第二讲半导体物理及器件基础案例

1、第二讲第二讲 半导体物理及器件基础半导体物理及器件基础贵州大学电子科学系贵州省微纳电子与软件技术重点实验室半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心马 奎 博士/副教授 2016-03-08目 录固体能带结构半导体物理基础PN结双极型晶体管MOS晶体管几种大功率器件1/50固体能带结构Herbert Kroemers Lemma-Quoted from the Nobel Lecture, December 8, 2000 If, in discussing a semiconductor problem, you cannot draw an Energy Band Diagram, this

2、shows that you dont know what you are talking about. If you can draw one, but dont, then your audience wont know what you are talking about. 在讨论半导体问题时，如果不能画出能带图，这说明，你自己也不知所云。 你能画出能带图，但是不能理解能带图的含义，那么，听众不知道你在讲什么。2/50固体能带结构3/50固体能带结构4/50固体能带结构导带全空导带全空导带全空导带部分填充价带全满价带全满价带部分填充（a）绝缘体（b）半导体（c）导体（d）导体能带交叠5/

3、50固体能带结构6/50半导体物理基础半导体中的电子|空穴对7/50半导体物理基础半导体中的电子|空穴对8/50半导体物理基础半导体中施主和受主9/50半导体物理基础FD统计分布和费米能级10/50半导体物理基础本征半导体EcEvEiN型半导体EcEvEiP型半导体EcEvEiEfEf三种半导体的费米能级分布11/50半导体物理基础220220)2(2)2(2idadaiadadnNNNNpnNNNNn)exp(.)exp(.)exp(.)exp(.0000kTEEnpkTEENpkTEEnnkTEENnFiiFVViFiCFC 200inpn平衡态半导体的载流子浓度方程12/50半导体物理基

4、础扩散运动 由浓度梯度引起的载流子的运动。漂移运动 由外加”场”的作用引起的载流子的运动。散射 载流子运动过程中运动方向或速度改变的现象。 晶格散射、杂质和缺陷散射、表面和界面散射，或者是由周期性势场引起的散射。13/50PN结NP14/50PN结PN结形成的微观过程P5+B3+N-SiP-Si+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +15/50PN结PN结形成的微观过程+ + + + + + + + + + + + +

5、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +接接触触+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +N-SiP-Si16/50PN结PN结形成的微观过程扩扩散散+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N-SiP-Si扩散电流17/50PN结PN结形成的微观过程+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

6、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N-SiP-Si扩散电流复复合合18/50自自建建电电场场PN结PN结形成的微观过程+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N-SiP-Si漂移电流19/50PN结平平衡衡+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

7、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N-SiP-Si空间电荷区PN结形成的微观过程20/50PN结+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +XMEbiVbio 载流子数量极少。o 高阻区。o 耗尽区XNXPXN XP XMNDXN NAXP根据电中性：自建场自建势空间电荷区21/50PN结PN结的偏置NPVDNPV正向偏

8、置NSi：低电位PSi： 高电位反向偏置NSi：高电位PSi： 低电位22/50PN结ECEVECEVPN结形成之前ECEVECEVPN结形成之后qVbiXMPN结的能带23/50PN结ECEVECEVq（VbiVD）XM正偏状态正偏状态ECEVECEVq（VbiVR）XM反偏状态反偏状态PN结的能带qVDqVR24/50PN结PN结的IV特性VI(1)qVkTsII e(1) V=VB: 雪崩击穿；(2) VBV 0：反向饱和电流；(3) V=0:平衡态，电流为零。(4) 0 Vbi：势垒消失，电流随偏压增加而迅速增大。VbiVB-Is25/50PN结P衬底N+P+PN结在集成电路中的剖面图

9、及电路符号AnodeCathode26/50双极型晶体管基本结构和分类NNPPPN三层结构BJT: Bipolar Junction Transistor27/50双极型晶体管发射区发射区集电区集电区基区基区集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极发发射射结结EmitterBaseCollector（1）两个PN结：发射结、集电结（2）三个区：发射区、基区、集电区（3）杂质浓度：发射区基区集电区（4）窄基区：小于数微米NPN晶体管28/50双极型晶体管发射结（B-E结）：正偏集电结（B-C结）：反偏输入输入输出输出发射区发射区集电区集电区基区基区集电结集电结发发射射极极集电极集电极基极基极

10、发射结发射结共发射极接法29/50双极型晶体管发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射极极集集电电极极基极基极IeIb载流子输运情况30/50双极型晶体管发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射极极集集电电极极自建场方向自建场方向Ie基极基极Ib载流子输运情况31/50双极型晶体管发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射极极集集电电极极基极基极自建场方向自建场方向IeIb电流增益电流增益：通过基区的电流与在基区复合的电流之比。：通过基区的电流与在基区复合的电流之比。IccbII载流子输运情况32/50双极型晶体管Vce v.s. IcVbeVceecbVceIcIb=0截止区截止区晶体管特性曲

