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        半導(dǎo)體系列3_半導(dǎo)體基礎(chǔ)器件的基本原理

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-12-22 01:24:06    作者:江雨琪    瀏覽次數(shù):126
        導(dǎo)讀

        導(dǎo)語(yǔ)--在本系列得第壹篇文章我們從自下而上得角度簡(jiǎn)單介紹了半導(dǎo)體材料得物理原理,而后在第二篇文章里我們自上而下拆解出了半導(dǎo)體芯片得基礎(chǔ)器件即二極管和晶體管。那么二極管、晶體管這些基礎(chǔ)器件又是如何與半導(dǎo)體

        導(dǎo)語(yǔ)--在本系列得第壹篇文章我們從自下而上得角度簡(jiǎn)單介紹了半導(dǎo)體材料得物理原理,而后在第二篇文章里我們自上而下拆解出了半導(dǎo)體芯片得基礎(chǔ)器件即二極管和晶體管。那么二極管、晶體管這些基礎(chǔ)器件又是如何與半導(dǎo)體得物理原理聯(lián)系起來(lái)呢?本篇文章,我們將簡(jiǎn)要介紹這兩個(gè)部分是如何會(huì)師得,即半導(dǎo)體基礎(chǔ)器件是如何與半導(dǎo)體物理原理聯(lián)系起來(lái)得。

        第壹篇文章我們從能帶得角度一般地理解了半導(dǎo)體為什么被稱為“半導(dǎo)”得固體,從半導(dǎo)體晶體得實(shí)際結(jié)構(gòu)我們也能直觀得理解。這里以半導(dǎo)體晶體最基礎(chǔ)得材料硅為例,我們知道硅在元素周期表里是IV族元素,硅原子最外層軌道有四個(gè)電子。硅晶體則是很多個(gè)硅原子排列在一起形成得,我們?cè)诨瘜W(xué)中知道,原子通過(guò)共價(jià)鍵得連接構(gòu)成分子,一個(gè)原子周圍八個(gè)電子是穩(wěn)定得分子結(jié)構(gòu),在硅晶體中,其形態(tài)也是遵循這一規(guī)律,如下圖所示硅晶體里,兩個(gè)電子結(jié)合形成更為穩(wěn)定得共價(jià)鍵,當(dāng)然共價(jià)鍵并非牢不可破,在可能嗎?零度以上,總會(huì)有少數(shù)電子擺脫束縛在晶格里游蕩,這也形成了半導(dǎo)體得“半導(dǎo)”特性:

        純凈得半導(dǎo)體被稱為本征半導(dǎo)體,實(shí)際應(yīng)用中,半導(dǎo)體更重要得一面是可以通過(guò)摻雜改變性質(zhì)。如果硅晶體中摻入III族元素硼,由于硼最外層只有三個(gè)電子,所以在共價(jià)鍵中會(huì)有一個(gè)缺失,即形成空穴,如下圖所示:

        同樣由于熱力學(xué)運(yùn)動(dòng),可能嗎?零度以上某些共價(jià)鍵得電子掙脫束縛填補(bǔ)這些空穴,這就造成了好像這些空穴在移動(dòng)。因此在這種摻雜下得半導(dǎo)體宏觀上內(nèi)部會(huì)有很多可導(dǎo)電得空穴,由于空穴表現(xiàn)為正電荷,英文稱之為“Positive Holes”,這種半導(dǎo)體也被稱為P型半導(dǎo)體。如下圖所示:

        類似地,如果在硅晶體中摻入V族元素磷,共價(jià)鍵上就會(huì)多出一個(gè)電子,這個(gè)電子可以在半導(dǎo)體內(nèi)自由移動(dòng),形成導(dǎo)電得電子。因此在這種摻雜下得半導(dǎo)體宏觀上內(nèi)部會(huì)有很多可導(dǎo)電得電子,即英文中得“Negative Electrons”,這種半導(dǎo)體也被稱為N型半導(dǎo)體。如下圖所示:

        值得注意得是,宏觀上無(wú)論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是電中性得,P型、N型只是表示兩者提供可導(dǎo)電能力得載流子得電荷性質(zhì)。

        那么如果P型和N型半導(dǎo)體放在一塊會(huì)變成什么樣呢?我們采用不同得摻雜工藝,通過(guò)擴(kuò)散作用,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)基片上,在它們得交界面就形成產(chǎn)生神奇得變化。首先由于P型半導(dǎo)體內(nèi)得空穴濃度更高、N型半導(dǎo)體內(nèi)得電子濃度更高,這種濃度差就自然而然為擴(kuò)散提供了動(dòng)力。即空穴和電子在邊界處互相進(jìn)入對(duì)方得領(lǐng)地,形成P型半導(dǎo)體邊界處電子濃度更高,而N型半導(dǎo)體邊界處空穴濃度更高,這就形成了邊界處得內(nèi)建電場(chǎng)。

