模拟集成电路学习笔记

半导体基础

PN结的原理

N型半导体是本征半导体中掺杂了磷等五价元素的半导体，磷原子有5个价电子，其中4个很容易和周围的硅原子的价电子形成共价键，剩余的一个价电子虽然还受到磷原子的束缚，但是与共价键比起来还是比较弱，只要给这个价电子较小的能量，它就能够挣脱磷原子的束缚而成为自由电子，磷原子释放出多余的价电子后，因失去电子而成为正离子，这种能释放电子的杂质称为施主杂质，常温下，施主杂质原子已被全部电离，一个杂质原子电离后产生一个自由运动的电子和一个正离子，正离子不能运动。此外，由于热激发，会产生少量的电子空穴对，大量自由电子的存在增加了空穴复合的几率，但是，总体而言，还是自由电子的数目远远大于空穴，因此，在N型半导体中，自由电子称为多数载流子，空穴为少数载流子。

P型半导体是本征半导体中掺杂少量3价元素，如硼等，硼杂质原子有3个价电子，都与周围的硅原子形成共价键，因此，缺少一个电子而产生一个空穴，这样就吸引周围的电子过来，而自身变成负离子，这一过程称为受主杂质电离，常温下，受主杂质全部电离，产生成对的负离子和空穴，热激发也会产生成对的电子空穴，但是，空穴的数目远大于自由电子数目，因此，P型半导体中，多子是空穴，少子是自由电子。

PN结原理：

P型半导体内空穴的浓度较大，N型半导体内自由电子的浓度较大，在它们的交界面处，就出现空穴的浓度差和自由电子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N 区的自由电子向P区扩散，P区由于失去空穴，而破坏了原有的电中性，剩下负离子，N区剩下正离子，这些不能移动的正负离子在PN区交界面处形成一个空间电荷区，空间电荷形成内建电场，内建电场将阻止多子的扩散，使少子漂移，扩散电流与漂移电流相等时，空间电荷处于电中性，没有可以运动的载流子，因此，空间电荷区称为耗尽层，无外加电场或激发作用下，PN结内没有电流通过。PN结正向偏压：

当外加正向偏压时，削弱了内建电场，使P区的空穴和N区的自由电子都朝空间电荷区运动，与空间电荷区的正负离子中和，使空间电荷区内电荷减少，宽度变窄，势垒高度下降就使得P区和N区能够越过势垒的多数载流子数目增加，形成较大的扩散电流，由于热激发产生的少数载流子的漂移运动较弱，产生的漂移电流可以忽略不计，因为，PN结加正向偏压时，产生一个随外加电压增加而增加的扩散电流。

PN结反向偏压：

当外加反向电压时，增强了内建电场，从而使得靠近P区的空穴朝左运动，靠近N区的自由电子朝右运动，这样，空间电荷区就变宽，势垒高度增加，多数载流子的扩散运动就很难进行，扩散电流趋于零，但是，P、N区的少数载流子更容易产生漂移运动，这时，通过PN结的电流就是漂移电流，即反向电流，当管子制成后，漂移电流大小取决于温度。

PN结的击穿特性：

雪崩击穿：当反向电压足够高时，通过空间电荷区的电子和空穴获得极大的动能，又去碰撞别的原子，产生更多的载流子，这种连锁反应造成载流子突然增加的现象称为雪崩击穿。

齐纳击穿：当空间电荷区的电场强度达到105时，能把共价键中的电子拉出来，

形成电子空穴对，使载流子电子增多，产生的击穿现象。

掺杂浓度比较小的PN结中，空间电荷区比较窄，雪崩击穿占主要

掺杂浓度比较大的PN结中，空间电荷区比较宽，齐纳击穿占主要

一般反压小于4V的击穿多为齐纳击穿，反压大于7V的为雪崩击穿

PN结的电容效应：

势垒电容：由于势垒区存在不能移动的正负离子，缺少载流子，导电率很低，相当于介质，而两边P区和N区导电率很高，相当于金属，当外加电压改变时，势垒区储存的电荷也发生改变，这样产生的电容效应称为势垒电容。

反向偏压时，势垒电容较小，而此时，结电阻很大，势垒电容与结电阻是并联的，所以，高频时，影响很大。

正向偏压时，势垒电容较大，此时结电阻小，势垒电容的作用相对较小。

扩散电容：当正向偏压时，P区的空穴注入到N区，将吸引N区带负电的离子到其附近，他们不会立即复合，有一定的寿命，同样，从N区注入到P区的电子也会吸引带正电的离子到其周围，而不立即复合，这样就存在，除势垒区以外的P区和N区，正负电荷混合储存在半导体某一空间的现象，这样产生的电容称为扩散电容。

正向应用时，扩散电流与势垒电容同时存在，扩散电容大些

反向应用时，只存在势垒电容

MOS器件基础

MOS FET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor金属氧化物场效应管

Source region 源极

Drain region 漏极

Gate region 栅极

D、S是对称的，可互换！所有的PN结都必须反偏！（为什么呢？）

源、漏在物理结构上是对称的，靠什么来分开？

提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏。

最重要的工作区域是：受V G控制的沟道区