佟大为老婆关悦资料:图解半导体制程概论（3）

 二极管的种类及其用法

    二极管是一种具有1个PN接合的2个端子的器件。具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。

    二极管的基本特性   

利用PN接合的少数载子的注入和扩散现象，只能一个方向（正向）上流通电流。如果在PN接合二极管的N型半导体加上负压、在P型半导体加上正电压，就可使电流流通。我们将该电流的流动方向叫做正向。如果外加正、负压与上述反方向的电压，则几乎不会流通电流。我们将该方向叫做反向。如果提高PN接合二极管的反向电压，则电流在某个电压值会急剧增加。我们将该电流叫做击穿电流。此时的电压值对电流而言基本上为定值。

    二极管的特性曲线和图形记号、结构   

下图表示二极管的特性曲线和图形记号、结构图。

二极管的特性曲线

二极管的图形记号、结构

     二极管的种类和应用

    1）一般整流二极管

    二极管在一般的应用上，有利用电流只在一个方向上流通的功能的交流电压主的整流电路。

    2)齐纳二极管（Zener Diode）

    利用PN接合二极管的反向击穿电压的即为齐纳二极管（恒定电压二极管）。由于该电压对于电流来说基本上为定值，因此用于恒定电压调节器的基准电压源或浪涌电压（异常电压）吸收等用途。

    3）其它二极管   

 ．进一步提高一般二极管的开关特性的高速恢复二极管（FRD）；

． 接合金属和半导体来替代PN接合的肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode）；

． 变容二极管、混合二极管、夹在真性半导体的I层中的PIN二极管等高频用二极管。

    二极管的封装

    1）单体   

在一个封装中装一个器件的类型，使用最多。

    2）中心抽头   

用于一个封装内组装两个器件，且使用带有中心抽头的双绕线变压器的全波整流电路等。

    3）串联   

指两个二极管在内部串联，用于半波倍电压整流电路等。

    4）桥式连接   

如图所示，指装有四个二极管，用于将交流作全波整流时。

整流二极管的各种连接

二极管的各种封装

大电流整二极管的外观

      高速开关二极管

    可以改善二极管的反向恢复特性，实现高速开关的二极管。用于在较高开关频率下动作的反相器、开关整流器的还流二极管、整流二极管。同时正向损失也可降低。

    特  征   

 PN接合二极管由于利用了少数载子，因此导电调制效果虽然可以降低正向电压，但少数载子所带有的反向恢复特性会阻碍高速切换。FRD和HED虽然都是PN接合二极管的一咱，但是将白金等重金属加入Si单结晶中，增加电子和空穴的再结合中心，能迅速消灭关断后的少数载子。同时，肖特基势垒二极管主要是由多数载子在运动，因此不会出现反向恢复特性。因此，运行也更快速。

    反向恢复特性   

 PN接合二极管在正向电流的状态下突然施加反向电压的话，应付以在瞬间有较大的反向电流流通。这是因为从PN接合注入的少数载子反向移动，而该电流将流通直到少数载子流出或消灭为止。高速开关二极管用于缩短反向电流变为零为止的时间（反向恢复时间：trr）、改善反向电流波形的平滑性。

外加反向恢复电压时的少数载子的动作

反向恢复电流波形

    种 类

    1）高速恢复二极管（FRD：Fast Recovery Diode）   

高速恢复二极管在结构上和一般整流二极管基本相同，但它是一种有白金、金等掺杂物质扩散在Si结晶中，增加了电子和空穴的再结合中心，关闭后少数载子会立刻被消灭的二极管。因此可以提高二极管的反向恢复特性（反向恢复时间：trr），实现高速动作。

    2）高效二极管（HED：High Efficiency Diode）   

 高效二极管比上述FRD速度更快，损失更低（正向电压较低），因此它使用外延晶圆，在利用导电调制效果（参考PIN二极管）来降低正向电阻的同时，通过追加重金属扩散，能在不损坏正向特性的情况下，提高反向恢复特性。HED用于比FRD更为高速的开关电路。

