现代电子线路02半导体性质.ppt

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1、2023/8/20,School of Physics,第二章 No.1,第二章：半导体器件的特性,本章内容：2.1半导体基本知识2.2PN结及二极管2.3双极型晶体管,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.2,2.1半导体基本知识,一、什么是半导体（semiconductors）,根据物体导电能力（电阻率）的不同，可以将物体分为导体(conductor)、绝缘体(insulator)和半导体。,硅、锗,纯水,硬玻璃,橡胶,云母,石英,绝缘体,半导体,导体,半导体的电阻率介于10-3106之间。,2023/8/20,School of Physics,第二章 N

2、o.3,半导体的导电机制不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点：,1、当受外界热和光的作用时，半导体的导电能力将发生显著变化；（光敏电阻、热敏电阻）,常见的半导体有：硅、锗、-族化合物（如GaN、GaAs）、-族化合物（如一些硫化物和氧化物）等，目前，硅半导体制品约占整个半导体市场的95%。,2、在纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，其导电能力会有显著的增加。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.4,二、共价键（covalent bond）结构,以最常见的半导体硅和锗为例，它们的最外层电子（即价电子，valence electron）都是四个。,价电子,

3、1、本征半导体（intrinsic semiconductor）,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.5,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,在硅和锗的本征半导体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,共价键共用电子对,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键内的两个电子称为束缚电子（bonded electron）。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.6,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,共价键正四面体，

4、键之间的夹角10928：每个原子处于四面体中心，而有四个其它原子位于四面体的顶点。,空间利用率约34，杂质粒子很容易在晶体内运动并存在于体内，且为替位杂质的扩散运动也提供了足够的条件。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.7,在绝对零度（即T=0K）和无外界激发（光照、电磁辐射）时，共价键中的价电子被束缚，在本征半导体内没有可以自由运动的带电粒子载流子（carrier），此时半导体相当于绝缘体。,束缚电子,自由电子,空穴,在室温（300K）下，由于热激发，会使一些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子（free electron），这种现象称为本

5、征激发（intrinsic excitation）。,价电子成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴（hole）。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,在本征半导体内，自由电子与空穴总是成对出现的（称为电子空穴对）。因此，在任何时刻，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.8,本征半导体的导电（电子空穴对导电）,半导体导电的特殊性：两种载流子参与导电。,外电场E,自由电子导电：形成电子电流,空穴导电：形成空穴电流,自由电子电流和空穴电流之和为半导体中的电流（符号相反，电流方向相同）。,空穴（可看作

6、带正电的粒子）的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.9,本征半导体载流子浓度：,电子浓度,空穴浓度,式中，A为与材料有关的系数，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数，EG为禁带宽度（eV），表示热力学零度时挣脱共价键所需要的能量。,T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度为：,本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低（本征硅的原子浓度为51022/cm3），所以总的来说导电能力很差（电阻率为104cm）。,本征载流子的浓度对温度十分敏感。而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。,negative,p

7、ositive,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.10,2、掺杂半导体（doped semiconductor）,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子（电子，空穴）浓度大大增加。,为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。,N型半导体：掺入五价杂质元素（如磷、锑），主要载流子为电子，也称作电子型半导体；,P型半导体：掺入三价杂质元素（如硼、铟），主要载流子为空穴，也称作空穴型半导体。,2023/8/20,School of Physics,第二章

8、No.11,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），取代晶体点阵中的某些半导体原子，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易被激发而形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子（majority carrier），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（minority carrier）,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为不能移动的正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质（donor impurities）。,多余电子,N型半导体表示法,2023/8/20,School of Phys

9、ics,第二章 No.12,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素硼（或铟），取代晶体点阵中的某些半导体原子，硼原子的最外层只有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时会产生一个空穴，这个空穴很容易吸引周围的束缚电子来填充而在其它半导体原子处产生一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子,由热激发形成。,得到束缚电子的三价杂质原子因带负电荷而成为不能移动的负离子，因此三价杂质原子也称为受主杂质（acceptor impurities）。,空穴,P型半导体表示法,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.13,P型半

