半导体器件物理I复习笔记

1、半一复习笔记By潇然2018.1.121.1平衡PN结的定性分析pn结定义：在一块完整的半导体晶片(Si、Ge、GaAs等)上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结内建电场：空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场耗尽层：在无外电场或外激发因素时，pn结处于动态平衡，没有电流通过，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层1.2平衡PN结的定量分析平衡PN结载流子浓度分布平站就就子報度曲布IIU丿耗尽区近似：一般室温条件，对于

2、绝大多部分势垒区，载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小的多，好像已经耗尽了，此时可忽略势垒区的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，即为耗尽区近似。所以空间电荷区也称为耗尽区。在耗尽区两侧，载流子浓度维持原来浓度不变。理想PN结的伏安特性(直流)理想PN结：符合以下假设条件的pn结称为理想pn结小注入条件一注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；AnnO,AppO,突变耗尽层条件外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用；玻耳兹曼边界条件

3、在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。2.理想pn结模型的电流电压方程式（肖特来方程式）:产生-复合电流1.反偏PN结的产生电流2.正偏PN结的复合电流1.6理想PN结交流小信号特性1.扩散电阻2.扩散电容_qlT_gDrT32JcT1.7势垒电容在考虑正偏时耗尽层近似不适用的情况下，大致认为正偏时势垒电容为零偏时的四倍，即Ct=4Ct（0）=4aJ2（箒:常雋6105）1.8扩散电容定义：正偏PN结内由于少子存储效应而形成的电容势垒电容与扩散电容的比较T=A-势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化率：正负电荷在空间上是分离的；与直流偏压成壽函数关系星T=A-势垒区中电离杂质电荷随外加电

4、压的变化率：正负电荷在空间上是分离的；与直流偏压成壽函数关系星正偏反偏下均存在。反偏可作电容器使用：在低频和高频下都很重耍要使丁卜应使W心T（A3,反偏f）。c二qu2kT中性区中非平衡载流子电荷随外加电压的变化率；正负电荷在空间上是重叠的；与直流电流成线性关系.与直流偏压成指数关系f貝存在于正偏下；在PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少，也就可以不若虑了。在低频时很重要、在高频时可以忽略;要使应使（/扛正偏D，rhNPN结的瞬态PN结击穿雪崩击穿定义：在反向偏压下，流过pn结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。当反向偏压很大时，势垒

5、区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴受到强电场的漂移作角，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。(4)特点与掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，击穿电压越低0带隙大，电子跃迁所需要的能量就大，故载流子需要更高的能量才能便晶格原子电离A与半导体的禁带宽度有关化同样的掺杂浓度，禁带宽度大的半导体，击穿电压高随温度的升高而增加温度越大，载流子的平均自由程就小.即载流子还没有获得足够的动能就参与了碰撞，所以击穿电压大随温度的升高而增加温度越大，载流子的平均自由程就小.即载流子还没有获得足够的动能就参与了碰撞，所以击穿电压大（5）提高雪崩

6、击穿电压的方法/降低结两边的掺杂浓度，特别是低掺杂一侧的杂质浓度/外延层要足够厚/结要深（增大曲率半径，减小边角电场）/降低表面电荷（表面钝化）齐纳击穿（1）定义：隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。（2）特点齐纳击穿发生在两边重掺杂的pn结，其击穿电压较小（在V6Eg/q,齐纳过程对pn结击穿电流有明显的贡献，而当VB1时叮=入，故提高n可以提高电流增益提高电流放大系数的措施适当增大E区Gummel数GE适当减小NB减小基区宽度加强工艺控制2.4非理想特性（nonidealeffects）厄利效应（基区宽度调制效应）（EarlyEf

7、fect）定义：当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，空间荷区宽度Xmc也将发生变化，因而会引起有效基区宽度的相应变化，如图所示。这种由于外加电压引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽度调制效应影响：有效基区宽度变窄，Ic增加（根据B区少子浓度曲线斜率），同时B0增加厄利电压VA理想情况下VA趋近于负无穷影响因素：基区掺杂NB、基区宽度XB。降低两者均会使B0增大，而厄利效应严重Sah效应（E-B结空间电荷区复合）定义：发射结势垒区的复合电流IER使得IE增大，（根据定义）注射效率Y0降低影响：对IE、IB均有贡献，但对IC无贡献，故BO降低Webster效应（BaseConductanceMod

