器件物理(1-2).

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1、1 半导体器件物理 哈尔滨工业大学 微电子科学与技术系 刘晓为 陈伟平 (chenwp66) 2 课程安排 内容（24学时） 第一章 器件工作的基本方程1h 第二章 特种二极管（变容二极管、PIN二极管、隧道二极管、雪崩二 极管）7h 第三章 电荷耦合器件（CCD) 4h 第四章 太阳电池2h 第五章 电力电子器件（晶闸管、IGBT）10h 参考书 1.王家骅 等编著 半导体器件物理 科学出版社 1983 2.（美）B. Jayant Baliga, 功率半导体器件基础，电子工业出版社， 2013年 2. （美）施敏 著 半导体器件与工艺 科学出版社 1992 3. （美）施敏 著 现代半导体

2、器件物理 科学出版社 2001 4. 王志良 主编 电力电子新器件 国防出版社 1995 教学方式 讲授+讨论（70%）；试验（30%） 考试方式 （50%+20%）试验（30%） 3 绪论 - 半导体器件 基本器件 P-N二极管(1949,Shockley) M-S结构(1874,Braun) MIS/MOS结构(1959,Moll) 晶体管 双极晶体管（1947，Bell） MOS场效应晶体管（1960，Kahng）：DRAM、P、ROM、RAM 、非挥发RAM SOI-FET、SET（1987，Fulton） JFET、MESFET（1966，Mead）、MODFET（1969，Esak

3、i） 负阻器件 隧道器件（1958，Esaki江崎） 碰撞电离雪崩渡越世间二极管 转移电子器件（TED）（1963。Gunn） 4 半导体器件 基本器件 晶体管 负阻器件 功率器件 晶闸管（1950，Shockley）、IGBT（1979，Baliga）、SIT（1972， Nishizawa）VDMOS 光学器件 LED、半导体激光器 光电二极管和太阳能电池 传感器 温度传感器、磁传感器、化学传感器、微机械传感器 半导体器件材料的变化与发展 导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图 36eV36eV 硅硅1.12eV1.12eV 锗锗0.67 eV0.67 eV 砷化

4、镓砷化镓 1.42 eV 1.42 eV 第一章 半导体基本知识 6 P P型与型与NN型半导体的能带示意图型半导体的能带示意图 un：电子迁移率 up：空穴迁移率 Jn：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度 n：电子浓度 p：空穴浓度 总电流密度J 两式相比可以得到半导体的电导率 载流子漂移载流子漂移 8 基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程 1、麦克斯韦方程 对均匀各向同性材料有 在静态或低频状态下， s和。分别为介电率和导磁率 半导体工作的基本方程 9 2、电流密度方程 D和分别为载流子的扩散系数和迁移率 3、连续性方程 、G和U分别为载流子寿命、产生率和复合率 PN结能带

5、图 10 11 12 第二章 特种二极管 2.1变容二极管（Tuning Diode） 利用p-n结电容随外加电压的非线性变化工作的半导体器件，1958年 提出后，已制成Ge、Si和GaAs变容微波器件，得到了广泛的应用：微 波开关、调制器；混频器；压控振荡器和参量放大器。 自动调谐收音机 AFC系统 13 第二章 特种二极管 2.1.1 变容二极管的电容-电压关系 理想变容二极管要求损耗小一般利用p-n结势垒电 容工作，工作区反偏（0击穿电压）。 势垒电容： 正向扩扩散电电容： 14 变容二极管的杂质分布 p+-n结为例，低掺杂侧 杂质浓度: N(x)=Bxm x0, B为常数 m=1 线性

6、缓变结 m=0 单边突变结 m0 超突变结 15 变容二极管的杂质分布 p+-n结为例， 由泊松方程： 利用V(0)=0; V(W)=VD+Va 解出： 当m=-3/2时，n=2 超突变结，变容二极管的共振频率 串联电阻的影响使得超突变结并不是最好的杂质分布。 16 2.1.2变容二极管的结构和参数 等效电路中Rj10M, C j几pF, 因此简化为Cj与Rs的串联 1. 电容变化系数 越大越好。 2. 品质因数 存储能量/消耗能量 微波频段 Cj0为零偏结电容，RsQ Q=1时， 为零偏截止频率 17 3. 串联电阻 RS=Rp+Rn+RB+RC 非外延变容管：RSRB=（B/4rm)F 1

7、0-50 外延变容管： RS 0.n-n 一般变容管杂质分布如图 3.1.3 变容二极管的设计 材料：迁移率大；介电常数小； 禁带宽度大；杂质电离能小； 导热率高。 结构：外延台面管；台面小；掺杂高 提高截止频率。 18 （1）台面外延变容二极管 外延层 电阻率 外延层厚度 扩散深度 不同外延层层厚度下零偏截止频频率与击击穿电电 压压的关系图见图图见图 结论结论 ：零偏截止频频率，有低的 击击穿电压电压 19 20 对对于较较小的扩扩散深度，电电容接近于突变结变结 情况；对对于较较大的扩扩散探底则则接近于 线线性缓变结缓变结 的情况。 在电电阻率一定，串联电联电 阻随结结深的增加而迅速地减小，

8、在结较结较 浅时时串电电阻近似 正比于外延层电层电 阻率，结结深较较深时时串联电联电 阻与外延层电层电 阻率的关系则则减弱，重 达扩扩散时时串联电联电 阻就变变得与外延层电层电 阻率无关。 所以变变容二极管偏压压截止频频率随结结深的增加而增加 21 2.2 PIN二极管 PIN二极管：在p型区和n型区之间加入本征层（10-200m） I层一般为高阻区（高阻p型称为PN；高阻n型称为PN） 用途：大功率微波开关（速度W/2v）、微波可变衰减器（电阻控制 ）大功率整流器、光电器件等 22 PIN二极管的能带、电荷及电场分布（以长I区为例） 结构相当于： I区电阻+PI突变结+IN突变结 正向工作：

