半导体基础知识mos管的结构和工作原理

uGS
d
d
s
gd
符号：
B g
s
N沟道
B g
s
P沟道
++ ++ ++ ++ ++
N
N
P 反型层
B
uGS<0的某个值UGS(off) （夹断电压）时，反型层消失，沟道夹断。 故在uGS>UGS(off)时，在ds间加正压，有电流iD产生。
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。
O
uDS
旋转180度
O uDS
N沟道，uDS>0，iD>0
P沟道，uDS<0，iD<0
30
25
特性曲线 iD
iD
可变
电阻区 恒流区 UGS =0
UGS(off) O
转移特性曲线
uGS O
夹断区
UGS=UGS(off) <0
uDS
输出特性曲线
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•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。
1
1. 本征半导体
纯净的半导体。如：硅和锗
本征半导体的导电机理
1）最外层四个价电子。
2）共价键结构
Ge
Si
+4
+4
+4
+4
+4表示除去价电子后的原子
共价键共用电子对
2
归纳
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。
❖ 本征半导体的导电能力取决于载流子的
浓度。
❖温度越高载流子的浓度越高本征半
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 9
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
s gd
N+
N+
P（衬底）
B
uGS
s
gd
N
N
耗尽层 P
B
21
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。 UGS(th)称为开启电压。
uGS
s
gd
N
N
③uGS>UGS(th)，uDS>0
反型层 P
沟道中的电子在uDS的作用下形成电流iD。
特性曲线：将N沟道对应曲线旋转180度 即得
27
3、P沟道增强型MOS管（PMOS）
当vGS>VGS(th)，管子截止， iD = 0
28
4、P沟道耗尽型MOS管（PMOS）
当vGS> VGS(off)(正值），管子截止， iD = 0； vGS < VGS(off) 时,管子导通
29
iD
iD
转移特性曲线
UGS1
UGS=UGS(th)
夹断区
uDS
输出特性曲线
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。
方程：
iD
I
DO
( uGS U GS ( th
)
1) 2
★
24
2、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管
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。
+4
+5
+4
多余电子
5
2）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
空穴
硼原子
+3
+4
6
归纳
◆
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）。
20℃ 数值后，才有明显的正向电流。
硅：Uon=0.5V；锗：Uon=0.1V
U(BR) IS
பைடு நூலகம்
0 Uon
正向导通电压U范围：
硅：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7
u 锗：0.1~0.3V（计算时取0.2V），U=0.2
E D
使用时应加限流电阻
2.反向特性
反向电流很小，与温度有关；硅：Is<0.1 A，锗：Is＝几十A。
P型半导体
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体
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3. PN结 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
◆
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。
◆ 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。
7
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
扩散运动
10
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
内电场E N型半导体 + +++++ + +++++ + +++++ + +++++
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。
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结呈现高电阻，处于截止状态。
13
1、PN结正向偏置
变薄
+ P
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。
_ N
外电场
I正
内电场
14
2、PN结反向偏置 变厚
_ P
－+ －+ －+ －+
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。
+ N
内电场 外电场
I反
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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。
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归纳
PN结的单向导电性
◆ 正向特性
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；
导体的导电能力越强。
3
2. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质。
杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。
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。
4
N型半导体
磷原子
+4
uGS uDS iD
s
gd
uGS uDS iD
s
gd
N
N
N
N
P
P
B
B
•uGS对iD的影响：uGS↑→沟道宽度↑→iD↑
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（2）特性曲线与电流方程
iD IDO
★
iD 预夹断轨迹uDS=uGS-UGS(th)
IDO 可变
UGS3=2UGS(th)
电阻区 恒流区 UGS2
O
UGS(th) 2UGS(th) uGS O
◆ 反向特性
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；
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5.2 半导体二极管
一、 基本结构
PN结 + 管壳和引线
阳极
P 符号：
D
阴极
N
分类：
点接触型 面接触型 平面型
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二、伏安特性 E
1.正向特性
D 开启电压Uon：正向电压超过某一
i
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。
|U | 击穿电压，击穿导通， 反向电流急剧增加；
U（BR）=几十伏
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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： s gd
N+
N+
P（衬底）
符号：
d
B g
扩散运动 11
PN结
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间电 荷区
N型区
耗尽层
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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结呈现低电阻，处于导通状态。
且uDS↑→iD↑，呈现电阻性。 电阻的大小与uGS有关
B
uGS uDS iD
s
gd
uDS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。
N
N
P
B
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•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）；
•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。
s N沟道
d
B g
s P沟道
B 20
（1）工作原理 通常源极和衬底是连在一起的 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。
②uGS>0，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。