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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 PKU
2、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NP空间电荷区X
3、M空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX 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 级被电子占据的几率为： E=EF时，能
4、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 Microelectronics PKU Institute of
5、 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 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
6、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VrbInstitute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 6. PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7. PN结电容Institute of Microelectronics PKU Inst
7、itute 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 Microelectronics 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
8、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
9、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 Icbocbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流I Ieboebo：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 Iceoceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极
10、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BVBVcbocboBvBvceoceoBVBVeboeboBVBVeeoeeo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
11、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 fT 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频率f fMM：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
12、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 Microelectronics 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 IC C和尽可能小和尽可能小
13、 的的I IB BInstitute 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 Microelectronics 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ppMOS
14、MOS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-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC斜率直流和交 流时均成 立交流电容交流电容C定义为 ：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（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 RpRS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+-VP+Nxd偏压改变VInstitute of Microelectronics PKU
15、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 Microelectronics 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）Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microe
