Solid-Phisics-半导体器件物理基础.ppt

半导体器件物理基础 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 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 PN结的结构 1 PN结的形成 2 平衡的PN结 没有外加偏压 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 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 自建势qVbi 平衡时的能带结构 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 N区 P区 空穴 正向电流 电子 P区 N区 扩散 扩散 漂移 漂移 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 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 反向偏置时的能带图 反向偏置时 漂移大于扩散 反向电流 反向偏置时 漂移大于扩散 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Vbi 0 7V Si 反向击穿电压Vrb 6 PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳 隧穿击穿 7 PN结电容 2 4双极晶体管 1 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成 分为 NPN和PNP两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度 双极晶体管的两种形式 NPN和PNP NPN PNP 双极晶体管的结构和版图示意图 2 3NPN晶体管的电流输运机制 正常工作时的载流子输运 相应的载流子分布 NPN晶体管的电流输运 NPN晶体管的电流转换 2 3NPN晶体管的几种组态 共基极共发射极共收集极 3 晶体管的直流特性 3 1共发射极的直流特性曲线 三个区域 饱和区放大区截止区 3 晶体管的直流特性 3 2共基极的直流特性曲线 4 晶体管的特性参数 4 1晶体管的电流增益 放大系数 共基极直流放大系数和交流放大系数 0 两者的关系 共发射极直流放大系数交流放大系数 0 4 晶体管的特性参数 4 2晶体管的反向漏电流和击穿电压 反向漏电流 Icbo 发射极开路时 收集结的反向漏电流Iebo 收集极开路时 发射结的反向漏电流Iceo 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 4 晶体管的特性参数 续 4 3晶体管的击穿电压 BVcboBvceoBVebo BVeeo晶体管的重要直流参数之一 4 晶体管的特性参数 续 4 4晶体管的频率特性 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 截止频率f 特征频率fT 共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率 最高振荡频率fM 功率增益为1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 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 开关