8、ulation/基区电导调制效应）基区大注入定义、影响：当VBE较大、注入电子时一基区中也有大量的空穴积累（并维持与电子相同的浓度梯度）,这相当于增加了基区的掺杂浓度,使基区电阻率下降基区电导调制效应一IEp增大一注射效率Y导调制效应一IEp增大一注射效率Y降低，B0下降注：是引起大电流BO下降的主要原因4.Kirk效应（BasePushOut/基区展宽效应）发射区大注入效应定义：在大电流时，基区发生展宽的现象过程B(n)(P)势垒区ilIIilililHHHII是小注入，是注入的电子正好中和集电区一边的正空间电荷影响：a.基区存储少子电荷增加b.B0下降c.频率特性变差（严重影响高频特性）措

9、施：提高NC、设定最大Ic等发射极电流集边效应使大注入加剧定义：发射极电流集中在发射极的边缘原因：基极电阻引起横向电压一E极输入电流密度由边缘至中央指数下降一IE将集中在发射结边缘附近影响：a.使发射结边缘处电流密度f,易产生边缘Webster效应及Kirk效应,B0下降b.局部过热c.影响功率特性措施：a.采用插指结构b.NB不能太低（降低基极电阻）发射区禁带变窄原因：E区重掺一禁带宽度变窄影响：发射结注入效率Y下降总结：BJT中的一些重要效应调变出现的条件出现的现象产生的影响减弱的措施3亲鬣豔豔砂调变出现的条件出现的现象产生的影响减弱的措施3亲鬣豔豔砂鹹降低）秋吓大硼診飜器熾勰馮集辺比：；

10、小工作电流速度均降低JH大L发射结注射效率降低速度均降低JH大L发射结注射效率降低（大电提高基流P降低）度;a截止频率fa定义：共基极短路电流放大系数下降到低频的3dB所对应的频率B截止频率fB定义：共发射极电流放大系数B下降到低频BO的3dB时所对应的频率特征频率fT定义：共发射极电流放大系数|B|=1时所对应的频率最高振荡频率fM定义：共发射极运用时，功率增益等于1时所对应的频率，此时晶体管的输出功率等于输入功率工工?=&锻哽N超耗县/7+H对卑位2.6共基极交流小信号a频率特性分析交流小信号电流传输过程卜IIeIII通过发射结iCTe为发射结势垒结电容分流电流基区输运阶段3=3+A/B+

11、tDeiCDe表示发射结扩散电容分流电流集电结势垒区渡越阶段通过集电区阶段fc41(4)yCTc丿;（羽）+心，为集电区衰减因子综上，交流小信号相比于直流，其多了E结势垒电容CTe的充放电电流、E结扩散电容CDe的充放电电流、集电结渡越时间中电流衰减、C结势垒电容CTc的充放电电流影响：使电流增益下降、使信号延迟产生相位差晶体管共基极高频等效电路3.共基极交流电流放大系数a及截止频率fa的定量分析丿;(兀)厶(&)几(XJ3.共基极交流电流放大系数a及截止频率fa的定量分析4Z/X)4(X)皿厂6基区输运系数aT和基区渡越时间Tb发射区注入效率Y和发射结电容充电时间Te2.7共射极交流小信号B

12、频率特性分析1.共发射极交流电流放大系数B和截止频率fB2.特征频率fT定义：共射组态下电流失去放大能力的频率表达式I川=.l2=In）1十（/厶门（KAA因为b所以frn久扌&=:2疋（陥+巧+J+4）咅二凤=丙=莎耳齐r与fa、fB的关系提高特征频率的有效途径减小基区宽度（Tb）减小结面积（Te、TC的电容）适当降低集电区电阻率及其厚度（降低rc提高tc，又不至于影响击穿电压,使功率特性差；降低Td）兼顾功率特性和频率特性的外延晶体管结构（npnn+）2.8基区串联电阻RB定义：基极电流IB经基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的压降，当做一个电阻产生，则其为基区串联电阻影响基区自偏压效

13、应导致的电流集边效应使输入阻抗增大在线路应用中形成反馈（影响晶体管的功率特性和频率特性）发射极电流集边效应与晶体管图形设计基区自偏压效应定义：大电流f较大IB流过基极电阻，产生较大横向压降f发射结正向偏置电压由边缘至中心逐渐减少，电流密度则由中心至边缘逐渐增大线电流密度：发射极单位周长电流容量提高线电流密度措施外延层电阻率选得低一些直流放大系数B0或fT尽量做得大些在允许的范围内适当提高集电结偏压及降低基区方块电阻BJT的击穿电压与外延参数确定穿通机理：随着收集结上反偏电压的不断增加，收集结空间电荷区扩展至整个基区穿通时的BC结电压丘nbnc+nb其意为：基极开路时击穿电压比真实的雪崩击穿电压

