半导体器件物理233页

1、半导体器件物理半导体器件物理电子信息学院电子信息学院 王明湘王明湘 王子欧王子欧2006年6月第一章第一章 绪论绪论1.学习器件物理的意义2.本课程的基本内容3.学习器件物理的基本方法本课程的基本内容 CH1 课程简介课程简介 CH2 热平衡时的能带及载流子浓度 CH3 载流子输运现象 CH4 PN结结 CH5 双极型晶体管及其相关器件双极型晶体管及其相关器件 CH6 MOSFET及其相关器件 CH7 金金-半接触及半接触及MESFETImportance of Semiconductor Importance of Semiconductor IndustryIndustry4 Buildi

2、ng Blocks A)金-半接触（metal-semiconductor contact）： 整流接触（rectifying contact） 欧姆接触（Ohmic contact） B)PN结（P-N junction） C)异质结 （hetero-junction interface） D)金属-氧化层-半导体（metal-oxide-semiconductor，MOS）结构 First Transistor on Ge (贝尔实验室)First MOS Transistor(贝尔实验室)Floating Gate Transistor (nonvolatile semiconducto

3、r memory device)Technology Drivers第二章第二章 物质结构物质结构能带结构的形成和能带结构的形成和描述描述统计描述统计描述 一、基本物质结构一、基本物质结构 1、物质结构划分、物质结构划分 2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构 3、周期势场的形成：、周期势场的形成： 4、晶格常数、晶格常数 5、密勒指数、密勒指数晶面指数：晶面指数： 6、从矿石到单晶的生长、从矿石到单晶的生长1、固体材料结构划分、固体材料结构划分 晶体：长程有序晶体：长程有序 短程有序短程有序 多晶：多晶： 非晶：长程无序短程有序非晶：长程无序短程有序2、原胞，晶胞

4、的定义，几种晶体结构、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构 两种分类的意义：固体微观性质，工艺两种分类的意义：固体微观性质，工艺 两种坐标：空间仿射坐标，空间直角坐两种坐标：空间仿射坐标，空间直角坐标标Insulator Semiconductor & ConductorSemiconductors2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构 图图2.11 a Example 1: Cubic bcc & fccDiamond Structure3、周期势场的形成：、周期势场的形成： a. 原胞的无限周期排列原胞的无限周期排列 b. 电子在能量动量空间的平衡位置

5、电子在能量动量空间的平衡位置 c. 缺陷、表面势缺陷、表面势zzyyxxmkmkmkE222222222自由电子的能量自由电子的能量(E)与动量与动量(p)的抛物曲线图的抛物曲线图mn=0.25m0mp=m0半导体能量动能图4、晶格常数、晶格常数 例例1：最短距离：最短距离 两球紧密接触两球紧密接触 习题习题1(a), 习题习题3 例例2， 习题习题6(a)5、密勒指数、密勒指数晶面指数：晶面指数： 空间解析几何描述（平面）：空间解析几何描述（平面）： lx + my + nz + p = 0 x/a+ y/b + z/c = d Equivalent Planes in Cubic三个平面：

6、三个平面： n型，型，p型型 （ 111），（），（100），（），（110）例3 *图2.6要记住 习题1(b) 习题56、从矿石到单晶的制备、从矿石到单晶的制备7、习题、习题4习题提示：习题提示：OAB CDOAOBOCOD0柴可柴可拉斯拉斯基拉基拉晶仪晶仪二、能带结构二、能带结构态密度态密度费米统计费米统计1、导带、价带、禁带、费米能级、导带、价带、禁带、费米能级 2、束缚态与激发态（本征统计分布态密度、束缚态与激发态（本征统计分布态密度、杂质统计分布态密度）杂质统计分布态密度） 3、直接禁带与间接禁带半导体、直接禁带与间接禁带半导体 4、简并、简并 5、能态密度、费米能级、载流子浓度计