10、导体,N型半导体,一般掺杂浓度为1014/cm31018/cm3，常温下这些粒子都会激发出载流子，即半导体中载流子浓度等于杂质粒子浓度（远大于本征半导体载流子浓度1010/cm3），因此，掺杂可以大大增强半导体的导电能力。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.14,一、PN结（PN junction）,1、PN结的形成,在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时，在N型半导体和P型半导体的结合面附近，由于多数载流子的相互扩散并且相互结合，会形成一个很薄（nmm）的由不能移动的带电离子组成的空间电荷区（space charge

11、 region），称之为PN结。在这个区域中没有载流子，所以又称之为耗尽层（depletion layer），电阻率非常高。,2.2PN结及二极管,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.15,P型半导体,N型半导体,（由载流子浓度差引起）,PN结处的载流子运动,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.16,P型半导体,N型半导体,（由内电场引起）,PN结处的载流子运动,扩散运动的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，内电场越大。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,2023/8/20,School of P

12、hysics,第二章 No.17,P型半导体,N型半导体,PN结处的载流子运动,扩散和漂移这一对相反的运动最终将达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，即空间电荷区的厚度固定不变。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.18,2、PN结的单向导电性（unilateral conductivity）,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压（forward bias），简称正偏；反之称为加反向电压（reverse bias），简称反偏。,E,R,N区,P区,内电场,外电场,(1)PN结正向偏置,正向电流,PN结正偏时，外加电场与内电场方向相

13、反，抵消内电场的作用，使得PN结变薄。此时，扩散运动将大于漂移运动，从而产生扩散电流。,扩散电流由多数载流子形成，所以电流较大。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.19,E,R,N区,P区,内电场,外电场,(2)PN结反向偏置,PN结反偏时，外加电场与内电场方向相同，使得PN结变厚。此时，扩散运动将趋于停止，PN结内存在少量漂移运动，从而产生漂移电流。,漂移电流由少数载流子形成，所以电流很小。,反向电流,PN结的单向导电性：,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,2023/8/20

14、,School of Physics,第二章 No.20,(3)PN结的伏安特性（V-A characteristics）,u,i,0,(V),(mA),0.5,1,0.5,1,-0.5,-1,PN结的伏安特性：,式中Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量，即,k为波耳兹曼常数，q为电子电量,反向饱和电流 Is：反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子数量很少，即使全部参与导电，也只能产生一个微弱的电流（A量级），即反向饱和电流。,（voltage-equivalent of temperature）,（reverse saturation current）,2023/8/20,Schoo

15、l of Physics,第二章 No.21,3、PN结的反向击穿（reverse breakdown）,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，这种现象称为PN结的反向击穿。此时的电压称为反向击穿电压UBR。,热击穿：不可逆过程，即过热烧毁；,电击穿：可逆过程，能加以利用（如稳压管）。,雪崩击穿：多发生于掺杂浓度低，PN结厚的情形，所需反向击穿电压较大，电子在运动时能获得较大动能，当与原子发生碰撞时能激发出电子空穴对，从而达到倍增效应；,齐纳击穿：多发生于掺杂浓度高，PN结薄的情形，PN结处的强电场能破坏共价键而把电子分离出来形成电子空穴对。,（avalanche brea

16、kdown）,（Zener breakdown）,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.22,4、PN结的电容效应,(1)势垒电容CB,PN结反偏时，当外加电压变化时，PN结厚度相应改变，即在耗尽层中的空间电荷数发生变化，从而形成电容效应，称为势垒电容。,势垒电容类似于平行板电容器。,结面积,PN结宽度,反向偏置的PN结常被当作压控可变电容器使用。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,E,R,N区,P区,（capacitance effect）,（barrier capacitance）,2023/8/20,School of Physics,第二章

17、 No.23,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,E,R,N区,P区,x,nNp,nPn,(2)扩散电容CD,电流,PN结正偏时，随着多子的扩散运动，在另一区将形成浓度梯度，相当于电荷的积累。当外加电压变化时，浓度梯度将发生变化，即积累的电荷量发生变化，从而形成电容效应，称为扩散电容。,PN结电容为两者之和，即,一般的，CJ为pf 量级。,（diffusion capacitance）,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.24,1、结构工艺,在PN结上加上引线和封装，就成为一个晶体二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点