    3）肖特基势垒二极管（SBD：Schottky Barrier Diode）   

真空能量等级和传导带等级的能量的差（称为电子亲和力）是利用金属和半导体的不同，根据和PN接合不同的原理，通过改变外加电压的方向来控制电流开合的。它和利用少数载子扩散电流的PN接合不同，主要是利用多数载子的漂移电流，因此可以实现高速开关。肖特基势垒二极管和PN接合二极管相比反向电流较大，因此在高压下使用时容易发生热故障，使用时要非常小心。

肖特基势叠二极管的通电状态和记号

肖特基势叠二极管的阻止状态

封装

    稳压二极管（齐纳二极管）

    这是利用了PN接合的反向特性的二极管。用于基准电压源和浪涌电压的吸收。

    结构、动作  

  如果将PN接合二极管的反向电压逐渐提升的话，PN接合部的电场会升高，某个电压点会产生较大的电流。齐纳二极管（也叫稳压二极管）正是积极利用了这种电压电流特性。这种电流开始急剧流动的现象就是由齐纳击穿，或者雪崩击穿引起的。齐纳击穿是由隧道效应引起的，由于强大的电场将束缚电子拉离了接合，成为自由电子，并形成了电流，因此该电压会保持负的温度系数。而所谓雪崩击穿，是空乏层的电场中被加速的电子、或者空穴的高能量赋予了束缚电子以能量，而成为自由电子的现象，这种新的电子也被加速，并让其他束缚电子成为自由电子的现象重复的结果，就是形成了较大的电流，该电压会保持正的温度系数。大约6V以下主要是齐纳击穿，而6V以上则主要是由雪崩击穿引起的。因此，大约在5V时温度系数为零。

齐纳（稳压）二极管的图形记号、结构

齐纳（稳压）二极管的特性

    用   途   

齐纳二极管用于串联稳压器的在准电压源或汽车的电源线、电话线的浪涌电压（异常高压脉冲电压）的吸收，或者连接在计算机等的连接器上，来保护连接连接器时产生的ESD（静电压破坏）等。

    高频二极管

    高频波用的二极管也分成如下各种类型   

1）变容二极管；

2）PIN二极管；

3）穿透二极管；

4）雪崩二极管；

5）甘恩二极管；

6）阶跃恢复二极管。

    （1）变容二极管   

给二极管外加反向电压时产生的空乏区域，其电荷以空间性分离，因此其发挥如同电容器的作用。当外加在二极管上的电压（反向）增加的话，则空乏层的宽度随之扩大，正如电容器的2片电极之间的间隔变宽那样，因此二极管的容量不断变小。利用这种特性，用于调谐器等同步电路、调谐电路等。

变容二极管的图形记号、结构图

   （2 ）PIN二极管   

 PN接合之间夹着本征半导体（I型），外加正向电压的话，P型半导体和N型半导体会向本征半导体注入很多空穴、以及相同密度度的电子，从而降低比电阻。这种现象叫“导电调制效果”。PIN二极管正向流通直流电流的话，在导电调制效果下会显示出较低的电阻值，但外加反向直流电压的话，I层的空乏层会扩大，结果会显示出非常小的电容值。利用这种特性，可作为高频带的开关与共振电路的频段开关和减衰器。

PIN二极管的正向

PIN二极管的反向

（3）穿透（江崎）二极管    

在添加高浓度杂质的P型、N型区域外加低电压时所形成的狭小空乏层，载子以穿透现象流通。该现象在正向电流流通前的低电压时产生，因此一部分显示负的斜率特性，而该二极管即使用这种特性。

穿透二极管的特性曲线

    （4）雪崩二极管   

将反向电压加在PN接合面，如果超出雪崩电压，则会发生载子的累增雪崩现象。如果将共振器的频率调谐在载子的累增雪崩所穿透的I区域的长度所规定的到达时间上，那么3-300GHZ之间可以产生大输出的振荡器或放大器。

