半导体器件物理-负阻器件功率器件光电器件ppt课件

《半导体器件物理-负阻器件功率器件光电器件ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体器件物理-负阻器件功率器件光电器件ppt课件（349页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,半导体器件物理Physics of Semiconductor DevicesS.M.SZE（周一：5、6；周三：1、2）,2,三部分内容 负阻器件；功率器件；光电子器件 CH8 隧道器件 CH9 碰撞电离雪崩渡越时间二极管 CH10 转移电子器件和(实空间转移器件) CH11 晶闸管和功率器件 CH12 发光二极管和半导体激光器 CH13 光电探测器和太阳电池,3,负阻器件,隧穿机制(隧穿条件) 1、隧道二极管 2、反向二极管 3、MIS开关二极管 4、共振隧穿二极管,渡越时间机制(注入角与延迟角) 1、IMPATT二极管 2、BARITT二极管,电子空间转移机制(非平衡电荷) 1、转移

2、电子器件（TED） 2、实空间转移器件（RST）,2,3,4,1,负阻产生机制 1、隧穿机制 2、渡越时间机制 3、电子空间转移机制,几率与因素 隧穿条件,条件,条件,4,功率器件,晶闸管 1、二端晶闸管 2、三端晶闸管 3、门极可关断晶闸管(GTO) 4、双向常规晶闸管 5、双向门极可关断晶闸管 6、光控晶闸管,其它功率器件 1、VDMOSFET 2、IGBT,1,2,等效电路 正/负反馈,5,6,基本结构及结构条件,基本特性及工作条件,工作机制与机理,重点掌握,1,2,3,基本物理概念 (结构、机制、机理),载流子(光子)输运的 基本物理过程,载流子(光子)输运的 基本物理图像,重点理解,

3、1,2,3,7,CH8 隧道器件-Tunnel Devices,Tunnel Diode Backword Diode MIS Tunnel Diode MIM Tunnel Diode Tunneling HOT Electron Transistor MIS Switch Diode Resonant Tunnel Diode,8,优 势 1、多数载流子器件； 2、隧穿时间极短，工作频率极高； 3、有微分负阻，可用于振荡电路； 4、隧穿器件集成有望实现高速低功耗。,9,一、隧道(江崎)二极管-Tunnel Diode （江崎1958年博士论文期间发现，1973获诺贝尔奖）,2、基本结构 -

4、简并pn结； qVp、qVn 几个kT/q ； xm10nm,10,3、I-V特性基本机理分析隧穿效应,11,4、隧穿必要条件,1）电子隧出一侧存在电子占据态； 2）电子隧入一侧相同能级存在 未被电子占据态； 3）隧道势垒高度足够低，宽度足够窄； 4）隧穿过程能量、动量守恒。,5、隧穿E-k关系,直接带隙 能量、动量守恒,间接带隙 能量守恒 动量守恒 声子参与,声子与初始电子能量之和等于隧穿后能量,E1,E2,Ge,12,12,6、隧穿几率,未考虑间接隧穿； 未考虑垂直动量。,电流？,13,平衡态：,加偏压：,E1,14,当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值 对应同一能量时的偏压为峰值电流

5、的电压,电子浓度分布,空穴浓度分布,*,15,2）过剩电流,隧穿路径： CAD CBD CABD CD 电子需隧穿的能量BD（势垒高度）： EXEg+q(Vn + Vp ) qV = q(Vbi-V),Dx: B点占据态密度,16,3）pn结扩散电流,电流-电压特性,17,17,8、器件等效电路,18,9、频率特性及应用 -工作条件,输入阻抗：,工作频率,此时有负阻和电抗,此时为负阻和容抗,寄生电阻与电感要做小,19,开关速度,取决于充放电时常数-RC 希望隧穿电流大 表征参数：速度指数(品质因子)Ip/Cj(VV),速度指数与耗尽层宽度及峰值电流关系示意图,20,基本结构 工作机制 工作机理