18、接触型二极管,含镓的金属触丝压在锗晶体上，在正方向通过很大的瞬间电流，使触丝与半导体熔接在一起，形成PN结。,点接触型二极管示意图,特点：PN结面积小，结电容小。适用于检波和变频等高频电路。,二、晶体二极管（semiconductor diode）,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.25,面接触型二极管示意图,平面型二极管示意图,正极引线,负极引线,铝合金小球,P型硅,N型硅,金锑合金,底座,正极引线,负极引线,P,N,P型支持衬底,(2)面接触型二极管,(3)平面型二极管,用合金法（铝合金球压在N型硅片上，加热使熔合、渗透，形成合金）或扩散法形成PN结。,

19、特点：PN结面积大，结电容大，允许较大电流通过。适用于整流等工频电路。,使用集成电路制造工艺生产，基本取代面接触型二极管。,特点：PN结面积可大可小。适用范围广。,(4)二极管符号,(anode),(cathode),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.26,常见的半导体二极管,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.27,2、伏安特性,二极管的伏安特性曲线：,Is反向饱和电流,二极管的直流参数：,、最大整流电流IF（maximum DC(direct current)forward current）,指二极管允许通过的最大正向平

20、均电流。,、反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM,为保证二极管安全工作，一般情况，取URM=UBR/2,（maximum peak reverse voltage）,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.28,、反向电流IR（reverse current）,IR越小，说明二极管的单向导电性越好。当温度上升时，IR将会剧增。,、导通电压UD（forward voltage）,指二极管导通后的管压降。,、开启电压Uon（cut-in voltage）,、最高工作频率fM,二极管正常工作的上限截止频率。,二极管正向电流开始迅速增大时的管压降。,2023/8/2

21、0,School of Physics,第二章 No.29,3、图解分析法,如图，求iD、uD。,线性方程,非线性方程,uD,iD,0,(V),(mA),P,Us,UP,IP,在二极管伏安平面上画出相应的曲线，两曲线交于P点，则P点对应的电压电流即为所求。即,iD IP,uD UP,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.30,4、等效电路分析法,理想模型,恒压降模型,、静态等效电路,、理想模型（开关模型）(ideal model),将二极管当作开关处理：当uD0，二极管相当于短路；而uD 0，二极管相当于断路。,、恒压降模型(constant voltage d

22、rop model),UD,等效,a,b,a,b,UD,当uD UD时，用二极管导通电压UD来等效；当uD UD时，二极管相当于断路。,即：,(DC equivalent circuits),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.31,、动态等效电路,用折线来近似二极管的特性曲线，当二极管电压超过开启电压后，用斜线来代替特性曲线，斜线的斜率为工作范围内电流、电压的比值，其倒数为等效的电阻rD，此时的管压降用开启电压Uon等效。,(AC(alternating current)equivalent circuits),折线模型,、折线模型(piecewise mo

23、del),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.32,、微变等效电路(small signal model),各模型适用范围：,UiUD时，使用理想模型；考虑二极管影响时，使用恒压降模型（常用）或折线模型；当外加信号幅度动态范围较小时，使用微变等效电路。,只考虑二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化时引起的电流变化，可用曲线在该固定值处的切线来近似表示这一小段曲线，而将二极管等效成一个微变等效电阻rd。,微变等效电路,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.33,5、应用,利用二极管的单向导电性，可对信号进行限幅处理，实现整流、

24、检波等功能。,R,ui,D,uo,ui,uo,、整流电路,整流电路的作用是将交流电压变成直流电压，常用于直流稳压电源中。,半波整流电路,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.34,另外，利用二极管的其它特性，还能完成一些特殊功能。如稳压二极管（Zener diode，反向电击穿时管压降不变）、光电二极管（photoelectric diode，受光照导电能力剧变）、发光二极管（light-emitting diode，激发的自由电子回到基态会产生辐射）、变容二极管（varactor diode，PN结电容会因外加电压的变化而改变），等等。,限幅电路,R,ui,D

