《微电子学概论》--B.ppt

北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 上一节课的主要内容 半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 *据统计：半导体器件主要有67种，另 外还有110个相关的变种 *所有这些器件都由少数基本模块构成 ： pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 PN结的结构 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 1. PN结的形成 NP 空间电荷区XM 空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层 X XN N X XP P 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2. 平衡的PN结：没有外加偏压 能带结构能带结构 载流子漂移(电流)和扩散( 电流)过程保持平衡(相等) ，形成自建场和自建势 自建场和自建势自建场和自建势 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能 级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 自建势qVbi 费米能级平直 平衡时的能带结构 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3.正向偏置的PN结情形 正向偏置时的能带图 正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移 N区P区空穴 ： 正向电流正向电流 电子：P区N区 扩散 扩散 漂移 漂移 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. PN结的反向特性 N区P区空穴 ： 电子：P区N区 扩散 扩散 漂移 漂移 反向电流反向电流 反向偏置时的能带图 反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 N区P区电子： 扩散 漂移 空穴 ： P区N区 扩散 漂移 反向电流反向电流 反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 5. PN结的特性 单向导电性： 正向偏置 反向偏置 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流 正向导通电压Vbi0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 6. PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳/隧穿击穿 7. PN结电容 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2.4 双极晶体管 1. 1. 双极晶体管的结构双极晶体管的结构 由两个相距由两个相距很近很近的的PNPN结组成：结组成： 分为：分为：NPNNPN和和PNPPNP两种形式两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度 发射区收集区基区 发 射 结 收 集 结 发 射 极 收 集 极 基极 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管的双极晶体管的两种形式两种形式：NPNNPN和和PNPPNP NPNNPN c c b b e e c c b b e e PNPPNP 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管双极晶体管 的结构和版的结构和版 图示意图图示意图 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2.3 2.3 NPNNPN晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制 正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运相应的载流子分布相应的载流子分布 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运 NPNNPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换 电子流电子流 空穴流空穴流 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2.3 2.3 NPNNPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态 共基极 共发射极 共收集极 共基极共基极 共发射极共发射极 共收集极共收集极 N N P 晶体管的共收集极接法 c b e 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3. 3. 晶体管的直流特性晶体管的直流特性 3.1 3.1 共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线 三个区域三个区域 ： 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3. 3. 晶体管的直流特性晶体管的直流特性 3.2 3.2 共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 4.1 4.1 晶体管的电流增益（放大系数晶体管的电流增益（放大系数 共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和 交流放大系数交流放大系数 0 0 、 两者的关系两者的关系 共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数 交流放大系数交流放大系数 0 0 、 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 4.2 4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压 反向漏电流反向漏电流 I I cbocbo： ：发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流 I I eboebo： ：收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流 I I ceoceo： ：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续（续 ） 4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 BVBVcbo cbo BvBvceo ceo BVBVebo ebo BVBVeeo eeo晶体管的重要直流参数之一 晶体管的重要直流参数之一 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续（续 ） 4.4 4.4 晶体管的频率特性晶体管的频率特性 截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放 大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率f f ： 特征频率特征频率f f T T ：共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率 最高振荡频率最高振荡频率f fM M： ：功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率 5. BJT的特点 优 点 垂直结构 与输运时间相关的尺 寸由工艺参数决定， 与光刻尺寸关系不大 易于获 得高fT 高速 应用 整个发射上 有电流流过 可获得单位面积 的大输出电流 易于获得 大电流 大功率 应用 开态电压 VBE与尺寸 、工艺无关 片间涨落小，可获 得小的电压摆幅 易于小信 号应用 模拟电 路 输入电容由 扩散电容决 定 随工作电流的减 小而减小 可同时在大或小的电 流下工作而无需调整 输入电容 输入电压直接控制提供 输出电流的载流子密度 高跨导 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 缺点： 存在直流输入电 流，基极电流 功耗大 饱和区中存储电 荷上升