微电子概论与前沿技术 课件 第3章　半导体器件基础

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Microelectronics微电子概论与新进展半导体器件基础篇目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍双极晶体管金半接触MOSFETPN结与金半接触PN结定义与参数金半接触理论肖特基二极管与PN结二极管基本结构工作原理非理想效应MOS电容能带MOSFET分类非理想效应双极晶体管MOSFET掌握知识：PN结和金-半接触基本知识掌握知识：双极晶体管基本结构、参数与特性掌握知识：金属-氧化物-半导体基本结构、参数与特性PN结目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5PN结定义二、PN结PN结：由P型半导体和N型半导体直接接触形成的界面结构空间电荷：在PN结形成后，交界处出现了电子和空穴浓度差。由于扩散作用，电子从N区流向P区，留下带正电荷的施主离子，空穴从P区流向N区，留下带负电荷的受主离子，称为空间电荷空间电荷区：空间电荷存在的区域称为空间电荷区，也叫耗尽层，空间电荷区会形成一个内建电场在PN结形成后，电子从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，因此N区费米能级不断下移空穴从费米能级低的P区流向费米能级高的N区，因此P区费米能级不断上移两者在中间相接，PN结达到热平衡状态（漂移和扩散动态平衡）中性区空间电荷区中性区v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6PN结参数计算二、PN结能带的弯曲是由费米能级差引起的，因此N区/P区电子浓度的计算公式由上式可计算在平衡状态下，考虑N区电子浓度为nn0=ND，P区浓度pp0=NA，有因此，最终内建电势差为PN结空间电荷区内泊松方程可表示为其中，xn和xp为空间电荷区N区和P区边界平衡状态下，根据电荷守恒

且空间电荷区宽度W为

内建电场分布电势分布v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景7PN结参数计算二、PN结对空间电荷区泊松方程进行推导，可得平衡状态下PN空间电荷区电场分布为最大电场强度为内建电场分布电势分布单边突变结：PN结一侧的掺杂浓度远高于另一侧，对于P+N单边突变结，NA>>ND，对于PN+单边突变结ND>>NA对于P+N结，最大电场

空间电荷区宽度为

接触电势差为对于PN+结，最大电场

空间电荷区宽度为

接触电势差为平衡状态PN结接触电势差为空间电荷区宽度为v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8PN结伏安特性二、PN结

理想PN结伏安特性需要满足以下假设条件：小注入：注入的少子浓度比平衡状态的多子浓度小得多耗尽层近似：空间电荷区载流子全部耗尽，只存在离化杂质不考虑耗尽层中载流子产生与复合耗尽层边界载流子浓度分布满足玻尔兹曼分布伏安特性曲线对数坐标理想PN结伏安特性满足Is为PN结饱和电流若外加电压Va正偏，且qVa>>k0T时

此时电流随电压成指数增加若外加电压Va反偏

此时反向电流近似为常数，不随电压变化，呈饱和状态，这就是PN结的单向导电性v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景9非平衡状态下的PN结二、PN结对PN结外加正向电压V后，内建电场强度削弱，势垒高度从平衡时qVeqd下降为q(Veqd-V)外加正向电压增强了扩散运动，减弱了漂移运动，使得扩散电流大于漂移电流。扩散运动导致P/N区内部多子向对方区域扩散，形成对方区域的非平衡少子，这种外加正向电压使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入对PN结外加反向电压V后，内建电场强度增强，势垒高度从平衡时qVeqd下降为q(Veqd+V)外加反向电压增强了漂移运动，减弱了扩散运动，使得漂移电流大于扩散电流。漂移运动导致P/N区内部多子向己方区域扩散，这种情况就像少子不断地被抽出来，所以也被称为少子的抽取或吸出正偏PN结能带变化图反偏PN结能带变化图正偏电流分布v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10非平衡状态PN参数计算二、PN结平衡态时空间电荷区宽度为

