置电压时，电子从N区域进入P区域，同时空穴从P区域进入N区域，导致电流通过PN结。
相反，当外加反向偏置电压时，电子和空穴受到电场力的约束，电流非常小。
三、分类根据不同的应用需求，半导体器件可以分为多种类型，其中常见的包括：1. 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，它由P型和N型半导体材料组成。
二极管具有单向导电性，电流只能从P区域流向N区域，而反向电流非常小。
二极管广泛应用于电源电路、信号检测和电子开关等领域。
2. 三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件，它由P型、N型和P型三个区域组成。
三极管主要通过控制小信号电流来实现对大信号电流的放大。
它在放大电路、开关电路和振荡电路中得到广泛应用。
3. 场效应晶体管（FET）场效应晶体管是一种控制型半导体器件，它根据控制电压的大小和极性来改变电流流动。
FET有多种类型，如MOSFET和JFET等，它们在数字电路、功率放大和模拟电路中扮演着重要的角色。
常用半导体器件介绍
基极和发射极之间 的PN结称为发射
结
基极和集电极之间 的PN结称为集电
结
发射结和集电结之 间的区域称为基区
基区非常薄，通常 只有几微米
三极管内部电流的 流动方向与PN结 的导电方向有关
三极管具有放大作 用，可以将小信号
放大成大信号
三极管的特性
01 电流放大：三极管具有电流放大作用，可以 将微弱的输入信号放大为较大的输出信号。
半导体器件可以分为两类：主动器 件和被动器件。主动器件如晶体管、 集成电路等，可以控制电流的流动； 被动器件如电阻、电容、电感等， 主要用来传输和存储信号。
半导体器件的性能和可靠性对电 子设备的性能和可靠性具有重要 影响。
半导体器件的分类
双极型晶体管（BJT）： 场效应晶体管（FET）：
如PNP、NPN等
事等
光电器件的发 展趋势是高速、 低功耗、集成
化
光电器件的分类
光电导器件：利用光电效应工作的器件，如光敏 二极管、光敏三极管等。
光电发射器件：利用外光电效应工作的器件，如 光电管、光电倍增管等。
光敏电阻：利用光敏电阻的光电导效应工作的器 件，如光敏电阻、光敏电容等。
光敏晶体管：利用光敏晶体管的光电导效应工作 的器件，如光敏晶体管、光敏场效应晶体管等。
01
由一个PN结组成
03
PN结具有单向导电性
02
P型半导体和N型半导体相 互接触形成PN结
04
电流只能从P型半导体流向N 型半导体，不能反向流动
二极管的特性
01
单向导电性：二极 管只允许电流从一 个方向通过，具有 单向导电性。
02
整流作用：二极管 可以将交流电转换 为直流电，具有整 流作用。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识在当今科技飞速发展的时代，半导体器件已经成为了现代电子技术的核心基石。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的医疗设备、航空航天系统，半导体器件无处不在，深刻地影响着我们的生活和社会的发展。
那么，什么是半导体器件？它们是如何工作的？又有哪些常见的类型和应用呢？接下来，让我们一起走进半导体器件的世界，探寻其中的奥秘。
一、半导体的基本特性要理解半导体器件，首先需要了解半导体材料的特性。
半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
半导体的导电性可以通过掺杂等方式进行精确控制，这使得它们在电子器件中具有独特的应用价值。
半导体的一个重要特性是其电导特性对温度、光照等外部条件非常敏感。
例如，随着温度的升高，半导体的电导通常会增加。
此外，半导体还具有光电效应，即当半导体受到光照时，会产生电流或改变其电导特性，这一特性在太阳能电池、光电探测器等器件中得到了广泛应用。
二、半导体器件的工作原理半导体器件的工作原理主要基于 PN 结。
PN 结是在一块半导体材料中，通过掺杂工艺形成的P 型半导体区域和N 型半导体区域的交界处。
P 型半导体中多数载流子为空穴，N 型半导体中多数载流子为电子。
当P 型半导体和 N 型半导体结合在一起时，由于两种区域的载流子浓度差异，会发生扩散运动，形成内建电场。
在 PN 结上加正向电压（P 区接正，N 区接负）时，内建电场被削弱，多数载流子能够顺利通过 PN 结，形成较大的电流，此时 PN 结处于导通状态。