雪崩二极管的模式图  

（5）甘恩（Gunn）二极管   

以N型砷化镓（GaAs）的结晶构成。虽然由于电压可使电子的速度增加，但在某个临界值，电子的运动能量会被结晶格子所吸收，而使速度降低。而且外加大于临界值的电压时，在负电极附近会发生高电场区域，并在结晶中移动。由于这种高电场区域的产生、移动、消灭都是以周期性进行，因此用于5-50GHZ的微波振荡器等。

甘恩（Gunn）二极管的模式图

    （6）阶跃恢复二极管   

 将PN接合上的电压从正向切换到反向的话，电荷会聚积起来并被释放出去，但这个过程含有很多的高次谐波，因此很容易得到高输出微波。

阶跃恢复二极管的模式图

    晶体管的种类和使用方法

    具有信号放大功能的3个端子的半导体器件。作为电流载体，有利用电子及空穴两个载子的双极晶体管，以及只利用电子或空穴任何一种的场效应管（FET）。

    晶体管的分类   

双极晶体管中根据半导体的组合方式分为NPN型和PNP型。另一方面，场效应管因结构而分为接合型场效应管（结构FET）和MOS型场效应管（MOSFET）。还可再分为N通道、P通道，N通道中电流的主体为电子，P通道中为空穴。双极晶体管用于模拟IC、高频器人年、或者音频输出、串联调节器等模拟用途。另一方面，MOSFET的ON-OFF切换动作迅速，由于结构简单，且可由开关耗电量小的CMOS栅组合而成，而且通过微细加工技术可以提高性能，从而成为数字LSI器件上的必须构件。功率MOSFET是一种适用于改变ON-OFF循环时间而控制功率的开关领域的器件。

晶体管的分类

各种晶体管封装

双极晶体管

具有2个PN接合，利用电子以及空穴两个载子作用放大或开在动作的晶体管。

结构、运作

NPN晶体管中，为了消除基极、发射极接合面的电位势垒而外加正向电压的话，电子将从发射极的范围注入基极范国。削薄基极层的厚度后，几乎所有的电子都会作为扩散电流到达基极、集电极接合面，而成为集电极电流。同时空穴也从基极注入发射极，成为基极电流，但将发射极的杂质浓度提高到基极杂质100倍的话就可以降低电流的比例，依靠微小的基极电流可以控制较大的集电极电流。

NPN晶体管中电子虽为电流的主体，但PNP晶体管中空穴为主体，因此电流的流动方向相反。

应用及用途

高频特性良好，特性由物理量决定，因此偏差少，适合于无线设备的高频电路等模拟电路。而且电流驱动能力较大，因此作为电源、音频输出、电视机的水平偏向用等功率器件被广泛使用。

双极晶体管的结构

晶体管的图形符号

NPN晶体管的动作原理

场效应管（FET）

场效应管和双极晶体管不同，仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。按照结构、原理可以分为：

．接合型场效应管

．MOS型场效应管

★接合型场效应管（结型FET）

原  理

N通道接合型场效应管如图所示，以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。

N型结晶区域的两端加上直流电压时，电子从源极流向漏极。电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。

加强负的栅极电压时，PN接合部分的空乏区域扩展到通道中，而缩小通道宽度。因此，以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。

用 途

即使栅极电压为零，也有电流流通，因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。

结型FET的图形记号

结型FET的动作原理（N通道）

★MOS型场效应管

原  理   

即使是夹住氧化膜（O）的金属（M）与半导体（S）的结构（MOS结构），如果在（M）与半导体（S）之间外加电压的话，也可以产生空乏层。再加上较高的电压时，氧华膜下能积蓄电子或空穴，形成反转层。将其作为开关利用的即为MOSFET。