非平衡态时对于P+N结，空间电荷区宽度为

对于PN+结，空间电荷区宽度为空间电荷区单位面积总电荷量为

所以代入上式后

对电压微分，得到势垒电容C若为单边突变结，则空间电荷区电容

其中NB为单边突变结轻掺杂一测浓度v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景11PN结的击穿二、PN结PN结击穿雪崩击穿（电击穿）隧道击穿（电击穿）热击穿PN结击穿曲线整流效应：PN结正向偏置导通，反向偏置截止的特性称为整流效应击穿：持续增加反偏电压，会导致PN反向电流密度会迅速变大击穿电压：PN结发生击穿时的临界反向电压，记作VBR当反向电压足够高时，耗尽层内的少子被强电场加速，获得足够动能撞击晶格原子，产生新的电子-空穴对。这些新载流子又被加速并继续碰撞，形成链式反应，导致反向电流雪崩式增长，也称为载流子的倍增效应载流子的倍增效应载流子的隧道击穿当PN结在反向电压下产生的大量电子会从价带穿过禁带直接进入导带，这种现象称为PN结的隧道效应，由隧道效应引起的PN结击穿称为隧道击穿，也称齐纳击穿掺杂浓度适中时，主要为雪崩击穿；掺杂浓度较高时，空间电荷区宽度较窄，反向电压较小会发生隧道击穿v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12PN结应用二、PN结PN结应用二极管光电池传感器整流二极管：利用PN结单向导电性，用于将交流电转化为直流电的半导体器件稳压二极管：利用PN结反向击穿时电压稳定不变特性的半导体器件，用于电路稳压变容二极管：利用PN结电容大小随外加电压变化的特性制成的半导体器件，反向电压增大时结电容减小，反之则结电容增大，用于调谐、调频、调相发光二极管：将电能直接转化为光能的半导体器件，也称LED，用于照明、显示光电二极管：将光能直接转化为电能的半导体器件，用于光探测、光通讯二极管光电池太阳能电池：利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，用于航天工业、日常等各类电源光伏效应：当光照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，使电子发生了跃迁，成为自由电子，并在PN结两侧集聚，形成了光生电压传感器太阳能电池：利用PN结特性变化来检测环境参数（如温度、光强、磁场、压力等）的半导体器件，用于各类信号检测按照功能可以分为：温度传感器、光电传感器、霍尔传感器、压阻传感器等目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14金半接触能带图三、金半接触N型半导体功函数金属功函数功函数：处于费米能级上的电子跃迁到真空能级上所需的能量金属功函数