11、线 Vbe0oVce较小： eb结和cb结均正偏， Ic随Vce增加而增加。oVce较大： eb结正偏而cb结反偏， IcIb。截止区截止区放大区放大区Ib1Ib2Ib3Ib434/50双极型晶体管NPN晶体管在集成电路中的剖面图及电路符号N+N+P衬底PNCBE35/50MOS晶体管N+PSourse源极N+Gate栅极Drain漏极P+NSourse源极P+Gate栅极Drain漏极Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管基本结构和分类36/50MOS晶体管NMOS的共源极接法

12、源极N+PN+栅极漏极漏结漏结源结源结沟道沟道Channel37/50MOS晶体管NMOS电容源极N+PN+栅极漏极VGS=0VDS=0 VS=038/50MOS晶体管空间电荷区空间电荷区（耗尽区）（耗尽区）源极N+PN+栅极漏极VGS0（小）（小）VDS=0VGS0（小）（小）:栅氧化层下出现空间电荷区（耗尽区）栅氧化层下出现空间电荷区（耗尽区） VS=0NMOS电容39/50MOS晶体管耗尽区耗尽区反型层反型层源极N+PN+栅极漏极VGSVDS0VGS增加：增加： 空间电荷向下扩展，栅氧化层下的半导体表面出现多余自由电子，相空间电荷向下扩展，栅氧化层下的半导体表面出现多余自由电子，相当于在

13、表面形成一层导电类型相反的半导体层，称为当于在表面形成一层导电类型相反的半导体层，称为反型层反型层。此时的。此时的VGS称为称为阈阈值电压值电压VT(0.5V-1.0V)。 VS=0NMOS电容40/50MOS晶体管VGSVT:表面反型程度进一步加深，半导体表面积累更多的电子，同时反型层的表面反型程度进一步加深，半导体表面积累更多的电子，同时反型层的屏蔽作用使得耗尽区停止扩展。屏蔽作用使得耗尽区停止扩展。 耗尽区耗尽区反型层反型层源极N+PN+栅极漏极VGSVTVDS0VS=0NMOS电容41/50MOS晶体管阈值电压计算公式fpmsoxssoxfpsAtnCQCqNV22fnmsoxssox

14、fnsDtpCQCqNV22NPN：PNP：42/50MOS晶体管NMOS共源极接法的工作机理VGS0:漏结耗尽区扩展，使得栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，漏结耗尽区扩展，使得栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，晶体管截止，晶体管截止，IDS0。源极N+PN+栅极漏极VGS0IDS43/50MOS晶体管VGSVT,VDS0（小）（小）:栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，而反型层宽度从栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，而反型层宽度从源到漏逐渐减小，源到漏逐渐减小，ID随随VDS增加而线性增加。增加而线性增加。源极N+PN+栅极漏极VGSVTVDSIDVDS0(小小)IDS(0.5)DGS

15、TDSDSIVVVVNMOS共源极接法的工作机理44/50MOS晶体管NMOS共源极接法的工作机理VGSVT,VDS=Vsat: 漏结附近反型层宽度减小到零，漏结附近反型层宽度减小到零，ID达到最大值。达到最大值。Vsat称为饱和称为饱和电压电压,ID称为饱和电流。称为饱和电流。 源极N+PN+栅极漏极VGSVTIDVDSVsatIDSVsat=VGS-VTVsat=VGS-VTIsat2(0.5)()satGSTDSDsGSTIVVVVVVVDS45/50MOS晶体管源极N+PN+栅极漏极VGSVTVDSIDVDSVsatIDSVsat=VGS-VTIsat2()DGSTIVVNMOS共源极接法的工作机理VGSVT，VDSVsat: 沟道被夹断，随着沟道被夹断，随着VD的增加有效沟道长度减小，的增加有效沟道长度减小，ID饱和。饱和。46/50MOS晶体管SGDVGSVTVDSVsatIDSVDS有效沟道长度有效沟道长度IDS高阻区长度高阻区长度IDSIDS不变不变(饱和饱和)NMOS共源极接法的工作机理47/50MOS晶体管线线性性区区VSDID饱和区饱和区VGS2VGS3VGS4VGS5截止区截止区VGS1VGSVT线性区：线性区：2()DGSTIVV(0.5)DGSTDSDsIVVVV饱和区：饱和区：NMOS的I-V特性曲线4