6、 输运过程 物理图像 思考题 若系弱简并pn结，I-V特性曲线如何？ 若由强逐渐过渡弱简并，I-V特性规律 如何？,21,二、反向二极管（ Backword Diode ）,I,V,弱简并,更弱简并,机理？,峰值电流小,峰值电流小,机理？,22,结构简并pn结； 隧穿条件； 峰值电流简并度； 电流成份隧穿电流，过剩电流，热电流,23,作 业 1、依据隧道二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理，以及其振荡及负阻工作条件； 2、依据反向二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理。 3、试画出pn结由简并到弱简并，再到非简并条件下I-V特性曲线示意图（p区、n区同）。

7、,24,三、MIS隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）,1、基本结构,2、基本原理,25,四、MIM隧道二极管（ MIM Tunnel Diode ）,1、基本结构,2、基本原理,26,五、隧穿热电子晶体管 （ Tunneling HOT Electron Transistor ）,优点：潜在增益大、速度高、电流大,2、基本原理,隧穿热电子转移放大器 (THETA),27,六、MIS开关二极管（ MIS Switch Diode -MISS）,1、基本结构及特性,优点：开关速度高 1ns 应用：数字逻辑 移位寄存器 存储器 振荡电路 缺点：栅氧一致性差,28,2、工作机制与机理,

8、1) 正栅压:VAK 0,pn结反偏； 半导体表面堆积； 电流为pn结耗尽层产生流、反向扩散流的隧 穿,直至击穿。,VAK 0,pn结接触电势差,只有pn结耗尽层能提供电子,29,2) 负栅压:VAK 0,2、工作机制与机理,a.|V|VS|： pn结正偏; n型表面深耗尽; 电流主要是表面耗尽层产生流,b.|V|=|VS|：表面深耗尽层与pn结耗尽层穿通,正偏pn结耗尽层宽度,表面势,|V|VS|,|V|=|VS|,空穴在表面积累,表面趋反型,介质层压降上升 表面势下降,隧穿几率提高隧道电流激增,产生负阻,Vh=Vox+S+Vf 1.5V,表面势继续下降 介质压降再上升,动态平衡,只有表面耗

9、尽层 提供空穴,30,30,3、其它导通机理-半导体表面积累空穴,a. 深耗尽区雪崩击穿（穿通前） b. 光生载流子（深耗尽状态） c. 表面注入（深耗尽状态） d. VSVAK =C,|V|=|VS|,31,穿通； 积累； 表面势； 隧穿几率,32,32,七、共振隧穿二极管（ Resonant Tunnel Diode ） 量子隧穿产生负阻,1、基本结构,2、基本特性,应用： 振荡器 1THz; 多值逻辑； 存储器；-,3、工作机制-隧穿效应,33,4、工作机理量子化效应,1) 势阱内载流子能量量子化（z方向）,势阱中电子遵循薛定谔方程:,V与x、y无关,34,分离变量法求解：,x、y方向能

10、量连续- 2DEG（2DHG）,导带能量量子化,价带类似,35,价带有类似结果,36,2) 工作机制与机理-隧穿,低温下，发射区EC与En对齐电流最大； 考虑散射，En在发射区Ef以下形成隧穿电流； En位于Ef 与EC之间时有最大电流。,EF低于E1不会隧穿,37,3) 工作条件-隧穿能量与动量守恒,动量：隧穿方向动量 横向动量,能量：,隧穿方向动量,横向动量Exy,隧穿：能量守恒EE(发射区)= Ew (阱区) 横向动量守恒,EnEF 隧穿几率极低,EF EC有隧穿,En EC隧穿几率极低,En位于Ef 与EC之间时有最大电流,V,发射区,阱区,k kw,38,原因： 散射，声子辅助隧穿，