在动作原理图上，如果栅极电压为零，则PN接合面将断开电流，使得电流在源极、漏极之间不流通。如果在栅极旧外加正电压的话，则P型半导体的空穴将从栅极下的氧化膜-P型半导体的表面被驱逐，而形成空乏层。而且，如果再提高栅极电压的话，电子将被吸引表表面，而形成较薄的N型反转层，由此源杖（N型）和漏极（N型）之间连接，使得电流流通。

用  途

因其结构简单、速度快，且栅极驱动简单、具有耐破坏力强等特征，而且使用微细加工技术的话，即可直接提高性能，因此被广泛使用于由LSI的基础器件等高频器件到功率器件（电力控制器件）等的领域中。

MOS FET的图形记号

MOS FET的动作原理（N通道）

高频晶体管

具有高速电子移动率、低噪音特性、高fr（断开频率）等优良的特性。以使用化合物半导本为主。GaAaMESFET、HEMT、HBT等为代表一晶体管，用于移动通讯、卫星通讯等领域。

★FET系列高频晶体管

GaAs MESFET

GaAs MESFET：是利用了半导一材料中比Si移动性好的GaAs （Ⅲ-V族的化合物半导体）的接合型FET。具有高频、高增益、低噪音的特征。

基本结构

和Si不同, GaAs无法得到优质的栅极氧化膜,因此无法形成MOSFET.是一种使用金属-半导体接合面(肖特基接合面)作为栅极结构的接合型FET。在半绝缘性的基板的表面侧注入离子，或通过外延成长所作的N型GaAs通道层，上面有附加肖特基接合面的栅极电极和欧姆接点的源极、漏极电极。

动作原理

动作原理是将在金属-半导体接合面延伸到通道层内的空乏层，通过栅极电压加以控制，从而控制源极、漏极电流的结构。

高频晶体管

GaAs MESFET的结构

HEMT（高电子移动度晶体管；简称HEMT）

所谓HEMT，是指将AIGaAs/GaAs层混合接合部界面所产生的电子积蓄层作为通道的晶体管。因为可以直接通过栅极电极控制通道，因此除了低噪音、高增益以外，还具有特别优良的GHz带的高频波的特征。

基本结构

将在Ⅲ-V族化合物半导体混合接合面部分合面）所产生的高移动率的电子层（或空穴层）作为通道的肖特基栅极型FET。将栅极电极设置在AIGaAs层上，使其厚度变薄，在外加栅极电压时，使AIGaAs层完全空乏。

动作原理

由混入AIGaAs层的施体不纯物提供的电子横切混合接合面后，向能量较低的GaAs侧移动，移动后的电子被AIGaAs侧施体离子的库仑力吸引到混合接合界面，形成极薄的通道层。通过栅极电压控制该2次元电子气体的浓，控制源极、漏极之间的电流。这样，电子和不纯物离子被分离，GaAs中的电子可以不受到不纯物散乱的影响，高速移动。

GaAs系列HMET的结构

★双极系列高频晶体管

HBT（混合接合双极晶体管）及其动作原理

HBT是用于高频开发出的双极晶体管的一种。和一般的双极晶体管（单接合双极晶体管）中，发射极、基极采用相同的半导体材料制成的相反，HBT的基极、发射极使用不同的半导体材料。一般的双极晶体管为了提高高频特性，将基极的不纯物浓度提高，将在极层弄薄，但由于电流放大率会下降，因此有一定的界限。制成HBT结构，就能利用构成发射极和基极的半导体材料的能量差的不同，在不降低电流放大率的的情况下，提高不纯物浓度，进一步提高高频特性。

SiGe基本结构

其结构就是将通常的Si的NPN晶体管的基极通过外延成长转换为SiGe混晶基极。可以使用和一般硅双极相同的制程、设备制成，因此可以制造具有优良高频特性、价格便宜的半导体器件。适用于混合双极晶体管和CMOS的高频BiCMOSLSI用。

