《工程学概论》半导体器件物理基础03.ppt

第四章 半导体器件物理基础 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 Institute of Microelectronics PKU 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 N P 空间电荷区XM 空间电荷区－耗尽层 XN XP 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(相等)，形成自建场和自建势 自建场和自建势 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Vbi~0.7V(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 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 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. 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 +Q -Q E d + - V 面积A 电容C定义为： Q V C＝斜率 直流和交流时均成立 交流电容 交流电容C定义为： +Q -Q E d + - V 面积A +?Q -?Q ?V Q V C（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： Cideal Rp RS 半导体中的电容通常是交流电容 例如：