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1、集成电路设计集成电路设计-常用常用半导体器件半导体器件 常用半导体器件常用半导体器件4.1 半导体基础知识半导体基础知识2能带能带1、孤立原子能级、孤立原子能级原子中电子分层绕核运动，从能量观点看，在各原子中电子分层绕核运动，从能量观点看，在各层轨道上运动的电子具有一定的能量，这些能量层轨道上运动的电子具有一定的能量，这些能量是不连续的，只能取某些确定的数值，称为能级，是不连续的，只能取某些确定的数值，称为能级，可以用电子的能级来描述这些材料；可以用电子的能级来描述这些材料；2、共有化运动、共有化运动原子的电子壳层交叠；子壳层间电子相互转移原子的电子壳层交叠；子壳层间电子相互转移运动。运动。
2、3、能带形成、能带形成每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，但原子彼每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，但原子彼此靠近时，共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用，还要受此靠近时，共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用，这使得电子能量发生微小变化，孤立原子的每个能级到其他原子的作用，这使得电子能量发生微小变化，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能将演化成由密集能级组成的准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能带与之对应，所有这些能带称为允许带，相邻两个允许带间的空隙代表
3、晶带与之对应，所有这些能带称为允许带，相邻两个允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态，称为禁带。体所不能占有的能量状态，称为禁带。Si+14n=1n=2n=3n=1n=2n=3导带、价带导带、价带(满带满带)和禁带和禁带 a、导带、导带激发态形成的能带；激发态形成的能带； 电子未填满或空带；电子未填满或空带； 电子在电场作用下形成电流。电子在电场作用下形成电流。 b、价带、价带价电子所填充的能带；价电子所填充的能带； 如价带中所有量子态均被电子占满，称为满带，满如价带中所有量子态均被电子占满，称为满带，满带不具有导电作用。无任何电子占据的能带称为空带。带不具有导电作用。无任何电子占据的能带
4、称为空带。 c、禁带、禁带导带与价带间的能量间隔。导带与价带间的能量间隔。导带导带禁带禁带价带价带EVEcEcEV41 1 价带为未满带能导价带为未满带能导电电2 2 价带为满带，但禁价带为满带，但禁带宽度为零，价带与带宽度为零，价带与较高的空带相交叠较高的空带相交叠5 电子遵循费米电子遵循费米-狄拉克（狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布规律。）统计分布规律。能量为能量为E的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为：的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为：费米分布函数费米分布函数晶体中电子的能量状态呈能带分布，晶体中电子的能量状态呈能带分布，那么晶体中电子本身又是如何按照能量分布的呢？那
5、么晶体中电子本身又是如何按照能量分布的呢？空穴分布几率空穴分布几率费米能级物理意义费米能级物理意义T=0K时时： E EF , f(E) 0费米能米能级以下能以下能级完全被完全被电子填子填满，费米能米能级以上的能以上的能级全空，没有一全空，没有一个个电子子T0K时：时： E 1/2 E =EF , f(E) = 1/2 E EF , f(E) p 掺杂目的！掺杂目的！电子称为多数载流子电子称为多数载流子( (简称简称多子多子Majority carriers) )；空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称简称少子少子Minority carrier) )。5 价杂质原子称为施主价杂质原子
6、称为施主(Donor)原子，原子，作用是作用是 提供导电电子提供导电电子。价带价带导带导带施主能级施主能级电离能电离能 杂质（多子杂质（多子 ） 自由态（导电子自由态（导电子 ）束缚态束缚态 N 型半导体型半导体 约约 0.044eV按能带图按能带图(Energy band diagram)的意义如何理解？的意义如何理解？靠近导带靠近导带容易脱离容易脱离多数载流子多数载流子(多子多子)富裕的载流子富裕的载流子少数载流子少数载流子(少子少子)稀少的载流子稀少的载流子以以 N 型半导体为例型半导体为例 杂质电离杂质电离本征激发本征激发少子少子多子多子杂质的贡献很大杂质的贡献很大+施主电离施主电离