25、,uo,ui,uo,、限幅电路：限制电压，起保护作用,UR,UR,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.35,-UZ,6、稳压二极管,、特性,稳压二极管简称稳压管，正常工作在反向击穿状态。其反向击穿曲线非常陡峭，击穿时管压降几乎不随电流的变化而变化。,、主要参数,uD,iD,0,符号,伏安特性,稳压电压UZ：是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压；稳定电流IZ：是稳压管工作在稳压状态时的参考电流值，有一定的 取值范围，即IZminIZmax，小于IZmin时稳压效果变坏，大于IZmax时管子容易烧毁；动态电阻rZ：稳压管稳压工作时可以用折线模型等效。,DZ,20

26、23/8/20,School of Physics,第二章 No.36,、稳压管稳压电路,并联型稳压电路，R为限流电阻。,稳压原理：,当UI变化、负载不变时：,UI,UO,IZ、IO,I R,UO=UI-IR,当UI不变、负载变化时：,RL,IZ,I 几乎不变,UO基本不变,IO,为了让稳压管安全的工作在稳压状态，必须选取合适的R值。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.37,例：稳压电路如图。已知US=12V，RL=600，查手册知稳压管2CW14参数如下：UZ=7.5V，IZmin=10mA，额定功率PZM=250mW，rZ10，估算限流电阻R的取值范围。

27、,解：忽略rZ，IRL不变。,当IZ=IZmin时，R值最大，有,当IZ=IZmax时，R值最小，有,其中、，代入数值可得,98 R 200,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.38,2.3双极型晶体管（BJT：bipolar junction transistor）,一、结构特点,双极型晶体管又称晶体三极管(semiconductor triode)或晶体管(transistor)，可以近似看作两个二极管背靠背组合而成，它包含两个PN结。,发射极(Emitter),用E或e表示,基极(Base),用B或b表示,集电极(Collector),用C或c表示,发射

28、区：掺杂浓度高,基区：掺杂浓度低，很薄(m量级),集电区：中度掺杂，面积较大,e,b,c,N,P,N型硅衬底,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.39,根据各区性质不同，三极管分为PNP型和NPN型两种。,结构,符号,PNP型,NPN型,e,b,c,P,P,N,e,b,c,N,N,P,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.40,二、工作原理,要使三极管正常工作（放大），外加电压必须满足一定的条件：发射结正偏，集电结反偏。,1、载流子的运动,、e区向b区发射电子：由于发射结正偏，利于扩散运动，形成扩散电流IEN、IEP，而e区掺杂

29、浓度高，故有IEN IEP，两者之和形成发射极电流IE。IEP往往被忽略不计。,IE,IEN,IEP,注：图中箭头所指为载流子的运动方向，而不是电流方向，电子的运动方向与电流方向相反。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.41,、电子在b区的扩散与复合：e区注入到b区的电子，因浓度差而继续向c区扩散，在扩散的过程中有部分电子与b区中的空穴复合，形成电流IBN，由于空穴由基极补充，故IBN是IB的一部分。,IE,IEN,IEP,IBN,IB,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.42,、电子被集电极收集：由于集电结反偏，且所加反偏

30、电压较大，扩散到集电结边沿的电子在电场的作用下很容易漂移过集电结，到达c区，形成电流ICN，构成集电极电流IC的一部分。,、集电结的反向电流：集电结反偏，则在基极与集电极间有反向饱和电流ICBO（collector-base cut-off current）。,IE,IEN,IEP,IBN,IB,ICN,ICBO,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.43,2、电流分配关系,定义：,共基直流电流放大系数,当ICICBO时，,则,一般为0.90.99,静态（直流）,(common base direct current amplification factor),

