Ch.02半导体物理和半导体器件物理基础.ppt

微电子学概论,唐angjun,上一章课程内容回顾,第一块晶体管、IC诞生的时间IC的概念集成电路的作用集成电路的分类微电子学的特点,第一章绪论第二章半导体物理和半导体器件物理基础第三章大规模集成电路基础第四章集成电路制造工艺第五章半导体材料第六章集成电路设计第七章集成电路设计的CAD系统第八章几类重要的特种微电子器件第九章微机电系统第十章微电子技术发展的规律和趋势,第二章半导体物理和半导体器件物理基础,2.1半导体及其导电特性2.2PN结2.3双极晶体管2.4MOS场效应晶体管2.5小结,固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106104(cm)-1半导体:10410-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1,从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制,2.1半导体的导电特性,电导率是电阻率的倒数;电导率越大则导电性能越强，反之越小;,彼此之间的界线不是绝对的.导体和半导体区别是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度及温度特性。半导体有以下主要特点：在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加；半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影响较弱；在半导体中可以实现非均匀掺杂；光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体分类：半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS,硅晶体平面结构,硅晶体立体结构,本征半导体特点：电子浓度空穴浓度；载流子少；导电性差；温度特性差。,半导体的掺杂,本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷,载流子电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子（同时产生出一个空穴），这就是本征激发。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。,多余价电子,N型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。,+4,P型半导体结构示意图,在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。,半导体的掺杂,受主掺杂,施主掺杂,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B,本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni与禁带宽度和温度有关*半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动,本征载流子,本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子,载流子浓度,电子浓度n,空穴浓度p,非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n,多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子,电中性条件:正负电荷之和为0,p+NdnNa=0,施主和受主可以相互补偿,p=n+NaNdn=p+NdNa,正是因为电中性条件的要求，所以不管半导体中两种载流子的浓度相差如何的大，都不会出现多于的电荷,n型半导体：电子nNd空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa电子nni2/Na,载流子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力,载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动,引入迁移率的概念,影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射,体现在：温度和掺杂浓度,重点,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,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,大量半导体器件都是由PN结构成;PN结的性能集中的反应了半导体导电性能特点：存在两种载流子；载流子产生与复合；载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动；载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流子在浓度梯度存在的条件下从浓度高的位置向浓度低的位置运动，以达到一个动态平衡。,2.2PN结,P区,N区,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。,内电场方向,空间电荷区,P区,N区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,内电场方向,R,P区,N区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,外加正向电压,内电场方向,R,P区,N区,扩散运动增强，形成较大的正向电流,第1章1.2,P区,N区,内电场方向,R,外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当于开关打开,PN结电容,PN结电容,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容,PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用Cb来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。,载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用Cd与来示。PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。,2.扩散电容,点接触型二极管,1.3.1二极管的结构和符号,半导体二极管,600,400,200,0.1,0.2,0,0.4,0.8,50,100,I/mA,U/V,正向特性,反向击穿特性,硅管的伏安特性,二极管的伏安特性,+U,I,U=f（I）,正向特性：二极管加正向电压,反向特性：二极管加反向电压,对于理想二极管,PN结的击穿,雪崩击穿,齐纳/隧穿击穿,二极管的主要参数,1.最大整流电流IOM,2.反向工作峰值电压URM,3.反向峰值电流IRM,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,N型硅,N+,P型硅,（a）平面型,2.3双极晶体管,NPN型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构分类和符号,P,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,PNP型三极管,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置（加正向电压）；,（2）集电结反向偏置（加反向电压）。,EB,RB,IB,IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,VCC,RC,VBB,RB,C,B,E,由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：,ICIB,同样有:ICIB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系：IE=IB+IC,IC=IB,直流电流放大系数,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,UBE0,UBCVBVE,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,即VCVE且IC=IB,对于PNP型三极管应满足:VCVBVE且IC=IB,（一）放大状态,条件,特征,三极管在三个区的工作状态,饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE0,（1）IB增加时，IC基本不变，且ICUC/RC,（2）UCE0,晶体管C、E之间相当于短路,（三）截止状态,即UCEUBE,（1）IB=0、IC0,（2）UCEEC,晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条件,特征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特征,三极管的主要参数,1.电流放大系数,(1)直流电流放大系数,(2)交流电流放大系数,2.穿透电流ICEO,3.集电极最大允许电流ICM,4.集-射反相击穿电压U(BR)CEO,5.集电极最大允许耗散功率PCM,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,双极晶体管的特点,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,整个发射结上有电流流过,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,易于小信号应用,模拟电路,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,开关速度慢,重点：,1、三极管的三种工作状态,2、电流关系：IE=IB+ICIC=IB,2.4MOS场效应晶体管,场效应晶体管,结型场效应晶体管（JFET）,金属半导体场效应晶体管（MESFET）,MOS场效应晶体管（MOSFET）,场效应晶体管（FieldEffectTransistor,缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为“单极”晶体管,MOSFET的基本结构,金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-MOSFET）,（InsulatedGateFieldEffectTransistor-IGFET）、MISFET,结构示意图,N沟道增强型绝缘栅场效应管,1.结构和符号,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID=0,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。,工作原理,(1)UGS=0,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,ID=0,(2)0UGSUGS(th),N+,N+,UGS,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型NMOS管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS/V,ID/mA,可变电阻区：UGS不变，ID与UDS成正比，漏源之间相当于一个可变电阻。,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型NMOS管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS/V,ID/mA,饱和区：UDS大于一定值，在UGS一定，ID几乎不变，ID受UGS的控制。,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型NMOS管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS/V,ID/mA,截止区：UDS过大，ID急剧增加。,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS=5V,6V,4V,3V,2V,ID/mA,UDS=10V,增强型NMOS管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS/V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS/V,ID/mA,转移特性：ID=f（UGS）|UDS=常数,结构示意图,N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,P型硅衬底,源极S,漏极D,栅极G,衬底引线B,耗尽层,1.结构特点和工作原理,N+,N+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS=1V,2V,3V,输出特性,转移特性,耗尽型NMOS管的特性曲线,1,2,3,0V,1,0,1,2,1,2,3,UGS/V,特性曲线,ID,UGS,UGs(off),UDS/V,UDS=10V,ID/mA,ID/mA,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,PMOS管结构示意图,P沟道,P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）,PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS、UDS的极性也与NMOS管相反。,P+,P+,UGS,UDS,ID,P沟道增强型绝缘栅场效应管,开启电压UGS(th)为负值，UGSUGS(th)时导通。,P沟道耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压UGS(off)为正值，UGSUGS(off)时导通。,在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。,场效应管的主要参数,1.开启电压UGS(th),指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。,2.夹断电压UGS(off),指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。,3.直流输入电阻RGS（DC）,4.低频跨导gm,UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即,另外，漏源