7、算，、能态密度、费米能级、载流子浓度计算，与掺杂浓度、温度的关系与掺杂浓度、温度的关系 实际测量实际测量 四面体结构 传导电子与空穴N 型硅 P 型硅1、导带、价带、禁带、费米能级、导带、价带、禁带、费米能级图2.15金属、半导体、绝缘体能级与能带硅原子能级孤立原子聚集形成金刚石晶格晶体的能带形成图三种材料的能带表示图：两种可能性的导体，半导体，绝缘体2、束缚态与激发态（本征统计分布态密、束缚态与激发态（本征统计分布态密度，杂质统计分布态密度）度，杂质统计分布态密度） 3、直接禁带与间接禁带半导体、直接禁带与间接禁带半导体 4、简并、简并硅及砷化镓的能带结构 费米分布函数F(E)对(E-EF)

8、图 5、本征半导体能态密度、费米能级、载流子、本征半导体能态密度、费米能级、载流子浓度计算浓度计算(a)能带图能带图 (b)状态密度状态密度 (c)费米分布函数费米分布函数 (d)载流子浓度载流子浓度硅及砷化镓中本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子浓度对对温度的依赖关系温度的依赖关系公式公式11a公式公式11b)exp(1)(FEEEFkTEEF3)（空穴公式（空穴公式（10）：）：EFE2/32)2(12hkTmNcn公式公式13（a）施主和受主施主和受主非本征半导体的施主离子,受主离子不同杂质在硅及砷化镓中所测得的电离能 费米能级EF及本征费米能级Ei 温度及杂质浓度为函数的硅及砷化镓费

9、米能级 施主浓度为1015 cm-3的硅样品的电子浓度质量作用定律质量作用定律N型半导体：公式型半导体：公式24P型半导体：公式型半导体：公式26Ec和和ED计算：公式计算：公式25假设完全电离：公式假设完全电离：公式30泊松方程应用于泊松方程应用于PN结空间电荷区结空间电荷区重掺杂，能带变窄：公式重掺杂，能带变窄：公式37第二章总结：第二章总结： 物质结构决定了能带结构物质结构决定了能带结构 通过光子测量确定禁带宽度通过光子测量确定禁带宽度Eg Nc, Nv是有效态密度是有效态密度 费米分布表征了载流子在费米分布表征了载流子在E空间的填充水平空间的填充水平 )/exp(kTqnni轻掺杂引入

10、分立能级，重掺杂引入了轻掺杂引入分立能级，重掺杂引入了“额外额外”带隙带隙)/exp(2kTENNngvci第三章第三章 载流子输运载流子输运 一、电荷控制的概念，测量量（电阻率、迁移一、电荷控制的概念，测量量（电阻率、迁移率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子二、注入、产生与复合（不同能量模型分类）：二、注入、产生与复合（不同能量模型分类）：内外部机制，哪种条件有利于哪种机制内外部机制，哪种条件有利于哪种机制三、经典（弱电场）输运机制，强电场输运，三、经典（弱电场）输运机制，强电场输运，量子输运量子输运一、电荷控制的概念一、电荷控制的概念nvqdJdxdnD

11、qJs/pnJJJ注意注意Jn与与Jp中漂移和扩散电流的方向中漂移和扩散电流的方向连续性方程连续性方程?/)(/1/tpRGxJqtnnn测量量（迁移率、电阻率、浓度、寿命），测量量（迁移率、电阻率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子平衡与非平衡载流子迁移率随温度，掺杂的变化迁移率随温度，掺杂的变化硅与砷化镓硅与砷化镓:迁移率及扩散系数随杂质浓度的变化迁移率及扩散系数随杂质浓度的变化一个一个n型半导体中的传导过程型半导体中的传导过程: (a) 热平衡时热平衡时 (b) 偏压情形下偏压情形下截面积为，长为，在此均匀掺杂的半导体截面积为，长为，在此均匀掺杂的半导体棒中电流的传导棒中电流的传导四探针法