31、2023/8/20,School of Physics,第二章 No.44,整理上式，将IE消去，可得：,令,共射直流电流放大系数,则：,当基极开路，即IB=0时，,穿透电流,动态（交流）：,ICBO为本征热激发引起，只与温度有关，与结电压变化无关，当温度一定时是一个常数。,(common emitter direct current amplification factor),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.45,定义：,共基电流放大系数,共射电流放大系数,则：,110100,三极管的联接法,b,e,c,b,e,c,e,c,b,共发射极接法（CE con

32、figuration）,共基极接法（CB configuration）,共集电极接法（CC configuration）,电压放大倍数大，用于电压放大电路,频带宽，功率放大，用于高频放大和宽带放大器,电压放大倍数1，输入电阻大，输出电阻小，用于多级放大器中输入级、输出级及中间隔离级,(common base alternating current amplification factor),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.46,三、三极管特性曲线(characteristic curve),测量电路(共发射极接法),共射极（CE）接法,2023/8/20,

33、School of Physics,第二章 No.47,1、输入特性曲线,以集电极电压UCE为参变量，输入回路中基极电压UBE与基极电流IB的关系曲线，称为输入特性曲线。即：,UBE,IB,0,(V),(A),0.2,0.8,40,120,80,0.4,0.6,UCE 0V,UCE 1V,UCE 0V，相当于两个二极管正向并联的伏安特性；,UCE 01V，曲线向右移动明显。,在UCE UBE（约0.7V）以前，集电结处于正偏状态，收集电子的能力弱，随着UCE增大，集电结逐渐过渡到反向偏置，收集电子的能力逐渐增强，使e区的电子更多地漂移到c区，使得IB明显减小，曲线向右移动。当UCE 1V时，e

34、区注入的电子绝大多数被c区收集，故UCE 再增加，IB也不再明显减小，所以UCE 1V以后的输入特性曲线基本重合。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.48,Jc反偏，使e区注入到b区的电子绝大部分漂移到c区。此时IC大小不随UCE明显变化，其大小受IB控制，满足 的关系。,2、输出特性曲线,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3,4,4,6,2,放大区,饱和区,截止区,放大区：Je正偏，Jc反偏。,当IB等量变化时，输出特性曲线基本是平行等距的。,随着UCE的增加，IC稍有增大，使曲线略为上翘，这是由于基调效应（基区宽度调制效应，base-wid

35、th modulating effect）引起的。,(active region),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.49,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3,4,4,6,2,放大区,饱和区,截止区,饱和区：Je正偏，Jc正偏。,UCE较小，UCEUBE，Jc正偏，收集电子的能力很弱，即使增加IB，IC也增加很少，晶体管处于饱和状态，的关系不再成立。,随着UCE的增大，集电结收集电子的能力逐渐增大，IC变化明显，曲线迅速上升。,临界饱和线,UCB0V（即UCEUBE）的曲线称为临界饱和线。,饱和时的电压UCE称为饱和压降，记做UCES，对于小

36、功率硅管，UCES 0.3V。,(saturation region),(collector-emitter saturation voltage),2023/8/20,School of Physics,第二章 No.50,UCE,IC,0,(V),(mA),2,8,1,3,4,4,6,2,放大区,饱和区,截止区,临界饱和线,截止区：Je反偏，Jc反偏。,通常将IB0的输出特性曲线以下的区域称为截止区，此时IEIC ICEO，晶体管失去放大作用。,严格的讲，应把IE0，IBICBO的曲线下方区域称为截止区。,(cutoff region),2023/8/20,School of Physic

37、s,第二章 No.51,输出特性曲线三个区域的特点：,放大区：,Je正偏，Jc反偏。，。,饱和区：,Je正偏，Jc正偏。UCEUBE，UCES0.3V。,截止区：,Je反偏，Jc反偏。IB=0，IEICICEO。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.52,四、三极管的主要参数,1、电流放大系数,共基极直流电流放大系数,共射极直流电流放大系数,共射极电流放大系数,共基极电流放大系数,一般在工作电流不太大的情况下，可认为，故可以混用。,的取值：如果太小，放大作用太差；而太大，晶体管的性能会不稳定，所以一般30120为宜。,2023/8/20,School of P