而加反向电压时，内建电场增强，只有少数载流子能够形成微小的电流，PN 结处于截止状态。
基于 PN 结的这一特性，可以制造出二极管、三极管等多种半导体器件。
三、常见的半导体器件1、二极管二极管是最简单的半导体器件之一，它只允许电流在一个方向上通过。
二极管在电路中常用于整流（将交流电转换为直流电）、限幅、稳压等。
例如，在电源适配器中，二极管组成的整流电路将交流市电转换为直流电，为电子设备供电。
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1
2013年10月2日10时29分
人工分析模型
• 模型中用一个固定电压源来替代导通的二极管，而不导通的二极管 则用开路来表示
ID = IS(eV D/T – 1) VD – – ID + + – VDon
+ VD
(a) Ideal diode model
(b) First-order diode model
2013年10月2日10时29分
饱和区
• 假设VGS > VT ，VGS - VDS VT VGS
S
G
VDS > VGS-VT D ID
n+
- V -V + GS T
n+
Pinch-off B
k'n W VGS VT 2 ID 2 L
•
器件. 17
漏电流与控制电压VGS之间存在平方关系
I DSAT
W VDSAT nC ox L
2 VDSAT VGS VT VDSAT 2
器件. 20
2013年10月2日10时29分
对于短沟器件及足够大的VGT值
•
•
VDSAT< VGS – VT ，因此器件在VDS达到VGS - VT之前就已经进入饱和 状态，所以往往更经常地工作在饱和情况下
Polysilicon Aluminum
器件. 10
2013年10月2日10时29分
NMOS晶体管的开关模型
| VGS |
Gate
Source (of carriers)
Drain (of carriers)
Open (off) (Gate = ‘0’)
Closed (on) (Gate = ‘1’)
速度饱和
• • • 短沟器件的主要差别是速度饱和效应 速度饱和效应：当沿沟道的电场达到某一临界值时，载流子的速度 将由于散射效应(即载流子间的碰撞)而趋于饱和 在沟道长度为0.25μm的NMOS器件中大约只需要2V左右的漏源电压 就可以达到饱和点
c (V/m)
器件. 19 2013年10月2日10时29分
Ron
| VGS | < | VT |
| VGS | > | VT |
器件. 11
2013年10月2日10时29分
PMOS晶体管的开关模型
| VGS |
Gate
Source (of carriers)
Drain (of carriers)
Open (off) (Gate = ‘1’)
Closed (on) (Gate = ‘0’) Ron
2013年10月2日10时29分
D
NMOS Enhancement
D G
B
器件. 13
阈值电压
• 强反型发生时VGS的值称为阈值电压VT
VGS +
G
S
-
D
n+
n+
n channel
p substrate B
depletion region
•体偏臵对阈值的影响
–γ称为体效应(衬偏效应)系数，它表明VSB改变所产生的影响
VGS VDS
S
G
D
n+
- V(x) +
ID
n+
x
B
2 2 VDS VDS W ID k VGS VT VDS kn VGS VT VDS L 2 2 ' n
•
器件. 16
它的一个主要特点是它在源区和漏区之间表现为一条连续的导电沟道
VGS = 2.5V
VGS = 2.0V 3 Linear Saturation VGS = 1.5V VGS = 1.0V 0 0.5 1 1.5 VDS (V) 2 2.5
2
1 0 cut-off
NMOS晶体管, 0.25um, Ld = 10 m, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
电阻Rs用来模拟结两边中性区的串联电阻
二极管的动态特性由非线性电容CD来模拟
CD
1 VD
C j0
0
m
T I S VD e T
RS + VD -
T
ID
CD
器件. 8
2013年10月2日10时29分
SPICE 参数
器件. 9
2013年10月2日10时29分
3.3 MOS晶体管
2013年10月2日10时29分
