半导体 PN结 MOS管原理

吴善龙

半导体MOSFET知识  

       2017-3-20

半导体温度较低前提下，随着温度升高-----电阻升高------这是因为晶格原子随温度升高，热震动加剧，导电的电子碰撞增加，影响了电子的定向移动。

半导体在温度较高前提下，半导体本征激发开始，大量的电子获得能量脱离原子束缚，成为自由电子------导电电阻下降-------杂质浓度越高------本征激发的温度越高。

半导体掺杂浓度越高，电阻越大，因为电子做定向移动时，受到带电的杂质电场吸引或排斥，电子被改变运动轨迹，不能很好的定向运动。因为杂质与半导体晶格组合时，会产生很多带电的粒子，好像人在拥挤的人群跑步，会跑的很慢。

本征激发：本征半导体就是纯净的半导体，没有掺杂，是电中性，温度升高后，电子挣脱共价键束缚，成为自由电子，同时多了一个空穴，PN结的压降随温度升高而下降。

PN结电流随温度升高而同比升高，PN结加正向电压，PN结变薄。

PN结内没有带电的粒子，成为耗尽层，但PN结内有电场。

PN结加正向电压------PN结变薄-------相当于电容极板变近-----电容量增大。

温度升高时-----少数载流子增多------而多子对温度不敏感，少子对温度敏感成正比。PN结内电场对少子运动有加速作用，温度升高------少子增多------P区中的少子电子通过PN结到N区1边-------抵消了内电场-------电流增大------结电压降低。

半导体温度升高------电阻降低。

金属温度升高------电阻增大

半导体掺杂：1类，增大载流子密度，2类，促进空穴与电子的复合。

杂质半导体：少子浓度极低，比本征半导体低得多。

多数载流子的运动成为扩散，少子的运动成为漂移。

载流子在PN结内电场的作用下，越过PN结的运动，成为漂移，内电场对少子有吸引力而漂移。多子只能扩散运动。

N区的电子在外加正向电压作用下穿过 PN结，到达P区，成为P区中的少子。P区中的少子：电子会与P区中的多子空穴复合。

半导体中，温度升高----电子运动时碰撞加剧---引起晶格热运动加剧---电阻升高

越过PN结的载流子运动，成为漂移，多子在外加电场作用下才能漂移，少子在内建电场下即可漂移。

掺杂浓度高--------PN结变薄------极板间距小-------电场很强。

PN结正偏------势垒电容小------扩散电容大

二极管的击穿电压主要由轻掺杂处的掺杂浓度决定，要想提高耐压，应当降低杂质浓度，提高电阻率，硅材料应当很厚，以保证在反偏时，能够建立起足够宽的空间电荷区：提高PN结的厚度。

降低二极管的正向压降：使载流子的寿命尽可能的延长，高温工序后，缓慢的降低温度。掺铱  掺金  掺铂，提高载流子寿命。

二次击穿过程极端，微秒量级，如果没有保护，很快烧毁。

PN结轻掺杂可提高耐压。

MOS载流子迁移率会随着温度升高而下降，即温度升高时电阻增大，电流变小。

当MOS管电流增大------功耗升高------温度升高-------载流子迁移率下降------沟道电阻增大-------抑制MOS管电流的升高------所以MOS管有自动的负反馈作用。

并联的MOS管具有自动均流作用。

MOS管不易出现2次击穿。

MOS管内有寄生的NPN晶体管，当MOS管的VDS电压过高，击穿漏极和P区的PN结时，在寄生的NPN晶体管B-E间电阻上产生压降大于0.7V，寄生NPN管导通，引发MOS管的2次击穿而烧毁。

PN结掺杂浓度越高，PN结越薄，击穿电压越低，为了提高PN结的耐压，就要低掺杂。

PN结掺杂浓度高时，PN结交界面只需扩散很薄的1层空穴或电子到对面，即可建立起很强的内电场，因此，PN结很薄，此时耐压低。

半导体中的少子的产生：本征激发产生的。

温度升高------本征激发加剧------少子增多

半导体掺杂浓度高------多子浓度高------很薄的一层多子扩散到对面，就可形成很强的内电场，停止扩散，此时PN结很薄。

PN结扩散------失去多子或空穴的原子成为离子-------离子不运动、不导电，在PN结交界面处固定不动--------只有电子和空穴能移动而导电。

PN结势垒电容------正向电压---------PN结变薄----相当于平板电容器的极板变近---结电容变大

PN扩散电容：正偏时扩散电容升高-------反偏时几乎为零。PN结反偏时没有电流，只有势垒电容，作为变容管。

MOS管箭头向外：P沟道。箭头向内：N沟道。沟道和衬底时相反的，N沟道时是P衬底。P沟道时是N衬底。栅极是实线:耗尽型。栅极是虚线：增强型。

PN结内电场作用下产生的电荷移动，成为漂移电流。由浓度差别造成的扩散电流，与PN结电场无关。

在P型硅半导体表面加工一层氧化物，会在氧化物与硅的结合面上氧化物一侧内部产生固定不动的正电荷，把结合面硅中的空穴赶跑，这里成为耗尽层，因此，N沟道的MOS管栅极，加0V电压时，沟道被切断，只有当G极加上大于4V的电压时，界面侧的P型半导体反转成N型，出现电子，形成S区到D区的电子沟道，把S区和D区中的电子联通起来。

MOS管的击穿分为2种情况：1当VDS电压升高到很高时，会直接击穿漏极到衬底的PN结引发大电流，大电流流过寄生晶体管的B极，在B极上产生压降，当B极上压降超过0.7V时，寄生晶体管导通，把VDS电压短路直通。如果MOS管设计得当合理，漏极的PN结击穿时，不至于导致寄生晶体管导通。但PN结的击穿，如果没有过流保护措施，也会导致管子烧毁。2 VDS电压升高，会是导致PN结变厚，G极下面的导电沟道变短，当PN结变厚达到源极附近时，源极中的电子之间被PN结吸引到达漏极，形成短路电流。

难民娃

详之又详，不过也有错别字

吴善龙

难民娃 发表于 2017-3-25 21:10
详之又详，不过也有错别字

没有经过认真的矫正，这是读书笔记。不是发表的文章。