12、测电阻四探针法测电阻硅及砷化镓：电阻率随杂质浓度的变化硅及砷化镓：电阻率随杂质浓度的变化利用霍耳效应测量载流子浓度的基本装置利用霍耳效应测量载流子浓度的基本装置电子浓度对距离的变化情形，平均自由程电子浓度对距离的变化情形，平均自由程 光注入：载流子寿命的测量光注入：载流子寿命的测量几种产生与复合机制：几种产生与复合机制： 具有不同的能量动量要求具有不同的能量动量要求 具有不同的载流子数量关系具有不同的载流子数量关系直接复合、产生，间接复合、产生直接复合、产生，间接复合、产生表面复合，俄歇复合表面复合，俄歇复合二、注入、产生与复合二、注入、产生与复合产生复合电流产生复合电流 公式公式43，46，

13、47与公式与公式49，50相比较相比较间接复合引入了复合截面的概间接复合引入了复合截面的概念，表达了缺陷能级得电子的念，表达了缺陷能级得电子的能力。能力。载流子寿命和扩散长度载流子寿命和扩散长度电子电子-空穴对的直接产生与复合：空穴对的直接产生与复合：(a) 热平衡时，热平衡时，(b) 光照下光照下 光激发载流子的衰减情形。光激发载流子的衰减情形。(a) n型样品在恒定光型样品在恒定光照下，照下，(b) 少数载流子（空穴）随时间的衰减情少数载流子（空穴）随时间的衰减情形，形，(c) 测量少数载流子寿命的图示装置。测量少数载流子寿命的图示装置。 在热平衡下间接产生在热平衡下间接产生-复合过程复合

14、过程 干净半导体表面上键干净半导体表面上键 俄歇复合俄歇复合 厚度为厚度为dx的无限小薄片中的电流及产生的无限小薄片中的电流及产生-复合过程复合过程 稳态下载流子从一端注入：稳态下载流子从一端注入：(a) 半无限样品，半无限样品，(b) 厚度为厚度为W的样品的样品 在在x = 0处的表面复合。表面附近少数载流处的表面复合。表面附近少数载流子的分布受到表面复合速度的影响子的分布受到表面复合速度的影响 海恩海恩-肖克莱实验肖克莱实验7。(a) 实验装置，实验装置，(b) 无施加电场下的载流子分布，无施加电场下的载流子分布，(c) 施加电场下的载流子分布。施加电场下的载流子分布。三、输运机制三、输运

15、机制满足的能量关系不同满足的能量关系不同V0SiO2量子输运（热电子、多能谷散射、隧穿）量子输运（热电子、多能谷散射、隧穿） 强电场输运（临界电场、多能谷散射、碰撞电离）强电场输运（临界电场、多能谷散射、碰撞电离）经典（弱电场）输运机制经典（弱电场）输运机制SiSi (a) 隔离隔离n型半导体的能带图。型半导体的能带图。(b) 热电子发射过程。热电子发射过程。 (a) 距离为距离为d的两个隔离半导体的能带图。的两个隔离半导体的能带图。(b) 一一维势垒。维势垒。(c) 波函数穿越势垒的图示法。波函数穿越势垒的图示法。硅单晶中漂移速度对电场的变化情形硅单晶中漂移速度对电场的变化情形 硅单晶及砷化

16、镓中漂移速度对电场的变化情形。注意硅单晶及砷化镓中漂移速度对电场的变化情形。注意对对n型砷化镓而言，有一个区域为负的微分迁移率型砷化镓而言，有一个区域为负的微分迁移率 对两对两-谷半导体而言，各种电场情形下电子的分布情形谷半导体而言，各种电场情形下电子的分布情形 两两-谷半导体的一个可能的速度谷半导体的一个可能的速度-电场特征电场特征 雪崩过程的能带图雪崩过程的能带图 对硅晶及对硅晶及砷化镓所砷化镓所测量的电测量的电离率与电离率与电场倒数的场倒数的关系关系 问题问题1、哪几种产生、复合机制，以硅、哪几种产生、复合机制，以硅PN结结为例，说明产生、复合何时作用为例，说明产生、复合何时作用问题问题

