《工程学概论》半导体器件物理基础-03讲解课件.ppt

1、上一章课的主要内容 半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征型半导体、本征半导体、非本征半导体半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另种，另外还有外还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MO

2、S结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格4-1 PN结二极管结二极管PN结二极管的结构结二极管的结构1.PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子缺少载流子2.平衡的平衡的PN结结：没有外加偏压没有外加偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势形成自建场和自建势 费米能级费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁

3、带中央本征费米能级位于禁带中央kTEEFeEf/)(11)(自建势自建势Vbi费米能级平直费米能级平直0dxdEF0 xEnxEnjFnnFnn 0 xEpxEpjFppFpp 平衡时的能带结构平衡时的能带结构正向正向偏置偏置的的PN结情形结情形正向偏置时的能带图正向偏置时的能带图N区区P区区空穴：空穴：100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移正向的正向的PN结电流输运过程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结的反向特性结的反向特性N区区P区区 空穴：空穴：电子：

4、电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向偏置时的能带图反向偏置时的能带图N区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴：P区区N区区扩散扩散漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj5.PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性：正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压反向击穿电压Vrb6.PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳齐

5、纳/隧穿击穿隧穿击穿7.PN结电容结电容VQCTdVdQCTmsTXSC0 4.2 双极晶体管双极晶体管发射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIIIecII00001cecIIIecii1bcII0bcii215.BJT的特点的特点优优点点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获得单位面积

6、可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路输入电容输入电容由扩散电由扩散电容决定容决定随工作电流的随工作电流的减小而减小减小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载流子密度高跨导高跨导缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储

7、电饱和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极 4.3 MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS电容结构电容结构 MOSFET 器件器件平行板电容器平行板电容器+Q-QEd+-V面积面积A电容电容C定义为：定义为：QVC斜率斜率AdVQC直流和交直流和交流时均成流时均成立立交流电容交流电容交流电容交流电容C定义为：定义为：+Q-QEd+-V面积面积A+Q-Q VQVC（V斜率斜率对于理想的交流电容，对于理想的交流电容，C与频率无关与频率无关这里这里理想理想指电容中没有能量的

8、耗散：指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量、介质层不吸收能量VVQVC),(),(非理想的电容：非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容半导体中的电容通常是交流电容例如：突变例如：突变PN结电容结电容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd和平行板和平行板电容器形电容器形式一样式一样+-VP+Nxd偏压改变偏压改变 V未加偏压时的未加偏压时的MOS结构结构MOS 电容的结构电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图电容中三个分离系统的能带图p 功函数功函数无偏压时无偏压时MOS结构中由于功函数差

9、引起的表面能带弯曲结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲p 平带电压平带电压平带电压平带电压使表面势为使表面势为0，所需在栅上加的偏压。，所需在栅上加的偏压。施加偏压后施加偏压后的不同状态：的不同状态：积累、耗尽、积累、耗尽、反型反型MOS场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管结型场效结型场效应晶体管应晶体管 （JFET）金属半导体金属半导体场效应晶体管场效应晶体管（MESFET）MOS 场效应场效应 晶体管晶体管（MOSFET）转移特性曲线转移特性曲线+提取阈提取阈值电压值电压+研究亚研究亚阈特性阈特性长 沟长 沟 M O S F E T 的 输 出 特 性的 输 出 特 性亚亚0.1微米微米MOSFET器件的发展趋势器件的发展趋势N+(P+)N+(P+)P(N)Source Gate DrainN+(P+)作业作业讨论讨论PMOS晶体管的工作原理晶体管的工作原理