7、浓度决定于掺杂原子的浓度浓度决定于掺杂原子的浓度浓度决定于温度浓度决定于温度成对出现成对出现导带导带价带价带EVEcEfn在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的3价价杂杂质质元元素素，如如硼硼B、镓镓Ga、铟铟In等，即等，即 构成构成P型半导体型半导体(或称或称空穴型空穴型半导体半导体) 。3 价杂质原子称为受主价杂质原子称为受主(Acceptor)原子，原子，作用是作用是 提供导电提供导电空穴空穴。P 型半导体型半导体受主电离受主电离 P 型半导体型半导体 杂质（多子杂质（多子 ） 束缚态束缚态 自由态（导电空穴自由态（导电空穴 ）受主能级受主能级价带价带导带导带电离能电离能
8、 注意：能带图是按电子的能量标注的注意：能带图是按电子的能量标注的电子电子空穴空穴空穴浓度多于电子浓度，即空穴浓度多于电子浓度，即 pn 。 空穴空穴(Holes)为多数载流子，为多数载流子， 电子电子(Electrons)为少数载流子。为少数载流子。导带导带价带价带EVEcEfp说说 明：明：1.1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度； 温度决定少数载流子的浓度。温度决定少数载流子的浓度。3. 3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。2. 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体， 因而
9、其导电能力大大改善。因而其导电能力大大改善。T =300K(27)室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n0 = p0 = 1.51010/cm3掺杂后掺杂后 N型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: : n = 51016/cm3本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 5.01022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3，本征激发较少本征激发较少。Three parameters应该满足：应该满足：负电荷：负电荷：正电荷：正电荷：N型半导体的载流子浓度型半导体的载流子浓度电中性条件：电中性条件：施主能级被占据
10、几率为：施主能级被占据几率为：受主能级被空穴占据几率为：受主能级被空穴占据几率为：杂质半导体载流子浓度与费米能级杂质半导体载流子浓度与费米能级杂质能级与能带中能级的区别：杂质能级与能带中能级的区别：能带中能级能带中能级可以容纳可以容纳两个两个自旋相反的电子，而自旋相反的电子，而杂杂质能级质能级只能容纳只能容纳一个一个任意自旋的电子；所以杂质能级被占据的几率不能用标准的任意自旋的电子；所以杂质能级被占据的几率不能用标准的费米分布函数。费米分布函数。n电离受主浓度电离受主浓度n受主能级上的空穴浓度受主能级上的空穴浓度n电离施主浓度电离施主浓度施主能级上的电子浓度施主能级上的电子浓度1.施主能级上的
11、电子浓度就是施主能级上的电子浓度就是没有电离的施主杂质浓度；没有电离的施主杂质浓度；受主能级上的空穴浓度就是受主能级上的空穴浓度就是没有没有电离的受主杂质浓度。电离的受主杂质浓度。2.杂质有多少电离，显然取决杂质有多少电离，显然取决于杂质能级与费米能级的相于杂质能级与费米能级的相对位置。以施主为例：当对位置。以施主为例：当ED-EFk0T时，杂质几乎全部时，杂质几乎全部电离，电离， 反之当反之当EF-EDk0T时，施主杂质几乎没有电离。时，施主杂质几乎没有电离。当当EF=Ed时，杂质时，杂质1/3电离。电离。非简并半导体非简并半导体:掺入杂质原子的浓度与晶体或者半导体原子浓度相比很小，这些掺入
12、杂质原子的浓度与晶体或者半导体原子浓度相比很小，这些少量杂质原子的扩散速度足够快，因此施主电子间不存在相互作用，杂质会在少量杂质原子的扩散速度足够快，因此施主电子间不存在相互作用，杂质会在半导体中引入分立的、无相互作用的杂质能级半导体中引入分立的、无相互作用的杂质能级简并半导体：当杂质浓度增加，杂质原子间距缩小，施主电子开始相互作用，简并半导体：当杂质浓度增加，杂质原子间距缩小，施主电子开始相互作用，单一的分立的杂质能级将分裂为一个能带，随着杂质浓度升高，杂质能带宽度单一的分立的杂质能级将分裂为一个能带，随着杂质浓度升高，杂质能带宽度增加，当掺入杂质原子浓度与有效状态密度可比拟，杂质能带可能与