17、2、半导体中载流子有哪几种输运机制、半导体中载流子有哪几种输运机制问题问题3、迁移率用来表征那种输运？受哪几、迁移率用来表征那种输运？受哪几种散射机制的影响？种散射机制的影响？第四、五章导言第四、五章导言/Q第四章第四章 PN结结一、热平衡一、热平衡 1、空间电荷区的形成与内建电势、电荷分布、空间电荷区的形成与内建电势、电荷分布 2、突变结与缓变结的电场、电势、电荷分布、突变结与缓变结的电场、电势、电荷分布二、准静态电流电压特性二、准静态电流电压特性 1、理想特性、理想特性 2、大注入、串联电阻、（双载流子导电）、大注入、串联电阻、（双载流子导电） 3、产生复合、产生复合三、势垒电容与扩散电容

18、三、势垒电容与扩散电容 四、暂态响应四、暂态响应五、击穿（击穿电压与浓度、温度、尺寸）五、击穿（击穿电压与浓度、温度、尺寸）六、异质结六、异质结电荷控制：电荷控制：/QJ如何提高开关速度？如何提高开关速度？隧道击穿：高电场（高掺杂短路径）隧道击穿：高电场（高掺杂短路径）雪崩击穿：雪崩击穿：耗尽区耗尽区 (a)突变结(b) 线性缓变结 突变结突变结 (a) 在热平衡时，空间电荷 在耗尽区的分布(b) 电场分布。阴影面积为 内建电势 单边突变结(a) 在热平衡时，单边突变结（其中 NA ND）。(b)空间电荷分布。 (c) 电场分布。(d)随距离改变的电势分布，其中 Vbi 为内建电势。 单边突变

19、结(a) 热平衡情况下。(b)正向偏压情况下。(c) 反向偏压情况下 热平衡时的线性缓变结 (a) 杂质浓度分布。(b)电场分布。(c) 电势分布。 (d)能带图。 超突变结、单边突变结和单边线性缓变结的杂质分布 耗尽区、能带图、载流子分布 (a) 正向偏压(b)反向偏压 注入的少数载注入的少数载流子分布和电流子分布和电子空穴电流子空穴电流 (a) 正向偏压。(b) 反向偏压。 此图显示理想电流。对于实际器件，电流在耗尽区并非定值。 典型p-n 结电流-电压特性 PNV1、大注入，小电流、大注入，小电流2、串联电阻、串联电阻3、双载流子导电、双载流子导电4、长、长/短二极管短二极管小电流小电流

20、大注入大注入 p-n 结的小信号等效电路 p-n 结的暂态响应 (a) 基本开关电路 (b)由正向偏压转至反向偏压时的电流暂态响应 在结击穿条件下的能带图 (a)隧道效应。 (b) 雪崩倍增 硅和砷化镓单边突变结的击穿临界电场和背景杂质的关系 硅和砷化镓结，在单边突变结雪崩击穿电压和杂质浓度的关系，及在线性缓变结雪崩击穿电压和杂质梯度的关系。段-点线代表隧穿机制发生起始点扩散结的击穿电压插图表示空间电荷分布 p+-n+和p+-n+的击穿电压 W为p-型轻掺杂()或n-型轻掺杂()的厚度 (a) 平面扩散工艺在接近扩散阻挡层边缘所形成的结曲面，rj 为曲率半径。 (b) 圆柱和球形区域通过长方形

21、阻挡层扩散形成 (a)两个分离半导体的能带图 (b)在热平衡下，理想 n-p 异质结的能带图 异质结异质结PN结二极管计算：结二极管计算：1、泊松方程（电场电势分布）：、泊松方程（电场电势分布）： 偏压近似、耗尽近似偏压近似、耗尽近似 边界条件边界条件2、电流方程、电流方程3、电容计算、电容计算4、小信号电导、小信号电导一、平衡一、平衡pn结结自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直1、能带结构、能带结构两边载流子两边载流子浓度不同浓度不同扩散扩散自建场自建场漂移漂移平衡时平衡时 扩散扩散 漂移漂移kTqifenn/ )(kTqifenp/ )(自建势自建势Vbi取决于取决于结两边的掺杂浓

