工程学概论半导体器件物理基础.ppt

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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,费米能级EF：反映了

2、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,正向导通，多数载流子扩散电流

3、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.晶体管的特性参数,4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电

4、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,BVcboBvceoBVebo,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

5、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

6、 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（MESFET）,MOS 场效应 晶体管（MOSFET）,转移特性曲线,提取阈值电压研究亚阈特性,长沟MOSFET的输出特性,亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势,作业,讨论PMOS晶体管的工作原理,