半导体功函数电子亲和能：真空能级和导带底能级的差值金-半接触前N型阻挡层当金属与N型半导体接触时，若Wm>Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向上弯曲（失去电子）半导体一侧势垒高度金属一侧势垒高度v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15金半接触能带图三、金半接触N型反阻挡层当金属与N型半导体接触时，若Wm<Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向下弯曲（获得电子）当金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向下弯曲（释放空穴）P型阻挡层P型反阻挡层当金属与P型半导体接触时，若Wm>Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向上弯曲（获得空穴）条件金属-N型半导体金属-P型半导体Wm>WsN型阻挡层N型反阻挡层Wm<WsP型反阻挡层P型阻挡层v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16肖特基势垒三、金半接触肖特基势垒：金属与半导体接触时，半导体一侧的能带弯曲形成的载流子输运势垒金属外加正偏电压后，导致半导体流入金属电子数量增多，能带弯曲程度减小，金属外加反偏电压后，半导体流入金属电子数降低，能带弯曲程度增加正偏下肖特基势垒反偏下肖特基势垒从理论计算认为，同一种材料的肖特基势垒和金属功函数相关，但是实际情况金属功函数对肖特基势垒的影响不大，这是由于在实际的肖特基二极管中，在界面处晶格的断裂会产生大量能量状态，称为界面态或表面态当界面态密度很大时，只要费米能级高于qΦ0，界面态会积累大量负电荷，当能带弯曲到一定程度时，费米能级就会与界面态重合，这时表面费米能级就会被钉扎在某一与金属无关的位置上平衡状态高界面态v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17金-半接触整流理论三、金半接触N型半导体空间电荷区金-半接触伏安特性曲线厚阻挡层：对于N型阻挡层，当空间电荷区宽度比电子的平均自由程大很多时，电子在跨越空间电荷区时会发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层厚阻挡层满足扩散理论，电流密度类似二极管整流特性当V>0时，且qV>>k0T，有当V<0时，且|qV|>>k0T，有J=-JsD,JsD称为反向饱和电流当N型阻挡层很薄时，电子的平均自由程远大于势垒高度，扩散理论不再适用，电流的大小主要取决于势垒高度，电流包括从半导体内部跨越势垒流入金属形成的电流和从金属流入半导体的电流，称为热电子发射总电流密度为金半整流扩散理论热电子发射理论v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18肖特基二极管与PN结二极管三、金半接触肖特基二极管PN结二极管工作频率开关速度主要为多子输运，速度快存在少子存储，速度慢反向饱和电流正向导通电压多子电流为主，反向电流大正向导通电压更小少子电流为主，反向电流小正向导通电压更大肖特基接触：当金属与半导体接触时，若界面处形成显著的肖特基势垒（SchottkyBarrier），导致载流子（电子或空穴）的输运受势垒高度限制，表现出非线性电流-电压特性（整流效应），这种接触称为肖特基接触欧姆接触：金属与半导体接触时，界面处无显著势垒，载流子可自由通过，电流-电压关系呈线性（低电阻），且接触电阻远小于半导体体电阻，这种接触称为欧姆接触重掺杂的半导体，空间电荷区宽度窄，可以通过隧道效应形成很小的接触电阻，因此当半导体重掺杂时，与金属可以形成接近理想的欧姆接触目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景20基本结构四、双极晶体管BJT结构示意图和电路符号图双极晶体管：一种利用电子和空穴两种载流子（双极）参与导电的三端半导体器件，简称BJTBJT包括发射区、基区和集电区，发射区和基区构成的PN结称为发射结，基区和集电区构成的结称为集电结发射区和集电区的掺杂浓度相同，和基区的掺杂浓度相反，主要分为NPN和PNP两种类型在电路符号中，字母E代表发射极、字母B代表基极、字母C代表集电极，电流从B流向E称为NPN型；电流从E流向B称为PNP型理想情况，发射区浓度远高于基区浓度，基区掺杂浓度均匀分布，电流限制在小注入状态实际的BJT是一个N+PNN+结构，基区是N型外延层上经过P型扩散层形成，发射区是在基区上二次扩散形成，集电极从衬底N+引出硅平面NPN型BJT结构图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景21BJT工作原理四、双极晶体管VBEVBC0放大模式：发射结正偏集电结反偏饱和模式：发射结正偏集电结正偏截止模式：发射结反偏集电结反偏反向放大模式：发射结反偏集电结正偏共基极BJT在放大模式下工作电路图BJT主要作为放大管使用，因此多工作在放大模式，即VBC<0、VBE>0VBE>0时，发射区电子注入基区；VBC<0时，注入到基区的电子会在电场作用下运动到集电区，这个时候需要把基区做的很薄，防止在电子在基区被复合NPN型BJT放大模式工作电流InE为从发射区注入基区的电子流InC为从发射区注入基区的电子到达集电区的电子流InE-InC为从发射区注入基区的电子通过基区被复合引起的复合流IpE为从基区注入发射区的空穴流IRE为从发射结空间电荷区复合流ICO为从集电结反向电流v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景22BJT工作原理四、双极晶体管发射极注入效率γ：从发射区注入基区的电子电流在发射极总电流中所占的比例，基区输运因子βT：从发射区注入基区的电子能够到达集电区所占的比例共基极直流电流增益α：到达集电区的电子流在整个发射极电流中所占的比例放大模式下，集电极电流可以表示为共基极BJT伏安特性当发射结正偏，集电结正偏（饱和模式），集电结正偏时向发射区注入的电子和空穴扩散电流方向与发射极扩散电流方向相反，有v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景23BJT工作原理与非理想效应四、双极晶体管共发射极BJT连接示意图共发射极BJT伏安特性BJT也可以通过共发射极连接，此时可求解集电极电流，即式中，hFE为共发射极直流电流增益，ICEO为基极开路时集电极与发射极之间电流，也称为漏电流或穿透电流非理想效应发射区禁带宽度减小基区缓变效应基区扩展电阻和电流拥挤效应基区宽度调制效应发射区禁带宽度减小：发射极重掺杂较大达到简并状态，发射极禁带宽度减小会影响BJT的共发射极电流增益基区缓变效应：实际工艺中基区掺杂浓度并不是均匀的，而是缓慢变化的。基区不均匀掺杂会引入内建电场，发射区注入的电子会在内建电场作用下向集电极漂移基区扩展电阻和电流拥挤效应：由于基区掺杂较低，会存在体电阻，以及基区与发射区接触的边缘电阻，从而降低发射结净电压VBE，在边缘处产生更高的电流基区宽度调制效应：BJT在放大模式下，I-V特性中电流斜率为0，实际上IC会随着VCE增大而增大，这种效应称为基区宽度调制效应，也叫厄利效应v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景24BJT的频率响应四、双极晶体管BJT小信号增益简图低频下，直流电流增益和频率无关，但是高频下放大能力和频率相关，称为BJT的频率响应。共基极交流小信号电流增益为

共射极电流增益为交流小信号电流增益用分贝dB表示，即共基极截止频率wα：α大小下降为0.707α0时的频率（下降3dB）共发射极截止频率wβ：hfe下降为0.707hFE时的频率（下降3dB）增益带宽积（特征频率）wT：共发射极小信号直流增益hfe的模量为1时的频率由于