22、度，结两边的掺杂浓度，与材料特性相关与材料特性相关全耗尽近似全耗尽近似Built-in voltage of n+-p junctions versus acceptor concentration (cm-3)耗尽区耗尽区过渡区过渡区边界边界准中准中性区性区PN结中的空间电荷区结中的空间电荷区 （突变结）（突变结）上述方程需要数值求上述方程需要数值求解解为了求得解析解，需为了求得解析解，需要作近似要作近似PN结的结的耗尽近似空间电荷区中载流子全部耗耗尽近似空间电荷区中载流子全部耗尽尽准中性准中性p区区准中性准中性n区区耗尽耗尽区区qND-qNAxn-xp 0 x 0 x DqNx AqNx

23、nxx 00 xxp使泊松方程简化使泊松方程简化A、耗尽区、耗尽区-耗尽近似下的泊松方程耗尽近似下的泊松方程 nmxxExE1面积电势面积电势EmVm pmxxExE1 pxxPN结的结的耗尽近似下的电场和电势分布耗尽近似下的电场和电势分布xxpdxxEx)()(B、准中性区、准中性区二、正向偏置的二、正向偏置的pn结结（少子扩散近似耗尽（少子扩散近似耗尽近似小注入近似）近似小注入近似）npappVappbimVVV 小注入小注入 所有电压均降在耗尽区所有电压均降在耗尽区 耗尽近似耗尽近似 耗尽区耗尽区 内无产生复合内无产生复合 假设少子在准中性区仅为扩散假设少子在准中性区仅为扩散 确定少数载

24、流子在各空间电荷确定少数载流子在各空间电荷区边界处的浓度区边界处的浓度 确定少数载流子在准中性区的确定少数载流子在准中性区的浓度浓度 (扩散方程扩散方程) 确定少数载流子的扩散电流确定少数载流子的扩散电流 (浓浓度的梯度度的梯度) J = Jn + Jp 100kTqVppnnnpnpappeLDpLDnqxjxjJ忽略空间电荷区内复合时的理想情况忽略空间电荷区内复合时的理想情况1expkTqVJJappsnpnpnpsLnqDLpqDJ00两种情形长、两种情形长、短短二极管二极管LnWp 或或LpWnppnnnpsWnqDWpqDJ00分别用分别用Wp替代替代Ln，Wn替代替代Lp三、反向偏

25、置的三、反向偏置的pn结结appbimVVV 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnqxjxjJ四、四、pn结电容结电容1、耗尽层电容、耗尽层电容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd+-VP+Nxd外加偏压改变耗尽层厚度外加偏压改变耗尽层厚度2、扩散电容、扩散电容在空间电荷区外少子扩散长度的范围内存储有过剩少子在空间电荷区外少子扩散长度的范围内存储有过剩少子少子扩散区内过剩少子的存储引起的少子扩散区内过剩少子的存储引起的 （正偏压时显著（正偏压时显著NpPnDpdxqndxqQ11 kTqVLnLpkTqVCappnppnDexp2002低频低频1,pn正向偏置、正向

26、偏置、低频时作用低频时作用显著显著第五章第五章 Bipolar Transistors1、基本结构、基本结构 原理结构与实际结构原理结构与实际结构 掺杂特点掺杂特点2、基本工作原理、基本工作原理3、工作模式、工作模式第一节第一节 BJT 基础基础一、一、BJT结构结构发射发射区区收集收集区区基基区区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基基极极近代平面结构近代平面结构102010171015基本掺杂分布与实际的分立器件结构基本掺杂分布与实际的分立器件结构思考题：思考题：1、计算正向偏压和反向偏压下、计算正向偏压和反向偏压下PN结的最大电场结的最大电场2、小信号下的、小信号下的CV曲线