高频器件的用途

高频器件用于手机、个人机器GPS天线、卫星广播接收机等。

大功率晶体管（功率MOSFET）的种类和使用方法

大功率MOSFET绝大部分被用于开关。因此ON电压（ON电阻）的降低和调制的高速化很重要。大功MOSFET是具有高速性和高破坏耐量的理想型功率控制哭件。

★功率MOSFET结构及种类

一般MOSFET，其电流方向与芯片表面的方向平行，相反功率MOSFET是在芯片的垂直方向流经电流。这种结构中，ON电阻下降，可以流经大电流。

功率MOSFET的栅极结构中有栅极在芯片的表面方向形成的平面型栅极以及在垂直方向上形成的沟槽型栅极2种。一般情况下，沟槽型栅极结构的ON电阻可以进一步减小，但一旦变为高耐的话，在价格×性能面反而平面型栅极结构更利。

用 途

功率MOSFET因为特性比较稳定，使用方便，因此广泛使用。在DC-DC转换器等开关电源、照明设备的反相电路、马达的反相电路及速度控制等多方面得到广泛的使用。

MOSFET的结构的种类

各种功率MOSFET

★超接MOSFET

结构及动作

一般MOSFET的缺点，是提高耐压的话ON电阻就会急增加。超接MOSFET就是为了改善这个缺点而发明出来的一种器件。纵向延伸的薄板状N层和P层相邻配置，令N层和P层的杂质浓度一致。在ON状态下电子流过比电阻较低的N层，可以获得较低的ON电阻。此外，在OFF状态下使N层-P层空乏化，就能得到和本征半导体相同的平坦的电场分布，从而实现高耐压。

可以在保持MOSFET的高速开关特性的同时，获得高耐压、低ON电阻的特性。

用 途

可用于高耐开关电源、PFC（功率改善）等领域。

超级MOSFET的结构

I G B T

IBGT是高耐压MOSFET的一种。它利用导电调制效果（参照PIN二极管）改善了一般MOSFET的缺点----伴随着高耐压化而产生的ON电阻的增加。

结构及动作

要实现MOSFET的高压化。需要杂质浓度比较低，且层厚比较厚的漏极N-区域。因此，MOSFET在ON状态下的ON电阻会增大。IGBT就是在相当于MOSFET漏极的部位增加了正向的PN接合，从P型半导体向N型半导体注入空穴。这样一来，就能在该区域形成电子、空穴密度非常高的状态，实现较低的ON电阻。

用  途

IGBT被广泛应用于变频空调、IH烹调设备等白色家电产品及工业设备、泵、稳压电源、风力发电等工业用途，以及混合动力汽车、燃料电池车、还有铁路车辆的马达控制等领域。

IGBT的图形记号、结构

和一般的晶体管外观相同的IGBT

大型IGBT的外观

晶闸管（SCR）和三端双向控硅开关（TRIAC）

晶闸管（硅控制整流器件）具有NPNP的4层结构，可以通过栅极信号控制正向电流通电时间的开关用半导体器件。三端双向可控硅开关具有NPNPN的5层结构，是一种可以控制交流电压的元件。

★晶闸管

结构及动作

晶闸管具有NPNP的4层结构。从等价电路的角度来说，相当于NPN晶体管和PNP晶体管各自的基极作为内部结构连接到了对方的集电极上。因此，NPN的基极上一旦从外部流入电流后，相应产生的NPN的集电极电流就成为PNP的基极电流，该基极电流所对应PNP的集电极电流就成为NPN的基极电流，这样的循不不断重复完全成为ON状态（栅闩状态）。