9、 两个结正向导通向I区注入电荷电荷； I区电阻受到调制。 2.2.1 PIN二极管的定性分析 23 外电压的影响 等效电路 RS为接触电阻；RJ，CJ为PI和IN二极管结 电阻和电容；CD为扩散电容（高频忽略）； RI（正向电荷控制）CI（未耗尽部分I区） 24 2.2.2 正偏I区电阻 一维情况下，设： I层，恒定； 电子和空穴，相同； I层n(x)=p(-x)，即电中性 PI只有空穴电流、NI只有电子电流。 I区中： 25 2.2.2 正偏I区电阻 I区正偏时，E0，p,nni， 稳态：n,p与t无关，令 方程简化为： 方程解与边界条件： 解得： 26 由（8）作图可见W越小， 越大， 载

10、流子浓度越平坦。 （x)=2qn(x), I区电阻： 带入n(x)得到： 当WL时， 可见RF1/IF受到电流IF的调制; 27 2.2.3反偏电阻： 、电容和击穿电压 反偏电阻：反偏下，I区为耗尽区，但从0偏到反偏有一个I区串联电 阻降低为近似0的过程。因此曲线有相应的变化。 电容和击穿电压 电容：反偏下，PIN二极管为平行板电容 CJ=.rA/W 击穿电压：VBEmW 因为I区为本征材料，Em很高，且W也 可较大，所以PIN二极管可以达到高击 穿电压。 PIN二极管作为微波开关应用时要求 Ron小，Roff大。 反向阻抗：RS+CJ的串联 Roff=RS+1/(CJ)= RS+W/(.rA

11、)， -1 要提高Roff，应增加W和 28 2.2.4 PIN二极管的开关时间时间 PIN二极管相当于电电容器：正向导导通存储电储电 荷，反向释释放电电荷达到截止状态态 。开关时间时间 主要取决于反向恢复时间时间 ：减少存储电储电 荷将增加通态电态电 阻，只能减 少电电荷的抽取时间时间 。 关断时时： 极端情况：IR=0, 可见见减小寿命可减小关断时间时间 ； 忽略复合： IR大，可有效减小关断时间时间 ，实际实际 上一般采用大反向脉冲电电流的措 施。 29 2.3 隧道二极管 1957年江崎铃实验发现在重掺杂p-n结正向特性中的负阻现象，1958 年用量子隧穿理论解释了这种反常现象。隧道二

12、极管具有超高速、 低噪声特点，在小功率微波放大、开关、振荡和频率锁定电路中应 用。 2.3.1 隧道二极管的定性分析 由重掺杂（简并）的p+和n+ 区组成的二极管，Vp和Vn为数kT; Xd100 30 掺杂浓度1019-1020/cm3。下图定性说明隧道二极管电流电压特性。 31 直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体） 由于动量守恒要求，间接隧穿要有声子辅助，因此，直接隧穿几率 大于间接隧穿。 32 2.3.2 隧道几率和隧道电流 1. 隧道几率 由量子力学的WKB（文策耳-克莱默-布里渊法）近似，隧穿几率 可见P取决于Eg和x掺杂浓度。 K=1.33 K=2.0 K=1.5

13、9 33 2.隧道电流 假设： 1）小电压下，P为常数； 2）状态密度函数（E-EC)1/2和(EV-E)1/2; 3）qVn和qVp2kT； 分布函数线性近似 正向隧道电流 2.3.3 过量电流 VVp+Vn，隧道电流应为0 过量电流：谷电流+指数过量电流 34 谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势垒 变窄，隧道电流加强。对隧道二极管，重掺杂是必要条件，因此谷 电流不可避免。 35 指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，这 种隧道电流Ix随V电压指数上升。 36 2.3.4 等效电路 等效电路如图所示，RS为串联电阻包括欧姆接触、引线和材料的扩展 电阻；

14、LS为串联电阻电感；C为突变结电容。负阻区开始点的斜率为 最小负阻，近似为：Rmin2Vp/Ip 37 隧道二极管阻抗： 令电阻部分为0，得电阻截止频率 令电抗部分等于0，得电抗截止频率 38 2.3.5 反向二极管 当p区和n区掺杂浓度达到弱简并状态，但费米能级 未进入导带或价带。能带如下图所示： 39 但因高掺杂效应使得势垒区宽度Xd很小，正向特性无隧道电流发射 条件，无负阻或很小负阻效应；反向特性因薄势垒，存在很大隧道 电流。 问题：为什么图（b）存在正向负阻现象？ 反向二极管，在零偏附近特性曲线有较大的曲率，比点接触二极管 检波和混频特性更好，常用于小信号微波检波和混频。 40 2.3.6 负阻概念 普通电阻: R=V/I 电压与电流同相，R0，为正阻。 电阻消耗的能量P=I2R P0，为耗能元件。 负阻R负: R负=-V/I=-R 电压与电流反相，R负0，为负阻。 负阻消耗的能量P负=-I2R P负0，为能量供给元件。 41 正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加； 而负阻特性电压增加，电流减小。 负阻的作用： 交流振荡：如图所示，i(t)与v(t)反相，直流能量I0V0i(t)v(t)交流振荡； 交流放大： 若RRL，则Av1，产生放大。 42 2.4 崩越二极管 IMPATTD(IMPact