27、曲线3、如何把、如何把PN结的扩散电流引出构成恒流源？结的扩散电流引出构成恒流源？4、计算、计算Jn和和Jp占总电流的比例占总电流的比例 p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分，电子流方向与晶体管在放大模式下的各电流成分，电子流方向与电流方向相反电流方向相反 四种晶体管工作模式下的结极性与少数载流子分布四种晶体管工作模式下的结极性与少数载流子分布 （a） 晶体管开关电路，（晶体管开关电路，（b） 晶体管由截止模式切换到饱和模式。晶体管由截止模式切换到饱和模式。晶体管开关特性（晶体管开关特性（a） 基极输入电流脉冲，（基极输入电流脉冲，（b） 基极储存电荷随时间的变化，基极储存电荷随时间的变化

28、，（c） 集电极电流随时间的变化，（集电极电流随时间的变化，（d） 基极在不同时间的少数载流子分布基极在不同时间的少数载流子分布 少数载流子基区分布少数载流子基区分布放大模式下放大模式下 p-n-p 晶体管中各区域的少数载流子分布晶体管中各区域的少数载流子分布 信号放大组态的输入、输出信号放大组态的输入、输出（a） p-n-p 晶体管的共基组态，（晶体管的共基组态，（b） 其输出电流电压特性其输出电流电压特性 （a） p-n-p晶体管的共射组态，（晶体管的共射组态，（b） 其输出电流电压特性其输出电流电压特性 ecII0bcII00001cecIIIeciibcii1（a） 连接成共射组态的双

29、极型晶体管，（连接成共射组态的双极型晶体管，（b） 晶体管电晶体管电路的小信号工作状态路的小信号工作状态 厄雷效应与厄雷电压厄雷效应与厄雷电压 （a） 基本晶体管等效电路，（基本晶体管等效电路，（b） 基本等效电路加上势垒和基本等效电路加上势垒和扩散电容，（扩散电容，（c）基本等效电路加上电阻和电导。）基本等效电路加上电阻和电导。电流增益与频率的关系电流增益与频率的关系 1)exp(1kTexp()11 ()11IsIIBFCEkTqVqVIsIsIsCBER）（a）n-p-n HBT 结构的截面图示，（结构的截面图示，（b）放大模式下）放大模式下HBT的能带的能带图图 图图 18 磷化铟系磷

30、化铟系HBT8电流增益与频率的关系电流增益与频率的关系 （a）n-p-n Si/SiGe/Si HBT的器件结构，（的器件结构，（b） HBT和和BJT的集电极、基极的集电极、基极电流与电流与VEB的关系。的关系。有与无缓变层、和有与无缓变基区的有与无缓变层、和有与无缓变基区的HBT能带图能带图 BCT 的能带图的能带图a） p-n-p-n 二极管，（二极管，（b） 可控硅器件的典型掺杂分布，可控硅器件的典型掺杂分布，（c） 热平衡状态下可控硅器件的能带图。热平衡状态下可控硅器件的能带图。可控硅器件的双晶体管模型示意图可控硅器件的双晶体管模型示意图 p-n-p-n 二极管的电流电压特性二极管的

31、电流电压特性 可控硅器件工作在各区域的耗尽层宽度与压降可控硅器件工作在各区域的耗尽层宽度与压降 （a） 热平衡热平衡状态，（状态，（b） 正向阻断，（正向阻断，（c） 正向导通，（正向导通，（d） 反向阻断。反向阻断。 （a）平面三端点可控硅器件示意图（）平面三端点可控硅器件示意图（b）平面可控硅器件的横截面）平面可控硅器件的横截面 栅极电流对可控硅器件电流电压特性的影响栅极电流对可控硅器件电流电压特性的影响 （a） 应用可控硅器件的电路，（应用可控硅器件的电路，（b） 电压与栅极电流的波形电压与栅极电流的波形 （a）二反接的）二反接的p-n-p-n二极管，（二极管，（b）将二极管整合为二）将

32、二极管整合为二端点的端点的diac，（，（c） diac的电流电压特性的电流电压特性 triac横截面，具有六层结构，包含五个横截面，具有六层结构，包含五个p-n结结 在相同正向阻断电压下，结构与电场分布的比较在相同正向阻断电压下，结构与电场分布的比较 （a） 不对称可控硅器件，（不对称可控硅器件，（b）传统可控硅器件。）传统可控硅器件。 栅极加负电压的栅极加负电压的GTO 可控硅器件可控硅器件 可控硅器件的主要应用可控硅器件的主要应用P+AnodeN+N+CathodeRnPSubstrateNwellxYRpOXIDE第五章中几个关键参量总结（第五章中几个关键参量总结（PNP）1、集、射电