晶闸管可以通过栅极关闭电流，但无法像晶体管一样自已切断电流。要进入OFF状态，需要将电流降低到一定电流（维持电流）以下，或者进入一定时间反阻止状态。

动作可分成3个状态。

．反阻止状态：对于阴术来说，阳极上外加负电压的情况下，电流和栅极状态无关，不能流通

．OFF状态：对于阴极来说，即使阳极变正时，栅极电流对于阴极成负乃至零的情况下，电流也不能流通。

．ON状态：对于阴极来说，当阳极为正时，如果在栅极上加正电压，就会产生电流。

用  途

适合于交流电压的开关及相位控制电路、电容器电压的放电电路、继电器及螺线管的开关。

以下是一些实际的应用举例：电源线的开关及灯的调光控制、加热器的功率控制、气体点火电路 点燃客点火电

路、漏电断路机、频闪闪光电路等。

晶闸管的图形记号、结构

晶闸管的特性曲线

晶闸管

★三端双向可控硅

结构及动作

三端双向可控硅的结构是将2个晶闸管相互反向并联。和晶闸管不同，可控制正反任一方向的电流。电流可双向流动是因为总有一个晶闸管是正向ON状态的。

三端双向可控硅最大特征是可以双向控制AC电流。而且正负任何一栅极输入也可以打开三端双向可控硅。

实际上在第4象限上的控制常常得不到保障，因此使用时通常用第1限限和第3象限的组合，或者第2象限和第3象限的组合。和晶闸管一样，要进入OFF状态，需要将电流降低到一定电流（维持电流）以下。利用具有三端双向可控硅输出的光耦的话，就能很方便地利用第1象限加第3象限的组合。

用 途

使用商用电源的机器，特别在洗衣机及吸尘器等家电设备及复印机等OA设备、AC马达的旋转控制及加热器功率控制、灯的调光控制、继电器及螺线管的开关电路等方面被广泛使用。

三端双向可控硅的图形记号、结构

三端双向可控硅的特性曲线

三端双向可控硅的驱动法

高电压、大电流晶闸管

作为数千V、数百A的电力控制用器件，分成GTO（门极关断晶闸管）和LTT（光触发晶闸管）

★门极关断晶闸管（GTO）

GTO结构和表一般的晶闸管类似，和一般的晶闸管一样在栅极和阴极之间外加正向电压的话，就会进入ON状态。此外，在栅极上外加反向电压主，让阳极电流被栅极侧吸收的话，就能进入OFF状态的自已消弧型晶闸管。

用 途

．铁路电车驱动装置

．工业用马达驱动装置

GTO的结构、图形记号

★光触发晶闸管（LTT）

一般的晶闸管在栅极上外加电气信号后进入ON状态，而如果是LTT的话，则在栅极上照射光仟送过来的光信号，进入ON状态。可以从电力上将主电力系统和驱系统分离开来，因此能令装置的结构更加间单。

用 途

．直流输电用电力变换装置

．周围端数变换装置、无效电力补偿装置

半导体传感器和种类和使用方法

利用光、温度、磁性、压力、加速度等外部环境的变化引起半导体内部的载子、空乏层、接合部分电容等的变化，作为电压及电容变化取出的即为半导体传感器。

半导体传感器的种类

下图所示代表性半导体传感器的种类、传感的对象以及用途。

比如，光电传传感器有光电二极管。这是将进入接合部分的光量变换为电荷的传感器，可以将排列多个光电二极管的电荷通过时钟脉冲像“水桶传接”般取出的即为CCD图像传感器。

磁性传感器的动作原理

这里就属于磁性传感器的霍尔器件（Hall element）作说明

霍尔器件的动作原理

如果在半导体芯片中流通控制电流（IH），在电流垂直的方向上外加磁场（磁束密度B）的话，电流和磁场呈垂直的方向上将产生电压。这种现象叫做霍尔效应，产生的电压叫做霍尔电压（VH）。利用这种霍尔效应，检测出磁场的传感器即为霍尔器件，材料主要适用Si、 GaAs。

内置放大输出电压的电路等的器件叫做霍尔IC。

霍尔电压VH用

VH=KH．IH．B来表示。

KH：积感应系数（常数）

用 途

用于马达旋转测、乘法电力计等。

霍尔器件的外观

霍尔器件的动作原理