微电子与集成电路设计导论 第三章 半导体器件物理基础.pptx

微电子与集成电路设计导论;本节内容_ p-n结;图3.1.1 （a）PN结的简化结构图； （b）理想均匀掺杂PN结的掺杂剖面; 当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧。; 对个别的带电载流子而言，电场的方向和扩散电流的方向相反．图下方显示，空穴扩散电流由左至右流动，而空穴漂移电流因为电场的关系由右至左移动．电子扩散电流由右至左流动，而电子漂移电流移动的方向刚好相反．应注意由于带负电之??，电子由右至左扩散，恰与电流方向相反。;图3.1.3 平衡状态下的PN结;半导体的总电荷中性要求p侧每单位面积总负空间电荷必须精确地和n侧每单位面积总正空间电荷相同： ;其中Em是存在x＝0处的最大电场;;图3.1.3 平衡状态下的PN结; p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘．p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。 ;图3.1.4 平衡PN结的能带图;图3.1.5 PN结加正向电压;图3.1.6 PN结加反向电压;;p-n结最重要的特性是整流性，即只容许电流流经单一方向。右图为一典型硅p-n结的电流-电压的特性。;; 工作温度对器件特性有很大的影响．在正向和反向偏压情况之下，扩散和复合-产生电流的大小和温度有强烈的关系．;; 对于深扩散或高能离子注入的p-n结，杂质浓度分布可以被近似成线性缓变结，亦即浓度分布在结区呈线性变化。这样的p-n结称为线性缓变结，如图。; 热平衡的状态下，线性缓变结耗尽区的杂质分布如图(a)所示。泊松方程式在此为 ;在x=0处的最大电场为 ;单位面积耗尽层势垒电容定义为:;图3.1.8 势垒电容CB随V的变化特性;;;图3.1.11 横向扩散引起的拐角处电场集中示意图 ;;; PN结的应用;本节内容_BJT;3.2 双极型晶体管;双极型晶体管(bipolar transistor)的结构;图3.2.3 双极型晶体管结构;图3.2.4 双极晶体管实际结构和杂质分布;3.2.2 晶体管的电流放大原理;2．晶体管的电流分配关系;3.2.3 晶体管中载流子浓度分布;图3.2.9 放大状态下晶体管的能带图及载流子浓度分布图;图3.2.10 截止状态下晶体管的能带图及载流子浓度分布图;3.2.4 晶体管的伏安特性曲线;图3.2.12 共基极输入特性曲线图 ;图3.2.13 共基极直流特性输出曲线图;图3.2.17 发射极实际测量的输出特性曲线 ;3.2.5 晶体管的频率特性;2. 晶体管频率特性参数;3.2.6 晶体管的大电流特性;图3.2.20 不同注入水准时的基区少子分布;图3.2.21 基区扩展效应示意图;图3.2.22 电流集边效应示意图;本节内容_MOSFET;图3.3.1 场效应晶体管的分类;3.3.1 N沟道增强型MOSFET的器件结构;类型;3.3.2 N沟道增强型MOSFET的能带图;图3.3.4 积累时能带图及电荷分布 ;图3.3.5 耗尽时能带图及电荷分布;图3.3.6 反型时能带图及电荷分布;;VG=VOX+φS 而氧化层电压VOX为 ;图3.3.8 MOS电容能带图;图3.3.9 氧化层中的电荷;为此，引入平带电压VFB来描述功函数差和绝缘层中电荷的影响：;3.3.3 工作原理;图3.3.11 VDS对沟道夹断的影响;3.3.4 特性曲线;2. 输出特性;图3.3.14 沟道长度调制效应 ;3.3.5 N沟道耗尽型MOSFET;3.3.6 P沟道MOS管及对比;表3.3.1 不同类型MOSFET特性比较;3.3.7 MOS功率场效应晶体管;本节内容_JFET;3.4.1 JFET的基本结构;3.4.2 JFET的工作原理;图3.4.3 VDS对导电沟道的影响 ;3.4.3 JFET的输出特性曲线;图3.4.5 JFET的有效沟道和夹断区 ;3.5 MESFET的基本结构和工作原理