11、热电子发射，等。,4) 隧穿几率 设：发射区、收集区与阱隧穿几率分别为TE、TC 当入射载流子能量与势阱内以量子化能级匹配时，隧穿几率,当入射载流子能量与势阱内以量子化能级不匹配时， 隧穿几率:,对称势垒,TE=TC,39,5、共振隧穿电流,Vp2(En-EC)/q (近似用En=EC表征),EC,EC,EC,Vp=?,40,量子化； 隧穿； 能量动量守恒,41,作业： 1、试简要叙述隧穿二极管、反向二极管、MIS开关二极管、共振隧穿二极管的工作机制及其I-V特性形成机理； 2、试证明,如果电流注入漂移区存在时间延迟，那么在载流子渡越漂移区时间满足一定条件即可产生负阻效应。,42,42,CH

12、9 IMPATT和相关渡越时间二极管,Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode and Related Transit Time Diode,一、IMPATT(碰撞电离雪崩渡越时间)二极管 二、BARITT(势垒注入渡越时间)二极管 三、TUNNETT (隧道渡越时间)二极管 （另一类机理负阻器件）,43,43,#、注入时间延迟和渡越时间效应,漂移区电流：传导电流与位移电流,44,44,x,45,结论： 1、注入相位角=0，无负阻； 2、注入相位角0，满足一定条件产生负阻。 如： =时， 2 有负阻，且=有最大负阻； =/2时，= 3/2有最

13、大负阻。 故 传导电流注入漂移区的延迟即可产生负阻,46,产生负阻机制： 注入延迟+渡越延迟电流与电压反向负阻 pn结二极管皆可，不同在于注入延迟的方式,47,47,一、IMPATT二极管（延迟注入方法-雪崩） 利用pn结雪崩击穿区载流子注入漂移区(低场势垒区)时的延迟 + 渡越漂移区的延迟形成负阻的器件,条件：漂移区宽度满足渡越时间要求,1、基本结构 雪崩区与漂移区（低场势垒区）组成,P+,i,n+,n-,n,雪崩区,漂移区,雪崩区,48,2、基本特性（反偏工作）及机理,微波固态源，30GHz300GHz连续波输出,电流下降时间,49,3、IMPATT小信号分析(负阻机理、条件及特性) （雪

14、崩区阻抗+漂移区阻抗）,x,50,50,雪崩区,1）雪崩区特性-雪崩区传导与位移电流,雪崩区总电流,交直流电流和阻抗：,-电离系数，取 = n= p,x,51,51,x,+,52,雪崩区交流电压,交流传导电流电感性，滞后90度,雪崩区交流电压,交流位移电流电容性，超前90度,分子、分母同除xA,53,雪崩区电流特性：,54,54,2）漂移区特性（电流和阻抗） 漂移区传导电流 漂移区位移电流,55,55,3）二极管总阻抗, r负阻,近似,56,4、大信号负阻特性分析,雪崩区产生的电子波包在漂移区 移动感生外电流。 外电流密度 雪崩区产生的电子波包密度:Qava ； 阳极感生电荷密度：QA(t)

15、雪崩区注入漂区的电流迟后180，始终有负阻； 漂移区渡越角180负阻最大。 最佳工作频率-周期为二倍渡越时间,57,IMPATT二极管振荡器原理电路,电流源偏置电路,电压源偏置电路,外端谐振器谐振频率与IMPATT相同； 直流偏置时的正反馈，可在IMPATT二端形成满足要求的 电流、交流电压信号和稳定的交流输出波形； 输出电流脉冲的结束时间由渡越延迟决定。,RL,RL,58,功率-频率限制 最大电流,最大功率,功率-频率积,功率-频率限制,高斯定理,高斯定理,59, IMPATT效率限制,漂移区直流电压,调制因子,漂移区交流 电压幅值,雪崩区直流电压,60,雪崩区产生电荷滞后； 漂移区渡越时间,61,61,二、BARITT二极管(势垒注入渡越时间二极管) (Barrier Injection Transit Time Diode) 利用pn结或金半结少子注入延迟和渡越漂移区延迟形成负阻,工作电压： VFB V VRT,62,62,2、基本特性,3、基本机理 1）偏置于穿通与平带