38、hysics,第二章 No.53,2、极间反向电流,ICBO集电极基极反向饱和电流。,ICEO穿透电流。,ICBO标志晶体管的质量，要求越小越好。,对于硅管，ICBO1A，ICEO几A；,对于锗管，ICBO10A，ICEO几十几百A。,由于ICEO较大，测量容易，通常测量ICEO作为判断晶体管质量的重要依据。,发射极开路，集电极、基极间加反向电压时的反向饱和电流。,基极开路，集电极、发射极间加反向电压时的反向电流。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.54,3、特征频率,由于PN结结电容的影响，当信号频率增加到一定大小后，、都将随频率升高而下降。,当的值下降到

39、等于1时所对应的频率称为特征频率fT。此时晶体管已失去放大能力，故又称之为极限频率。,(characteristic frequency),4、极限参数,、集电极最大允许电流ICM,IC增大到一定程度时，将减小。定义下降到正常值的2/3时所对应的IC为ICM。ICICM时，晶体管不一定损坏，但电路的放大倍数将明显下降。,(maximum collector current),、集电极最大允许耗散功率PCM,管耗功率使结温升高，使晶体管性能变差，集电极耗散功率超过PCM时，管子有可能烧毁。,(maximum power dissipation),2023/8/20,School of Physi

40、cs,第二章 No.55,U(BR)EBOc极开路，e、b间的 反向击穿电压；,、反向击穿特性：,U(BR)CBOe极开路，c、b间的 反向击穿电压；,U(BR)CEOb极开路，c、e间的 反向击穿电压；,使用时，为保证晶体管安全工作，各值要控制在极限量的60%以内。,U(BR)EBO U(BR)CEO U(BR)CBO,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.56,半导体器件型号由五部分组成。（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）五个部分意义如下：第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2二极管、3三极管。

41、第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。,附录1：中国半导体分立器件命名方法,表示二极管时：AN型锗材料、BP型锗材料、CN型硅材料、DP型硅材料。,表示三极管时：APNP型锗材料、BNPN型锗材料、CPNP型硅材料、DNPN型硅材料。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.57,第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的功能。P普通管、V微波管、W稳压管、C参量管、Z整流管、L整流堆、S隧道管、N阻尼管、U光电器件、K开关管、X低频小功率管(f3MHz，Pc1W）、A 高频大功率管（f3MHz，Pc1W）、T 半导体晶闸管（可控整流器）、Y 体效应器

42、件、B 雪崩管、J 阶跃恢复管、CS 场效应管、BT 半导体特殊器件、FH 复合管、PIN PIN型管、JG 激光器件。第四部分：用数字表示序号。第五部分：用汉语拼音字母表示规格号。例如：3DG6表示NPN型硅材料高频小功率三极管。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.58,附录2：集成电路芯片加工工艺简介,以加工2m设计规则的硅栅等平面N沟道CMOS反相器电路为例。,1、初始材料,P型硅单晶片，电阻率30cm，相当于掺杂浓度51014/cm3。,2、形成N阱，光刻1,、初始氧化（干氧湿氧干氧工艺）：生长SiO2，厚度3500；、光刻1：用第一块掩模版，经曝光

43、、等离子刻蚀，形成N阱窗口；、N阱粒子注入：磷离子注入，剂量31012/cm2，能量80keV；,、形成N阱：在N2:O2=9:1的气氛中退火和趋进，温度1150，时间60分钟，N阱深度为56 m，同时生长氧化层2000；、去掉所有氧化层：用稀HF酸泡掉全部氧化层，结果留下N阱处约400 的硅表面高度差（3500 SiO2与裸硅表面氧化速度不同），此高度差可以作为光刻对准之基准。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.59,3、确定NMOS有源区，光刻2,、生长缓冲SiO2薄层，厚度600，为减少即将淀积的Si3N4层与硅衬底之间的应力；、低压化学汽相淀积Si3

