工程学概论半导体器件物理基础.ppt

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,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(相等)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,费

2、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,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,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： 正向偏置 反向偏置,正

3、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Vrb,6. 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,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,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放大系数0、 ,4.

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,BVcbo Bvceo BVebo,BVeeo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.

5、 BJT的特点,优点,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,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

6、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 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,电容C定义为：,直流和交流时均成立,交流电容,交流电容C定义为：,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：,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,+,-,V,P+,N,xd,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 （