33、流构成：CNCPCEPIIIIIIENE，Iep承载的是通过承载的是通过eb结的有效载流子（少子扩散），结的有效载流子（少子扩散），其占其占Ie的比率为发射系数；的比率为发射系数；Icp是是Iep通过基区后的剩通过基区后的剩余量（二者比率是传输系数）；余量（二者比率是传输系数）；Iep通过基区过程中一部分与Ib中的部分电子复合，一部分与Icn中的部分电子复合；Ib和Icn中剩余电子进入发射极构成Ien;000cbIIeIcnIeIc公式公式9，102、发射效率、基区输运系数、共基电流增益、发射效率、基区输运系数、共基电流增益例一、例二（公式31、31a）3、基区宽度：短二极管、基区宽度：短二极

34、管4、基极电流、基极电流Ib=Ie-Ic5、共射电流增益（公式、共射电流增益（公式35，37）BCCEOBCIIII00,I6、漏电流（例、漏电流（例3）CBOCEOII) 1(07、HBT的电流增益（设基区输运系数为的电流增益（设基区输运系数为1） 公式公式49，例四，例四第六章第六章 MOSFET及相关器件及相关器件MOS二极管示意图图1（a）MOS二极管的透视图，（b）MOS二极管的剖面图 图2 V=0 时理想MOS二极管的能带图 图3 (a)积累时， (b)耗尽时以及 (c)反型时的理想MOS二极管的能带图及电荷分布 图4 p 型半导体表面的能带图 图5 强反型情形下硅与砷化镓（GaA

35、s）的最大耗尽区宽度对杂质浓度的关系 图图6 （a）理想）理想MOS二极管的能带图，二极管的能带图，（b）反型时的电荷）反型时的电荷分布情形，分布情形，（c）电场分布，）电场分布，（d）电势分布）电势分布 图7 （a）高频MOS C-V图显示其近似部份（虚线），插图为串联的电容器，（b）C-V图的频率效应 图图8 铝、铝、n+及及p+多晶硅多晶硅栅极材料的栅极材料的功函数差为功函数差为衬底杂质浓衬底杂质浓度的函数度的函数 图9 （a）独立金属与独立半导体间夹一氧化物的能带图，（b）热平衡下的MOS二极管的能带图。图图10 热二氧化硅中的相关电荷热二氧化硅中的相关电荷图11 （a）VG = 0情

36、形下，（b）平带条件下，氧化层中片电荷的影响2 图12 MOS二极管中固定氧化层电荷与界面陷阱对C-V 特性的影响 图13三相电荷耦合器件的剖面图4，（a）高电压加于 （b）加更高电压，以使电荷输运。 23MOS电容小结电容小结1、由绝缘介质层电容和、由绝缘介质层电容和PN结电容串联结电容串联2、积累状态电容为、积累状态电容为C03、反型状态、反型状态jjVVVVQCCC00a、低频：PN结宽度固定，电荷、电压的变化均体现在反型电荷/介质层b、高频：反型层失去了电荷来源思考题：C-V曲线 1、多晶硅电极的情况 2、有氧化层隧穿电流的情况4、VFB5、深耗尽图14 MOSFET透视图 6.2 M

37、OSFET基本原理基本原理1、开关状态、开关状态 阈值电压阈值电压 使得表面使得表面势势 ，形成导电通道，大量，形成导电通道，大量反型电子使得器件导通反型电子使得器件导通thVs,dVgBs2Qinv)2exp(tsv)2exp(tsv)2exp(1tssvBB20s3、导电通道形成后的、导电通道形成后的直流直流电流电压特性电流电压特性 a、线性区、线性区 b、饱和态恒流源、饱和态恒流源2)(2)(thgdsatdthgdVVIVVVI2、阈值电压调节、阈值电压调节图15 MOSFET工作方式及其输出的I-V 特性。（a）低漏极电压，（b）进入饱和区，P点为夹断点，（c）过饱和 图16 （a）