44、N4，用于掩蔽氧化，厚度1000；、光刻2，确定NMOS有源区：用第二块掩模版，经曝光、等离子刻蚀，保留NMOS有源区和N阱区的Si3N4层，将非有源区，即场区部分的Si3N4和SiO2去掉；、NMOS场区硼注入：剂量11013/cm2，能量120keV，为了防止场区下硅表面反型，产生寄生沟道；、场区等平面局部氧化：利用Si3N4掩蔽氧化的功能，在没有Si3N4层、并经硼离子注入的区域，生长一次场区氧化层，厚度4000。,4、确定PMOS有源区，光刻3：在N阱中，确定PMOS有源区,、光刻3：除去N阱中非PMOS有源区部分的Si3N4和SiO2；、根据需要，确定是否需要对N阱中场区部分进行磷离

45、子注入（对于35 m沟道，不必注入，对于1.52m沟道，进行磷注入）；、等平面场区局部氧化：用湿氧氧化或高压氧化生长1m厚的SiO2层。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.60,5、栅氧化与开启电压调整,、去掉Si3N4层和缓冲的SiO2层；、栅氧化：在HCl气氛中干氧氧化生长栅氧化层（2001000）；、开启电压调整：用硼离子注入，剂量61011/cm2，能量100keV，使UTN=0.71.0V，UTP=0.71.0V。,6、多晶硅淀积,、用低压化学汽相淀积法（LPCVD）淀积多晶硅层：温度625，气体源SiN4(20%)+Ar(或N2)(80%)，多晶

46、硅薄膜厚40005000；、淀积多晶硅后，需对多晶硅掺杂，以获得低阻多晶硅层（在淀积时加入PH3或AsH3气相掺杂，也可在淀积后用扩散或离子注入）。,7、光刻4，形成NMOS的源、漏区,、光刻NMOS多晶硅（保护PMOS区），形成NMOS多晶硅栅，去掉没有多晶硅覆盖的栅氧化层；、砷或磷离子注入，形成NMOS源、漏区：注入剂量31015/cm2，典型能量150keV。,2023/8/20,School of Physics,第二章 No.61,8、光刻5，形成PMOS源、漏区,、保持NMOS区不动（用光刻胶保护起来），光刻N阱中PMOS区的多晶硅，形成多晶硅栅，去掉无覆盖的栅氧化层；、硼离子注入

47、，形成PMOS源、漏区：注入剂量51015/cm2，能量100keV。,9、离子注入退火和趋进,在N2气氛下退火，使多晶硅栅、NMOS和PMOS源、漏区的注入离子激活，并将源、漏结推进，深度约为0.30.5m。,10、化学气相淀积磷硅玻璃钝化层（PSG）或硼磷硅玻璃钝化层（BPSG）,11、光刻6，刻金属化的接触孔,12、磷硅玻璃,目的是使接触孔边缘台阶坡度平滑，以利于金属化，否则金属化铝条时容易发生断裂，造成集成电路失效。PSG回流是制造工艺中最后一道高温工艺，一般在N2气氛下，1050，回流30分钟。近年来发展出瞬态退火技术（RTA），一般只要几十秒即可完成。,2023/8/20,Scho

48、ol of Physics,第二章 No.62,、采用电子束蒸发或溅射的方法淀积Al-Si合金或Al-Si-Cu(4%)合金，Si的含量应使它在金属铝中饱和。用Al-Si合金有利于解决电迁移现象，防止铝条断裂；加4%的Cu有利于提高金属化层的功率容限，进一步减少电迁移现象；、光刻7，刻蚀Al-Si金属化层，形成集成电路最后互连；、合金：目的是使Al-Si金属化引线与接触孔处的硅形成良好的欧姆结。在N2-H2气氛中，450，2030分钟。,13、金属化，光刻7,14、钝化,15、开压焊孔，光刻8,16、压焊、封装和测试,由于Al-Si金属化已形成，最后钝化工艺步骤的温度不应超过Al-Si共晶点温度（577）。用等离子增强化学汽相淀积（PECVD）Si3N4钝化膜，一般淀积温度300，以不致于影响已形成的集成电路和金属互连。,将压焊点上的钝化层去掉，以便使芯片可与封装管壳形成电连接。,