半导体器件物理基础.pdf

上一节课的主要内容 半导体 半导体 N型半导体 型半导体 P型半导体 本征 半导体 非本征半导体 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 载流子 电子 空穴 平衡载流子 非 平衡载流子 能带 导带 价带 禁带 费米能级能带 导带 价带 禁带 费米能级 掺杂 施主 受主掺杂 施主 受主 输运 漂移 扩散 产生 复合输运 漂移 扩散 产生 复合 半导体器件物理基础 半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件 据统计 半导体器件主要有据统计 半导体器件主要有67种 另外 还有 种 另外 还有110个相关的变种个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成 所有这些器件都由少数基本模块构成 pn结双极晶体管结双极晶体管 金属 半导体接触金属 半导体接触 MIS结构结构MOS场效应晶体管场效应晶体管 异质结异质结 超晶格超晶格 PN结的结构结的结构 PN结的单向导电性 结的单向导电性 P区接正 区接正 N区接负区接负 正向导电性很好 电流随电压增加迅速增大 正向电阻小 正向导电性很好 电流随电压增加迅速增大 正向电阻小 反向导电性差 电流很小 趋于饱和 反向 电阻大 反向导电性差 电流很小 趋于饱和 反向 电阻大 反向击穿反向击穿 PN结的形成结的形成 NP 空间电荷区空间电荷区XM 空间电荷区 耗尽层空间电荷区 耗尽层 XNXP 空间电荷区为高阻区 因为 缺少载流子 空间电荷区为高阻区 因为 缺少载流子 假设假设P区 区 N区均匀掺杂区均匀掺杂 突变结 自建电场引起的电子 空穴漂移运动与它们 的扩散运动方向相反 直到两者相抵 达到 动态平衡 突变结 自建电场引起的电子 空穴漂移运动与它们 的扩散运动方向相反 直到两者相抵 达到 动态平衡 平衡的平衡的PN结 没有外加偏压结 没有外加偏压 能带图能带图能带图能带图 自建势自建势qVbi 平衡情况下 费米能级 一致 平衡情况下 费米能级 一致 P区能带上移是自建场的影响区能带上移是自建场的影响 能带按电子能量定能带按电子能量定 N区和区和P区的电势差 自建势 区的电势差 自建势 势垒 位垒势垒 位垒 载流子浓度分布载流子浓度分布 在空间电荷区 载流子浓度很小 电荷密 度分别等于施主和受主浓度 在空间电荷区 载流子浓度很小 电荷密 度分别等于施主和受主浓度 电子和空穴被耗尽电子和空穴被耗尽 正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形 正向偏置时的能带图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区区 正向电流正向电流 1 00 kT qV p pn n np np e L Dp L Dn xjxjj 电子 电子 P区区 扩散 扩散 扩散 扩散 漂移 漂移 漂移 漂移 电子和空穴扩散 电流相加 电子和空穴扩散 电流相加 必须势垒下降到一定程度 导通电压 电流指数增加 必须势垒下降到一定程度 导通电压 电流指数增加 N区区P区区空穴 空穴 非平衡载流子非平衡载流子正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程 电流传输与转换 载流子的扩散和复合过程 电流传输与转换 载流子的扩散和复合过程 PN结的反向特性结的反向特性 反向偏置时的能带图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 N区区P区电子 区电子 扩散扩散 漂移漂移 空穴 空穴 P区区N区区 扩散扩散 漂移漂移 1 00 kT qV p pn n np npr R e L Dp L Dn xjxjj 反向电流反向电流 反向偏置时 漂移大于扩散反向偏置时 漂移大于扩散反向偏置时 漂移大于扩散反向偏置时 漂移大于扩散 N区中空穴 区中空穴 P区中的电子被反向抽取 少子运动 电流小 边界处少子变化量不超过 平衡少子浓度 电流趋于饱和 区中的电子被反向抽取 少子运动 电流小 边界处少子变化量不超过 平衡少子浓度 电流趋于饱和 边界少子注入很多边界少子注入很多 光照光照 光电二极管 光电探测 光电二极管 光电探测 PN结的结的I V特性特性 单向导电性 单向导电性 正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置 正向导通电压正向导通电压Vbi 0 7V Si 反向击穿电压反向击穿电压Vrb 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 