38、MOSFET工作于线性区，（b）沟道的放大图，（c）沿沟道的漏极压降。 图17 理想MOSFET的漏极特性，于VDVDsat 时漏极电流为一常数 图18 MOSFET的亚域值特性 IDVgVthVd0.5V 理想条件下理想条件下MOSFET电流电压特性的推导电流电压特性的推导sboxgVVVsbgsgb目标：反型层电荷目标：反型层电荷Poly gateoxidesiliconsbscinvsQQQscsgscsinvnQCVQQQQ0即即)(2yVbs而而p+p+PVddVgd,s Vth图图19 四四种类型的种类型的MOSFET的剖面图、的剖面图、输出以及输出以及转移特性转移特性 图图20

39、n沟道沟道（VTn）与）与p沟道沟道（VTp）MOSFET的阈值电压推算值的阈值电压推算值为杂质浓度的函数。为杂质浓度的函数。栅极材料分别为栅极材料分别为n+、p+多晶硅及多晶硅及功函数位于禁带中功函数位于禁带中心的栅极。假设没心的栅极。假设没有固定电荷。栅极有固定电荷。栅极氧化层厚度为氧化层厚度为5 nm。图图21 n阱结构寄生的场晶体管的剖面图。阱结构寄生的场晶体管的剖面图。图图22 使用衬底偏压调整阈值电压使用衬底偏压调整阈值电压 图23 在0.15m CMOS场效应晶体管工艺中的阈值电压下跌特性 短沟道效应短沟道效应Vth roll-off图24 短沟道效应中电荷共享模型示意图 图图2

40、5 在不同沟道长度，沿在不同沟道长度，沿n沟道沟道MOSFET沟道的表面电势推算值。源极沟道的表面电势推算值。源极与沟道的边界定为与沟道的边界定为y = 0，点线代表施加低漏极电压（，点线代表施加低漏极电压（0.05 V），实线），实线代表施加高漏极电压（代表施加高漏极电压（1.5 V）。氧化层厚度）。氧化层厚度d与衬底掺杂与衬底掺杂NA分别为分别为10 nm与与1016 cm-3。衬底偏压为。衬底偏压为0伏特。伏特。 短沟道效应短沟道效应DIBL图图26 （a）长沟道与（长沟道与（b）短沟道短沟道MOSFET的的亚域值特性亚域值特性 图图27 n沟道沟道MOSFET 在在VDS 0.1、1与

41、与4 V时的亚域值特性时的亚域值特性 图图28 CMOS反相器反相器图图29 Ip与与In为为Vout的函数。的函数。Ip与与In（圆点）的截距为（圆点）的截距为CMOS反相器反相器的稳态工作点。曲线是依输入电压来标示：的稳态工作点。曲线是依输入电压来标示：0 = Vino Vin1 Vin2 Vin3 Vin4 = VDD。 CMOS反相器工作原理反相器工作原理图图30 CMOS反相器的转移反相器的转移特性。标示为特性。标示为A，B，C与与D的点与图的点与图29相对应。相对应。 图图31 使用使用p 阱技术制作的阱技术制作的CMOS反相器的剖面图反相器的剖面图 n+n+PV=Isub*RVdLatch-up 效应原理图效应原理图图图32 图图31的的p 阱阱结构的等效电路结构的等效电路 CMOS反相器工作原理反相器工作原理2图图33 避免闩锁可利用重掺杂外延衬底避免闩锁可利用重掺杂外延衬底 图图34 典型的典型的a-Si:H TFT结构结构 图35 a-Si:H TFT的亚域值特性（L/Z=10/60m)场效应载流子迁移率为0.23 cm2/V.s图图36 多晶硅多晶硅TFT结构。结构。 图图 37 SOI CMOS的剖面图。的剖面图。图图38 n沟道沟道SOI MOSFET的输出的输出kink-off特性特性:热载流子效应热载流子效应