10
ID (A)
-6
Quadratic
10
-8
•
Exponential VT
0.5 1
VGS (V)
10
-10
•
1.5 2 2.5
10
-12
0
器件. 26
小结：手工分析模型
I D 0 若VGT 0
2 Vmin VGT Vmin－ 1 VDS 若VGT 0 ＋ 2 其中Vmin＝min VGT ,VDS ,VDSAT ,
速度饱和效应使得短沟道器件在VDS较小时达到饱和，从而导致高电 压时的电流驱动能力有明显的下降
6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5
10-4
VGS (V)
(VDS = 2.5V, W/L = 1.5)
器件. 24 2013年10月2日10时29分
漏极电流与电压的关系图(短沟PMOS晶体管)
2013年10月2日10时29分
沟道长度调制
• 增加VDS将使漏结的耗尽区加大，从而缩短了λ是沟道长度调制系数，与沟长成反比
•
对于短沟道晶体管，沟道的调制效应更显著
– 建议：需要高阻抗的电流源时，采用长沟道晶体管
器件. 18
2013年10月2日10时29分
B A
B
Al p n
A
SiO2
A p n B
Al
图3.1 突变pn结二极管及其电路符号
器件. 3 2013年10月2日10时29分
静态特性：理想二极管
• 在一个正确工作的MOS数字IC中，所有的二极管都是反相偏臵的， 并且它们应当在所有情况下都保持在这一状态
I D I S eVD
器件. 4
T
VT VT 0
器件. 14
2F VSB
2F
2013年10月2日10时29分
0.9 0.85 0.8
VT(V)
0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0
VBS(V)
例题3.5 PMOS晶体管的阈值电压
2013年10月2日10时29分
实际的二极管——二次效应
0.1
ID (A)
0
–0.1 –25.0
–15.0 VD (V)
–5.0
0
5.0
雪崩击穿
器件. 7
2013年10月2日10时29分
二极管SPICE模型
• 二极管的稳态特性用一个非线性的电流源ID来模拟
I D I S eVD
•
•
nT
1
器件. 25 2013年10月2日10时29分
亚阈值情形
•
10
-2
当电压低于阈值电压时，MOS晶体管已部分导通。这一现象称为亚 阈值或者弱反型导通
Linear
10
-4
• •
从“导通”到“截止” 情形的过渡是缓变的 当不存在导电沟道时， n+(源)-p(体)-n+(漏)三端 实际上形成了一个寄生 的双极型晶体管 工作温度上升时电流的 滚降(S)将进一步减少 S = n (kT/q) ln (10) 由于动态电路依靠电荷 在电容上的存储，因此 它的工作可以因亚阈值 漏电而受到严重的影响
数字集成电路设计
2011
第3章 器件
许晓琳 (xu.xiaolin@) 合肥工业大学电子科学与应用物理学院
本章重点
1. 2. 定性地了解MOS器件 用于手工分析的简单器件模型
3.
用于SPICE模拟的细节器件模型
器件. 2
2013年10月2日10时29分
3.2 二极管
• 数字集成电路中最常见的寄生元件 – 反偏的寄生电容，影响速度 – 反偏的漏电流，增加功耗 – 也用于PAD的ESD保护
对于短沟器件 • 线性区: – 当VDS VGS – VT时
W I D VDS nC ox L
2 VDS VGS VT VDS 2
– 其中，(V) = 1/(1 + (V/cL)) 考虑了速度饱和的程度
• 饱和区:
– 当VDS = VDSAT VGS – VT时
器件. 22 2013年10月2日10时29分
漏极电流与电压的关系图(短沟NMOS晶体管)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 Linear Saturation VGS = 2.0V
10-4
Early Velocity Saturation
VGS = 2.5V
VGS = 1.5V
VGS = 1.0V
饱和电流IDSAT显示了与栅源电压VGS间的线性关系，这不同于长沟 器件中的平方关系。因此在一定的控制电压下，它减少了晶体管能 够提供的电流值 ID 长沟器件
短沟器件
VDS
器件. 21 2013年10月2日10时29分
漏极电流与电压的关系图(长沟NMOS晶体管)
6
10-4