多数载流子扩散电流 反向截止 少数载流子漂移电流 利用利用PN结的特点 可以设计光电转换器件结的特点 可以设计光电转换器件 PN结的击穿 击穿电压 结的击穿 击穿电压 PN结承受的反向偏压的上限结承受的反向偏压的上限 雪崩击穿 雪崩击穿 碰撞电离载流子倍增碰撞电离载流子倍增 齐纳齐纳 隧穿击穿隧穿击穿 电场 电场 光照的影响 不影响隧穿击穿 影响雪崩击穿光照的影响 不影响隧穿击穿 影响雪崩击穿 温度的影响 隧穿击穿负温度系数 雪崩击穿 正温度系数 温度的影响 隧穿击穿负温度系数 雪崩击穿 正温度系数 PN结电容结电容 如果空间电荷区中正负电荷的数量增加 如果空间电荷区中正负电荷的数量增加 PN结上电压增大 正 负电荷的数量减少 结上电压增大 正 负电荷的数量减少 PN结上的电压减小 类似一个电容器结上的电压减小 类似一个电容器 m s T X S C 0 V Q CT dV dQ CT 平行板电容器 电容不随电压平行板电容器 电容不随电压V变化变化 PN结势垒电容是偏压结势垒电容是偏压V的函数 微分电容的函数 微分电容 双极晶体管双极晶体管 双极晶体管 双极晶体管 BJT 的基本结构 的基本结构 工作原理工作原理 基本特性基本特性 直流特性直流特性 频率特性频率特性 双极晶体管的特点双极晶体管的特点 目前目前BJT的结构的结构 双极晶体管双极晶体管 两种载流子参与导电两种载流子参与导电 1 1 双极晶体管的结构双极晶体管的结构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由两个相距由两个相距很近很近的的的的PNPN结组成 结组成 结组成 结组成 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 发射区收集区基区 发 射 结 收 集 结 发 射 极 收 集 极 基极 发 射 极 收 集 极 基极 分为 分为 分为 分为 NPNNPN和和和和PNPPNP两种形式两种形式两种形式两种形式 双极晶体管双极晶体管双极晶体管双极晶体管 的结构和版的结构和版的结构和版的结构和版 图示意图图示意图图示意图图示意图 工作机制工作机制 NPN管管 正常使用条件下 晶体管的发 射结加正向小电压 称为正向 偏置 收集结加反向大电压 为反向偏置 正常使用条件下 晶体管的发 射结加正向小电压 称为正向 偏置 收集结加反向大电压 为反向偏置 NPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运 电子流电子流电子流电子流 空穴流空穴流空穴流空穴流 Ie Ine IpeIne Ipe Ie Ib Ic Ine Ic IrbIc Irb Ib Ipe Irb NPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态 共基极共基极 共发射极共发射极 共收集极共收集极 共基极共基极共基极共基极 共发射极共发射极共发射极共发射极 共收集极共收集极共收集极共收集极 N N P 晶体管的共收集极接法晶体管的共收集极接法 c b e o c e I I 共基极电流放大系数共基极电流放大系数 o c b I I 共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数 0 0 0 1 ce c II I 如何提高电流放大系数如何提高电流放大系数 发射结注入效率 通过发射结 发射结注入效率 通过发射结 降低基区向发射区注入的空穴降低基区向发射区注入的空穴 控制发射区与基区掺杂浓度 使发射区的浓 度很高 控制发射区与基区掺杂浓度 使发射区的浓 度很高 基区输运系数 基区输运系数 通过基区 通过基区 增大注入到基区的电子浓度分布梯度增大注入到基区的电子浓度分布梯度 复合少复合少 薄基区薄基区 晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性 共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线 晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性 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 饱和区 放大区 截止区 三个区域 饱和区 放大区 截止区 与共基极特性曲线可以转换与共基极特性曲线可以转换 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 晶体管的 电流放大系数晶体管的 电流放大系数 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 