《工程学概论》半导体器件物理基础

1、第四章 半导体器件物理基础上一章课的主要内容半导体、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、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合据统计：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 超晶格半导体器件物理基础4-1 PN结二极管PN结二极管的结构1.PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子2. 平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相

2、等)，形成自建场和自建势自建场和自建势费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央自建势Vbi费米能级平直平衡时的能带结构正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程4.PN结的反向特性N区P区 空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散5.PN结的特性单向导电性：正

3、向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压Vrb6. PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7. PN结电容 4.2 双极晶体管1. 双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流晶体管的直流特性共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区4. 晶体管的特性参数4.1 晶体管的电流增益（放大系数共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 两者的关系共发射极直流放大系数交流

4、放大系数0、 4. 晶体管的特性参数4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一4. 晶体管的特性参数 （续）4.3 晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一4. 晶体管的特性参数(续)4.4 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5. BJT的特点优点

5、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开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导缺点：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开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极 4.3 MOS场效应晶体管 MOS电容结构

6、 MOSFET 器件1. MOS 电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC斜率直流和交流时均成立交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V未加偏压时的MOS结构MOS 电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图 功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲 平带电压平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型MOS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）转移特性曲线提取