半导体器件物理(第六章 其他常用半导体器件)

1、http:/微电子技术专业微电子技术专业1. 达林顿管电路连接达林顿管电路连接 将两个电力晶体管以适当的方式集成在一起，就形成了具有达林顿结构的达林顿晶体管,采用达林顿结构组成的复合晶体管有很大的放大倍数，解决了电力晶体管放大倍数小的问题。6.1 达林顿晶体管CBECBECBECBE2.达林顿管工作原理达林顿管工作原理CDIBDIEDIC1IC2IE1IB2IDCDBDE1T2TBD12B22C2I )1 (IIBD1B11C1IIIBD12BD1C2C1CDI )1 (IIIIBD12B22C2I )1 (II2121121BDCDBD)1 (II6.1 达林顿晶体管 由上式可以看出，达林顿

2、晶体管的电流放大倍数是T1和T2晶体管电流放大倍数的乘积加上T1和T2电流放大倍数之和。所以，采用达林顿结构可以得到很大的电流放大倍数。6.1 达林顿晶体管DCDBDE1T2TD1C2C1B2B1E2E1R2R1B1E2B1E2ENNN1R2R型基区P集电区N衬底ND3.达林顿管电路结构与剖面图达林顿管电路结构与剖面图6.2 功率MOS型晶体管6.2.1 功率功率MOS型晶体管的种类型晶体管的种类1. VMOSFET和和UMOSFETN-NNPNSGDP沟道N-NNPNSGDP沟道6.2 功率MOS型晶体管2.LDMOSFETP-NN漂移区PNSGD LDMOSFET结构是用平面工艺双扩散法或

3、双离子注入法制作的MOSFET器件，如图所示。首先是在N-硅片或N-外延片上进行P型硼扩散或注入硼离子形成沟道区，然后用磷扩散或磷注入形成N+的漏区和源区。沟道长度是通过沟道区和N+源区的结深差形成的，由于通过扩散工艺可以精确控制两个扩散结的结深差，从而可以不需要昂贵的精确光刻，也可以获得精确的沟道长度。 6.2 功率MOS型晶体管N-NPNSGDPN沟道3.VDMOSFET VDMOSFET的单元剖面结构图，它是采用平面工艺制作的，用多晶硅做掩膜，采用自对准工艺，形成N+源极。它的沟道同样是采用双扩散工艺形成，P-Well和N+结深差形成了沟道，这是DMOS最显著地特征之一。电流在沟道内沿表

4、面流动，然后垂直的被漏极收集。 6.2 功率MOS型晶体管6.2.2 功率功率MOS型晶体管的版图结构与制造工艺型晶体管的版图结构与制造工艺NN 终端保护区的作用是使有源区周围的耗尽层尽量延展，降低有源区周围的电场强度，提高击穿电压 1.终端保护区终端保护区6.2 功率MOS型晶体管2.功率功率MOS管的原胞结构图管的原胞结构图6.3 绝缘栅双极晶体管6.3.1 IGBT的结构与伏安特性的结构与伏安特性P-NPN栅极集电极N沟道发射极P1J2J3JCGE1.IGBT的结构与符号的结构与符号 IGBT的基本结构截面图，与VDMOS相比，除了背面多了一层P型层外，其他结构均与VDMOS相同。但正是

5、因为增加了这层P型层，使得IGBT具有许多不同于VDMOS的器件特性。 6.3 绝缘栅双极晶体管饱和区线性区CICEVFBV正向特性反向特性RBV截止区0VGE2.IGBT的伏安特性曲线的伏安特性曲线6.3.1 IGBT的工作原理的工作原理6.3 绝缘栅双极晶体管1.IGBT的等效电路的等效电路ECGPNPNPNSRMOSFETGIEICIGMOSFETGIECCIEI IGBT可等效为N-MOSFET、NPN三极管和PNP三极管的复合电路。也可以等效为一个N-MOSFET和一个PIN二极管的串联结构。此等效结构通常应用于IGBT的正向导通状态。 6.3 绝缘栅双极晶体管2.正向阻断状态正向阻

6、断状态2p1CES)L(d2qBVSDN 其中，BUCES为IGBT的最大正向阻断电压，Lp为空穴扩散长度。此时IGBT器件发生的是由于耗尽层扩展到背面的P型层导致的穿通击穿。 另一个影响IGBT正向阻断能力的参数是漂移区的掺杂浓度ND 3.正向导通状态正向导通状态6.3 绝缘栅双极晶体管 考量IGBT正向导通能力的电参数是UCE（sat）（正向导通压降）。UCE(sat)越小，IGBT的导通损耗就小。正向导通时，IGBT器件可以等效为一个N-MOSFET和一个PIN二极管。所以，IGBT的正向饱和导通压降可用下式计算：)()(2ln2THGoxnsCHCaiaCCEsatUUZCLILdFn

7、qWZDdIqkTU6.4 发光二极管6.4.1 LED的发光原理的发光原理 PN结正偏时，注入的电子和空穴复合，以光子的形式放出能量，称为辐射复合。 VECEhchhEg 通常做晶体管材料的硅晶体并不是做可见光发光二极管的合适材料，常用的是砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料。 6.4 发光二极管6.4.2 LED的结构与种类的结构与种类GaAsNGaAsPNGaAsPP43NSiALNiGe,Au,)()(管芯LED环氧树脂镓磷砷红光二极管的管芯与封装结构镓磷砷红光二极管的管芯与封装结构6.4 发光二极管1.1.GaP LED2.2.GaAs1-xPx LEDGaPNGaAsPNGaAsPP2

8、SiO发射光子反射接触GaAsNGaAsPNGaAsPP发射光子吸收光子3.3.GaN LEDP-电极透明电极N-电极P-GaN：Mg5InGaN/GaNN-GaN：Si成核层蓝宝石6.4 发光二极管6.4.3 LED的量子效应的量子效应6.4 发光二极管CFZY（1）z为正向PN结的注入效率 （2）F为辐射效率 （3）C为出光效率 6.5 太阳电池6.5.1 PN结的光生伏特结的光生伏特效应效应抗反射涂层NP正面指状条形电极背面电极m3 . 0m500Si-P cm1 由于PN结内存在内建电场，使势垒区内产生的光生空穴和N区扩散进势垒区的光生空穴都向P区做漂移运动，从而带动N区约一个少子扩散

9、长度范围内的光生空穴向势垒区边界做扩散运动。同理，内建电场使光生电子做反方向的漂移运动和扩散运动。也就是说，势垒区分离了两种不同电荷的非平衡载流子，结果就在P区内积累了非平衡空穴，N区内积累了非平衡电子，产生了一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场。于是，在P区和N区之间建立了光生电动势。 6.5 太阳电池6.5.2 太阳电池的太阳电池的I-U特性与效率特性与效率LRULRIDIhLI10kTqULDLeIIIII6.5 太阳电池开路电压开路电压00ln1lnIIqkTIIqkTULLOCLSCII短路电流短路电流mV/UmA/IOCUSCImPmImUO功率转换效率功率转换效率inmPP填充因子填充因子FF inSCOCinmminmPFFIUPIVPP6.5 太阳电