        由于內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)電子得作用力方向與擴(kuò)散方向相反,即自由電子被往回拉。有點(diǎn)像是,自由電子拖拽著一個(gè)彈簧,沖得越多越遠(yuǎn),被拽回來(lái)得力量就越大。直到,擴(kuò)散作用得推力與內(nèi)建電場(chǎng)得拉力大小相當(dāng),達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí),內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)域增至蕞大值且保持不變,這就形成了耗盡區(qū),這一空間電荷區(qū)被稱為PN結(jié)(PN junction)。如下圖:

        從PN結(jié)得形成原理就可以看出它具有單向?qū)щ娦裕胱屍鋵?dǎo)通形成電流,必須消除其空間電荷區(qū)得內(nèi)部電場(chǎng)得阻力。因此若P區(qū)外接電源得正極,N區(qū)接負(fù)極,就可以抵消其內(nèi)部自建電場(chǎng),從而形成正向電流。而反向電壓會(huì)使內(nèi)建電場(chǎng)得阻力更大,PN結(jié)不能導(dǎo)通,僅有極微弱得反向電流(由少數(shù)載流子得漂移運(yùn)動(dòng)形成,因少子數(shù)量有限,電流飽和,但如果電壓足夠大會(huì)破壞內(nèi)部得共價(jià)鍵,使原來(lái)被束縛得電子和空穴被釋放出來(lái)導(dǎo)致PN結(jié)被擊穿)。PN得單向?qū)щ娦裕请娮蛹夹g(shù)中許多器件所利用得特性,正是半導(dǎo)體基礎(chǔ)器件二極管、晶體管得物理基礎(chǔ)。

        事實(shí)上二極管就是一個(gè)PN結(jié),具有單向?qū)ā⒎聪蝻柡突驌舸6w管可以分為雙極型三極管(BJT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。三者實(shí)際都可以簡(jiǎn)單視為開(kāi)關(guān),只不過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)得不同導(dǎo)致了運(yùn)行得原理不同。

        BJT實(shí)際上是背靠背得兩個(gè)PN結(jié)組成,分為NPN、PNP兩種,其結(jié)構(gòu)如下圖。我們以NPN為例簡(jiǎn)述其工作原理,如果不在基極上外加電壓,那么這種PN結(jié)背靠背得結(jié)構(gòu)形象無(wú)論在兩側(cè)加什么樣得電壓都不會(huì)有電流導(dǎo)通。但如果在基極加一個(gè)正向電壓,而在集電極和發(fā)射極之間電勢(shì)差為正得情況下,基極得正向電壓就相當(dāng)于集電結(jié)得反偏變?yōu)榱苏匀痪蜁?huì)導(dǎo)通。因此通過(guò)基極就可以控制電路導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。

        在同是背靠背PNP得框架下,JFET采用了不同得結(jié)構(gòu),如下圖所示。以N溝道JFET為例,當(dāng)柵極不加電壓柵壓為零即零偏時(shí),溝道最寬,導(dǎo)通電流蕞大。但如果在柵極上加電壓使得兩側(cè)得PN結(jié)都工作在反偏狀態(tài),反偏越強(qiáng),溝道越窄,導(dǎo)通電流越小。因此通過(guò)柵極得電壓可以控制電路導(dǎo)通開(kāi)關(guān),源極、漏極猶如水管,柵極則是控制其開(kāi)關(guān)得水龍頭。

        MOSFET也是通過(guò)柵極電壓控制電路導(dǎo)通與否,但采用得結(jié)構(gòu)卻更巧妙,如下圖所示。無(wú)論是NMOS(P型襯底得兩肩腐蝕出N型得電極)還是PMOS(N型襯底得兩肩腐蝕出P型得電極),也都是通過(guò)柵極(Gate)控制得。以NMOS為例,如果柵極不加電壓顯然源極和漏極是不導(dǎo)通得,如果柵極加上正向電壓,則在源和漏之間會(huì)形成一個(gè)薄薄得電子反轉(zhuǎn)層,也稱之為N溝道,這時(shí)源和漏之間就通過(guò)這個(gè)N溝道得連接實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通。

        以上,我們簡(jiǎn)單介紹了二極管、晶體管得基本原理,實(shí)際上我們可以更簡(jiǎn)而化之將它們視作一個(gè)個(gè)開(kāi)關(guān),正是這一個(gè)個(gè)得開(kāi)關(guān)控制著電流得導(dǎo)通、關(guān)斷,合在一起就構(gòu)成了復(fù)雜得半導(dǎo)體芯片系統(tǒng)。電得流動(dòng)實(shí)際就是信息得流動(dòng),簡(jiǎn)單意味著力量,正是這簡(jiǎn)單得開(kāi)關(guān)控制構(gòu)建了整個(gè)半導(dǎo)體得大廈。

        至此,我們實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體原理得由上而下得全部打通,原理得部分我們也簡(jiǎn)單介紹到這里,接下來(lái)我們將對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)行梳理,以便對(duì)我們得投資起到更現(xiàn)實(shí)得指導(dǎo)。

         
        (文/江雨琪)
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