气敏半导体传感器材料与器件

第7章MESFET及相关器件

7.1 金属-半导体接触 7.2 金半场效应晶体管(MESFET) 7.3 调制掺杂效应晶体管

本章主题

整流性金半接触及电流电压特性 欧姆性金半接触及特定接触电阻 MESFET及其高频表现 MODFET及二维电子气 MOSFET、MESFET、MODFET比较

7.1 金属-半导体接触

7.1.1 基本特性金属与n型，理想情况，势垒高度为金属 功函数与电子亲和力之差：

金属与p型，势垒高度为：

q Bn q m qx

q Bp E g q m qx

金属和n半导体接触能带图(Wn>Ws)

(a)接触前 (b)间隙很大 (c)紧密接触 (d)忽略间隙

对已知半导体与任一金属而言， 在n型和p型衬底上势垒高度和恰好 为半导体的禁带宽度公式如下

q ( Bn Bp ) E g内建电势：

V bi Bn V n

电荷、电场分布 SqND0 W X

与单边突变结p+-n结类似E W 0 -Em X

相关公式1E ( x) Em qND

S S

W

x Em

qN

D

S

x

qN D W

相关公式2Em W qND W Vbi V 2 2 S

实验五 气敏传感器实验

实 验 目 的：了解气敏传感器的原理与应用。

所 需 单 元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、MQ3气敏传感器、主、副电源。

旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档、F/V表置2V档、差动放大器增益置最小、电桥单元中的W1逆时

针旋到底、主、副电源关闭。

实 验 步 骤：1.仔细阅读后面附上的“使用说明”，差动放大器的输入端 (+)、(-) 与地短接，开启主、副

电源，将差动放大器输出调零。

2．关闭主、副电源 ，按图4接线。

图 4

3．开启主、副电源，预热约5分钟，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥

发并进入传感器金属网内，同时观察电压表的数值变化，此时电压读数 。它反映了传感器AB两端间的电阻随着 发生了变化。说明MQ3检测到了酒精气体的存在与否，如果电压表变化不够明显，可适当调大“差动放大器”增益。

思 考 题：如果需做成一个酒精气体报警器，你认为还需采取哪些手段？ 提 示：1.需进行浓度标定；

2.在电路上还需增加??。

1

附： MQ系列气敏元件使用说明

一、特点

1．具有很高的灵敏度

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气敏器件传感器 行业发展预测与投资咨询报告

2016-2020

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核心内容提要

产业链（Industry Chain）

狭义产业链是指从原材料一直到终端产品制造的各生产部门的完整链条，主要面向具体生产制造环节；

广义产业链则是在面向生产的狭义产业链基础上尽可能地向上下游拓展延伸。产业链向上游延伸一般使得产业链进入到基础产业环节和技术研发环节，向下游拓展则进入到市场拓展环节。产业链的实质就是不同产业的企业之间的关联，而这种产业关联的实质则是各产业中的企业之间的供给与需求的关系。

市场规模（Market Size）

市场规模（Market Size），即市场容量，本报告里，指的是目标产品或行业的整体规模，通常用产值、产量、消费量、消费额等指标来体现市场规模。千讯咨询对市场规模的研究，不仅要对过去五年的市场规模进行调研摸底，同时还要对未来五年行业市场规模进行预测分析，市场规模大小可能直接决定企业对新产品设计开发的投资规模；此外，市场规模的同比增长速度，能够充分反应行业的成长性，如果一个产品或行业处在高速成长期，是非常值

半导体温度传感器应用设计

班级：09测控01班 学号： 0941050123 姓名： 杨亚军 一. 设计任务

利用温度传感器和热电偶设计制作一个温度测量系统。

二. 设计目的

1． 通过本课程设计，使学生更进一步了解有关温度传感器的工作原理、加工工艺相关

知识。

2． 综合运用其它先修课程的理论和实践知识，制定设计方案，确定温度传感器的型号

等参数，掌握温度的检测方法。

3． 通过本课程设计，使学生掌握模拟信号获取、传输、处理及检测的一般方法。 4． 通过本课程设计，学生学会应用温度传感器组建一个简单测量系统，提高学生的动

手能力。

5． 通过计算、分析、绘图，能运用标准，规范，手册和查阅有关资料等，培养仪表设

计的基本技能，为毕业设计奠定良好的基础。

三. 设计要求

参考下面的利用半导体温度传感器AD590和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计的设计提示与分析。请自选另外型号的温度传感器来进行设计。

设计内容包括：

1． 详细了解所选用的温度传感器的工作原理，工作特性等。 2． 设计合理的信号调理电路。

3． 列出制作该装置的元器件，制作实验板，并调试运行成功。 4． 详细的设计说明书一份。

1

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论1现代半导体器件物理与工艺

概论

Physics and Technology of Modern

Semiconductor Devices

2004,7,30

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论2/

课程概论

课程名：现代半导体器件物理与工艺 学分：4

时间：秋季学期1-16周 先修课程：

z 固体物理学z 半导体物理

z

热力学与统计物理学z 量子力学

z 模拟电子技术基础z

数字电子技术基础

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论3/学习目标

掌握半导体物理基本理论

掌握基本器件物理知识 掌握IC制造工艺知识 Pspice建模

了解什么是微电子学和研究什么方面 了解微电子学的过去、现状和未来

初步了解集成电路设计、集成电路CAD方法等基本概念

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论4/

教材和参考资料

半导体器件物理与工艺施敏苏州大学出版社

半导体制造技术Michael Quirk et al. 电子工业出版社 微电子学概论张兴北京大学出版社

固体物理

黄昆高等教育出版社

Handbook of Semiconductor Fabrication Technology New York :Marcel Dekker,

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

习题1

1.1 确定晶胞中的原子数：（a）面心立方；（b）体心立方；(c)金刚石晶格。 解：（a）面心立方： 8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1=3个原子

2 ? 面心立方中共含4个原子

（b）体心立方：8个拐角原子×1=1个原子

8 1个中心原子 =1个原子 ? 体心立方中共含2个原子

（c）金刚石晶格：8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1 =3个原子

2 4个中心原子 =4个原子 ? 金刚是晶格中共含8个原子

1.15 计算如下平面硅原子的面密度：（a）（100），（b）（110），（c）（111）。 解：(a):（100）平面面密度，通过把晶格原子数与表面面积相除得：

面密度=

2个原子?5.43?10?-82=6.78?1014个原子/cm2

4个原子25.43?104个原子35.43?10-8(b):(110)表面面密度=

?-82?=