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 Bvcbo 集电结反向击穿电压 集电结反向击穿电压 Icbo趋向无穷大时所对 应的电压 趋向无穷大时所对 应的电压 Bvceo 集电极 集电极 发射极反向击穿电压 共发射极运用 时 收集极 发射极反向击穿电压 共发射极运用 时 收集极 发射极间所能承受的最大反向电压发射极间所能承受的最大反向电压 Bvebo 发射结反向击穿电压 发射结反向击穿电压 BVeeo晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一 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 共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值 共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值 共基极运用时的频率限制共基极运用时的频率限制 21 截止频率 截止频率f 特征频率特征频率fT 共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为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fM 功率增益为功率增益为1时对应的频率时对应的频率 BJT的特点的特点 优点优点 高速 应用 高速 应用 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 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 易于获 得高fT 垂直结构垂直结构 大功率 应用 大功率 应用 整个发射区上 有电流流过 整个发射区上 有电流流过 易于获得 大电流 易于获得 大电流 可获得单位面积 的大输出电流 可获得单位面积 的大输出电流 开态电压开态电压 VBE与尺寸 工艺无关 与尺寸 工艺无关 模拟电 路 模拟电 路 易于小信 号应用 易于小信 号应用 片间涨落小 可获 得小的电压摆幅 片间涨落小 可获 得小的电压摆幅 缺点缺点 需要输入电流 静态功耗大需要输入电流 静态功耗大 饱和工作 Vbe 0 Vbc 0 Ib 过剩电 荷贮存 开关速度 饱和工作 Vbe 0 Vbc 0 Ib 过剩电 荷贮存 开关速度 Vt不能作为设计参数Vt不能作为设计参数 设计设计BJT的关键 获得尽可能大的 的关键 获得尽可能大的IC和尽可能小的和尽可能小的IB 设计设计BJT的关键 获得尽可能大的 的关键 获得尽可能大的IC和尽可能小的和尽可能小的IB 当代当代BJT结构结构 特点 特点 深槽隔离深槽隔离 多晶硅发 射极 多晶硅发 射极 多晶硅发射极双极晶体管多晶硅发射极双极晶体管 MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS电容结构电容结构 MOSFET 器件器件 MOS电容结构电容结构 MOS 电容的结构电容的结构 MOS结构中的电荷和电势 电势 结构中的电荷和电势 电势 Vg VOX s ms 电荷平衡 电荷平衡 Qg Qo Qs 0 Qg Vg在栅电极上引起的电荷在栅电极上引起的电荷 Qo 氧化层缺陷引起的等效电荷 氧化层缺陷引起的等效电荷 Qs 硅中感应的电荷 理想情况 硅中感应的电荷 理想情况 ms 0 MOS电容中三个分离系统的能带图电容中三个分离系统的能带图 功函数 功函数 E真空 真空 E费米 一个电子越过表面势垒 所需要的能量 费米 一个电子越过表面势垒 所需要的能量 施加偏压后 的不同状态 积累 耗尽 反型 施加偏压后 的不同状态 积累 耗尽 反型 Vg0 Vg 0 理想情况 以理想情况 以p 型衬底为例型衬底为例 正电荷积累 屏蔽 负电场 终止电力线 正电荷积累 屏蔽 负电场 终止电力线 Ef Ei 开始反型 弱反型 开始反型 弱反型 两部分电荷 反型层 耗尽层电荷两部分电荷 反型层 耗尽层电荷 强反型条件 强反型条件 s 2 b a Nn 0 沟道 强反型 耗尽层宽度达最大 反型层中电子浓度与表面势成 指数关系 相当于屏蔽层 强反型 耗尽层宽度达最大 反型层中电子浓度与表面势成 指数关系 相当于屏蔽层 深耗尽状态 深耗尽状态 Vg以脉冲形式加上 表面处于非平衡状态 直流扫描电压变化快 以脉冲形式加上 表面处于非平衡状态 直流扫描电压变化快 10V s 无时间建立无时间建立Qinv 反型层不存在反型层不存在 强反型 深耗尽 强反型 深耗尽 CCD器件工作的基础器件工作的基础 MOS电容电容 MOS场效应晶体管场效应晶体