《微电子学概论》02-半导体物理和器件物理基础.ppt

1、第二章 半导体物理和器件物理基础,半导体物理和器件物理基础,半导体及其基本特性 半导体中的载流子 半导体的载流子输运 PN节与二极管 BJT双极晶体管 MOS场效应晶体管,固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1,什么是半导体？,从导电特性和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制,原子结合形式：共价键 晶体结构： 构 成 一 个正四面体，具有金刚石晶体结构,1、半导体的结构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP

2、、ZnS,2. 半导体中的载流子,本征半导体：n=p=ni,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙),量子态和能级 固体的能带结构,原子能级 能带,共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态,原 子 能 级,反 成 键 态,成 键 态,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价

3、带顶之间的能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,4.半导体的掺杂,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关,5. 本征载流子,本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子,载流子浓度：,电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p,6. 非本征半导体的载流子,在非

4、本征情形:,热平衡时:,N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n,多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子,7. 电中性条件: 正负电荷之和为0,p + Nd n Na = 0,施主和受主可以相互补偿,p = n + Na Nd n = p + Nd Na,n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na,8. 过剩载流子,由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过

5、程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合,9. 载流子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力,载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动,引 入 迁 移 率 的 概 念,影 响 迁 移 率 的 因 素,影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射,体现在：温度和 掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射,扩散电流,电子扩散电流：,空穴扩散电流：,爱因斯坦关系:,载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动,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

6、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,1. PN结的形成,2. 平衡的PN结：没有外加偏压,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,3.正向偏置的PN结,正向偏置时，扩散大于漂移,正向电流,N,P,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,反向电流,反向偏置时，漂移大于扩散,N,P,5. PN结的特性,单向导电性： 正向导通 反向截至,6. PN结的击穿,雪崩击穿,隧道击穿,反向击穿电压Vrb,7. PN结电容,8. 二极管的特性参数,正向压降 VF,正向电流 IF

7、,击穿电压 VBR,反向（漏）电流 IR,结电容 CD,反向恢复时间 trr,二极管特性参数的应用,正向电压 VF,正向电流 IF,击穿电压 VBR,A,B,C,1.0,0.72,0.8,5,1,3,30,40,80,现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。,双极晶体管,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,双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,NPN,c

8、,b,e,c,b,e,PNP,NPN晶体管工作时的偏置情况,NPN晶体管的电流输运机制,正常工作时的载流子输运,相应的载流子分布,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,NPN晶体管的几种组态,共基极 共发射极 共收集极,晶体管的直流特性,1.共发射极的直流特性曲线,晶体管的直流特性,1.共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,2.共基极的直流特性曲线,晶体管的直流特性,2.共基极的直流特性曲线,晶体管的直流特性,晶体管的特性参数,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放大系数0、 ,2.晶体

9、管的反向漏电流,Icbo：发射极开路时， 收集结的反向漏电流,晶体管的特性参数,2.晶体管的反向漏电流,Iebo：收集极开路时， 发射结的反向漏电流,晶体管的特性参数,2.晶体管的反向漏电流,Iceo ：基极极开路时， 收集极发射极的 反向漏电流,晶体管的特性参数,3.晶体管的击穿电压,BVcbo,晶体管的特性参数,3.晶体管的击穿电压,Bvceo,晶体管的特性参数,3.晶体管的击穿电压,BVebo,晶体管的特性参数,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：

10、功率增益为1时对应的频率,晶体管的特性参数,BJT晶体管的特点,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,优点：,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,优点：,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

11、的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,MOS场效应晶体管,MOS晶体管的结构,衬底B 源极S 漏极D 栅氧化层 栅极G 沟道长度L 沟道宽度W,“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”,MOS管的MIS结构,“金属-绝缘层-半导体（MIS）结构”,反型层的形成,表面空间电荷区 反型层 阈值电压 N沟道,弱反型,强反型,P沟道,MOSFET的偏置,截止 导通 开启电压,MOSFET的电流-电压关系,线性区 饱和区 击穿区 亚阈区,衬底偏置效应,MOSFET的直流特性,MOSFET的直流特性,MOSFET的分类,增强型nMOS 耗尽型nMOS 增强型pMOS 耗尽型pMOS,MOSFET的分类,增强型nMOS 耗尽型nMOS 增强型pMOS 耗尽型pMOS,MOS电容,反型电荷Qi 耗尽区体电荷QB 栅极电荷QG CGB，CGD，CGS PN结电荷,重点,半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴 掺杂、施主、受主、N型半导体、P型半导体 多子、少子 产生、复合、扩散、漂移 载流子浓度的热平衡条件与电中性条件 PN结的形成及工作原理，二极管的特性参数 双极晶体管的工作原理、直流特性与特性参数 MOSFET的结构、工作原理、