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1、Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 第四章第四章 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 Institute of Microelectronics PKU 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 Institute of Microelectronics PK
2、U Institute of Microelectronics PKU *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半导体器件物理基础 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4-1 PN结二极管 PN结二极管的结构 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 1.PN结的形成 N
3、P 空间电荷区XM 空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层 X XN N X XP P 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 2. 平衡的PN结：没有外加偏压 能带结构能带结构 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场和自建势 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能 级被
4、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 Institute of Microelectronics PKU 自建势Vbi 费米能级平直 平衡时的能带结构 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 正向偏置的PN结情形 正向偏置时的能带图 正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移 N区P区空穴： 正向电流正向电流 电子：P区N区 扩散 扩散 漂移 漂移 Institute of Mic
5、roelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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 反向电流反向电流 反向偏置时的能带图 反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics
6、 PKU N区P区电子： 扩散 漂移 空穴 ： P区N区 扩散 漂移 反向电流反向电流 反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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Vbi0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 6. PN结的击穿 雪
7、崩击穿 齐纳/隧穿击穿 7. PN结电容 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4.2 双极晶体管 1. 1. 双极晶体管的结构双极晶体管的结构 由两个相距由两个相距很近很近的的PNPN结组成：结组成： 分为：分为：NPNNPN和和PNPPNP两种形式两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度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 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microele
8、ctronics PKU NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运 NPNNPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换 电子流电子流 空穴流空穴流 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 晶体管的直流特性晶体管的直流特性 共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线 三个区域三个区域 ： 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特
9、性参数 4.1 4.1 晶体管的电流增益（放大系数晶体管的电流增益（放大系数 共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和 交流放大系数交流放大系数 0 0 、 两者的关系两者的关系 共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数 交流放大系数交流放大系数 0 0 、 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 4.2 4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压 反向漏电流反向漏电流 I I cbocbo： ：发射极开路时，收集结的反向漏电流发射
10、极开路时，收集结的反向漏电流 I I eboebo： ：收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流 I I ceoceo： ：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续）（续） 4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 BVBVcbo cbo BvBvceo ceo BVBVebo ebo BVBVeeo
11、 eeo晶体管 晶体管的重要直流参数之一的重要直流参数之一 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数( (续续) ) 4.4 4.4 晶体管的频率特性晶体管的频率特性 截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放 大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率f f ： 特征频率特征频率f f T T ：共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率 最高振荡频率最高振荡
12、频率f fM M： ：功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率 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 Institute of Microelectron
13、ics PKU Institute of Microelectronics PKU 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 为设计参数设计设计BJTBJT的关键：的关键： 获得尽可能大的获得尽可能大的I I C C 和尽可能小和尽可能小 的的I I B B Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 当代BJT结构 特点： 深槽隔离 多晶硅发 射极 Institute of Microelectronics PKU Institute of Mi
14、croelectronics PKU 4.3 MOS场效应晶体管 MOS电容结构 MOSFET 器件 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 1. 1. MOS MOS 电容电容 pp电容的含义电容的含义 ppMOSMOS结构结构 pp理想的理想的MOSMOS电容特性电容特性 pp非理想的非理想的MOSMOS电容特性电容特性 关于电容关于电容 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 +
15、- 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：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 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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 Institute of Microelectroni
16、cs PKU Institute of Microelectronics PKU p 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 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU p 平带电压 平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 施加偏压后 的不同状态 ：积累、耗 尽、反型 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU MOS场效应晶体管 场效应晶体管 结型场