因此共发射极截止频率远低于共基极截止频率又因为

，因此增益带宽积接近wα目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景26MOS管基本结构五、金属-氧化物-半导体晶体管MOS管由金属-氧化层（绝缘层）-半导体堆叠而成，在金属和半导体上施加电压降后，金属-氧化物交界处和半导体-氧化物交界处会出现电荷堆积，此结构和电容器充电结构类似，因此也称为MOS电容MOS电容状态多子积累状态少子反型状态多子耗尽状态对于P型半导体MOS，当金半电压VG<0时，P型半导体中多子（空穴）会在电场作用下向界面聚集，此状态称为多子堆积表面势：半导体表面与体内的电势差VS，在堆积时Vs<0，表面能带向上弯曲MOS电容结构图MOS多子堆积状态多子堆积能带图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景27MOS管状态五、金属-氧化物-半导体晶体管当金半电压VG>0时，P型半导体中多子（空穴）会被推离界面，此状态称为多子耗尽在耗尽时Vs>0，表面能带向下弯曲注意，表面能带从向上弯曲到向下弯曲，有一个水平的过度态，此状态称为平带状态在多子耗尽状态，继续增大VG，不但导致更多的多子（空穴）被推离界面，还会吸引少量少子（电子）在界面处聚集，此状态称为少子反型从能带角度而言，表面能带进一步向下弯曲，最终表面费米能级EF高于禁带中线EiMOS多子耗尽状态多子耗尽能带图少子反型能带图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景28MOS管相关参数五、金属-氧化物-半导体晶体管多子耗尽能带图半导体-氧化物界面出现空间电荷区，宽度为费米势：半导体内部费米能级与本征费米能级之差在多子耗尽时，Vs<φfp，半导体表面仍为P型；但是在少子反型后，Vs>φfp，半导体表面呈现N型半导体特性阈值反型点：半导体表面从耗尽转变为反型的临界点，即Vs=2φfp阈值电压：达到阈值反型点的栅压VG，达到阈值反型点后，微小的电压变化会产生大量的载流子，此时空间电荷区达到最大值少子反型能带图金属半导体功函数差的定义式为

其中φm`为修正金属功函数，χ`为修正电子亲和能满足半导体平带状态的电压为平带电压

其中Qss`为栅氧化层等价陷阱电荷v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景29MOS管相关参数五、金属-氧化物-半导体晶体管达到阈值反型点的PMOS和NMOS管能带图达到阈值反型点的PMOS电荷分布图以PMOS为例，达到阈值反型点的空间电荷区宽度为xdT，此时金属-半导体交接处正电荷为QmT`，单位面积栅氧化层等价电荷为Qss`，由电荷守恒定律栅压计算公式为代入

有整理得到阈值电压计算公式为由根据平带电压公式可以得到阈值电压和平带电压关系v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景30MOSFET分类五、金属-氧化物-半导体晶体管增强型NMOSFET器件结构和电路图耗尽型NMOSFET器件结构和电路图MOSFET是一种利用电场效应控制电流的半导体器件，由源极S、漏极D、栅极G和衬底B构成，其核心是MOS电容MOSFET按照导电条件和沟道极性可以分为N沟道增强型\P沟道增强型\N沟道耗尽型\P沟道耗尽型N沟道MOSFET：反型层导电沟道为N型P沟道MOSFET：反型层导电沟道为P型增强型：在零栅压时无反型导电沟道形成，需要对其施加栅压才能形成反型导电沟道耗尽型：在零栅压时有反型导电沟道形成，需要对其施加栅压才能关闭反型导电沟道增强型PMOSFET器件结构和电路图耗尽型PMOSFET器件结构和电路图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景31MOSFET工作原理五、金属-氧化物-半导体晶体管导电沟道关闭和打开时的增强型NMOSFET结构示意图对于P型衬底的增强型NMOSFET，当Vg<Vth时，漏极和衬底间的PN结反偏，因此漏电流为0当Vg>Vth时，金属栅和P型衬底形成N型反型层，源漏导通，产生源漏电流转移曲线：描述源漏电流ID和栅源电压VGS的关系，用于确定阈值电压Vth和跨导gm输出曲线：描述源漏电流ID和源漏电压VDS的关系

其中沟道电导gd为当VDS较小时，ID和VDS呈线性关系，进入线性区继续增大VDS后，漏极附近氧化层压降降低，导电沟道变