14、小，缩小的比例为n次开方B提高Vpt的方法提高WB、NB,与提高增益矛盾减小NC,与提高fT矛盾实际设计中令VptBVCBO,即防止C结雪崩击穿前先发生穿通外延结构晶体管特点同时满足击穿特性与频率特性（N+衬底降低rC）,较好解决矛盾BJT的安全工作区二次击穿以零偏为例：当电人到D点时集电结发生雪崩效应，晶体管电流上升到B点,经过一短暂的时间后，电圧将会突然减小到E点，同时电流急剧增大,如果没有适当的保护措施（限流措施八电渝将会继续增大，从而造成晶体永久性损伤口措施：加入肖特基钳位二极管肘严N箝位二极管的击穿电压低于buCB0在BC肘严N箝位二极管的击穿电压低于buCB0在BC结击穿之前，箝位

15、二极管先击穿，击穿电流从二极管流过，不会形成BC结的反偏击穿大电流NPN晶体管肖特基箝位晶体管2.12BJT的开关作用肯特起b饱和状态：饱和状态又分为临界饱和与深.饱和。集电结UBC=0的情况称为临界饱和；当集电结偏压UBC0时成为深饱和饱和深度S2.13BJT的开关过程分析1.提高开关速度途径内部：掺金，减少少子寿命，减少饱和时的超量存贮电荷减小结面积，降低发射极集电极结电容减小基区宽度，从而减小Qb，使基区少子浓度变化更快采用外延结构，降低饱和压降UCES外部：加大IB从而缩短td和tr,同时为了防止深饱和，选S=4加大反向IB考虑工作在临界饱和状态在UCC与IB一定时，选择较小的RL可使

16、晶体管不进入太深的饱和状态BC结并联肖特基二极管的优点晶体管进入饱和区时，BC结为正偏，于是肖特基二极管也变为正偏，由于其开启电压较小，大部分过剩的IB被分流走了，因此存储在B区和C区的过剩少子电荷大大减少2.14BJT的开关参数与模型0.E-M模型：可以描述两个结在不同工作状态下的情况，也就是可以应用于任何模式的晶体管1.EM-115（晶体管饱和电流）BF（正向电流放大系数）BR（反向电流放大系数NF（正向电流发射系数）EM-2串联电阻考虑3个电极的串联电阻，新增3个模型参数半RB.RE和RG势垒电容反偏情况下势垒电容的一般表达式为：尸j一共有3个参数。其中Cm是零偏势垒电容，与结面积以及工

17、艺有关卡“是势垒内建电势，与材料类型以及掺杂浓度有关卡呵是电容指数，与结两侧杂质分布情况有关。考虑由结势垒电容，新增3个模型参数：CTEO.开和皿。考虑珈结势垒电容，新增3个模型参数；CTCOVJ和、EK考虑衬底结势垒电容，新增3个模型参数：CTSO.YJS和在正偏条件下，势垒电容的表达式为：CJ=Cp)(l-Fc)-(l-Fc(l+nij)+mjV/VJ)又新增一个模型参数K(势垒电容正偏系数h扩散电容发射结扩散电容为：C/T/qdkT)新增模型参数：TF(正向渡越时间)集电结扩散电容为半C(lc=TR(qIEC/kT)新增模型参数：TR(反向渡越时间)因此，EM-2模型中新增15个模型参数

18、。EM-3考虑Early效应因此，考虑基区宽度调制效应，引进了两个新的模型参数VA（正向Early电压）和B仮向Edriy电压）。新增两个考虑小电流下势垒复合与基区表面复合为此，引入下述基区复合电流项描述bE结的影响；h（复合）=L=ISEexP（qVb./NekT）-l对权结，采用同样方法，引入又一项基区复合电流:I4=IscIexp（qVhr/NckT）-l相当于等效电路中1已增加两个电流分量口ISE（发射结漏饱和电流）ISC（集电结漏饱和电流）NE（发射结漏电流发射系数）N（集电结漏电流发射系数）新增四个考虑大注入效应呵0阳订）-1/1+（1心呵（qV胡2kT）IKF：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流IKR：大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流新增两个考虑Ki