13、导带底相增加，当掺入杂质原子浓度与有效状态密度可比拟，杂质能带可能与导带底相交叠交叠29杂质的补偿作用杂质的补偿作用工艺的需要，因器件很小工艺的需要，因器件很小 补偿：在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质提供的自补偿：在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质提供的自由电子和受主杂质具有相互抵消的作用。由电子和受主杂质具有相互抵消的作用。 用用 和和 表示施主和受主浓度表示施主和受主浓度 受主能级受主能级 施主能级施主能级 导带中的中的电子子浓度：度： N 型半导体基体型半导体基体 有效施主浓度有效施主浓度 掺磷掺磷掺硼掺硼高浓度扩散高浓度扩散高浓度扩散高浓度扩散转型转型
14、再转型再转型补偿型本征半导体材料：半导体杂质的存在会影响半导体中载流子的迁移率、补偿型本征半导体材料：半导体杂质的存在会影响半导体中载流子的迁移率、寿命等，因此补偿型本征半导体材料的性质比本征半导体材料差。寿命等，因此补偿型本征半导体材料的性质比本征半导体材料差。同时含一种施主杂质和一种同时含一种施主杂质和一种受主杂质受主杂质同时含若干种施主杂志和若同时含若干种施主杂志和若干种受主杂质干种受主杂质一般情况的电中性条件一般情况的电中性条件-杂质补偿杂质补偿第四章第四章 常用半导体器件常用半导体器件4.2 PN结结32结面结面基体基体衬底（外延层）衬底（外延层）PN结：采用不同的掺杂工艺，将结：采
15、用不同的掺杂工艺，将P型半导体型半导体与与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们型半导体制作在同一块硅片上，在它们交界面就形成交界面就形成PN结，结，PN结具有单向导电性结具有单向导电性33平衡平衡 PN 结结 在在P型半导体型半导体与与N型半导体型半导体的紧密接触交界处，的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能过渡区域；会形成一个具有特殊电学性能过渡区域； 平衡平衡PN结结就是指没有外加就是指没有外加电压电压、光照光照和和辐射辐射等的等的PN结。结。结面结面基体基体衬底（外延层）衬底（外延层）平衡平衡pn结空间电荷区与自建电场形成结空间电荷区与自建电场形成 1）相互接触时，在交界面处存在着
16、电子和相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓度差，空穴的浓度差，p区和区和n区多子分别向对方区多子分别向对方扩散扩散2）界面）界面p区侧留下固定离化受主负电荷，区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为该正负电荷称为空间电荷空间电荷，存在正负，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷的区域称为空间电荷区或者耗尽层空间电荷区或者耗尽层。3）正）正-负电荷间产生电场，负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区该电场称为空间电荷区自建电场自建电场；4）自建电场使空间电荷区内的电子和空穴）自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其产生与其扩散运动
17、方向相反的漂移运动扩散运动方向相反的漂移运动；电子电子空穴空穴电子电子空穴空穴35空间电荷区与自建电场形成空间电荷区与自建电场形成5）随扩散运动的进行，空间电荷区正、）随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强子和空穴的漂移运动也不断加强;6）电子和空穴各自的扩散（扩散流）与电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、荷量、正、负空间电荷区宽度、
18、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，衡，两个相反的运动大小相等、方向相反；两个相反的运动大小相等、方向相反；形成稳定分布形成稳定分布。7）电中性决定了空间电荷区内）电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等正、负空间电荷量相等。 电子电子空穴空穴电子电子空穴空穴PN结结= =空间电荷区空间电荷区= =耗尽层耗尽层= =内电场内电场= =电阻电阻漂移运动漂移运动 电场力电场力 少子少子扩散运动扩散运动 浓度差浓度差 多子多子36接触电位差（扩散势，内建电场）接触电位差（扩散势，内建电场） (以突变结为例以突变结为例) 自自建建电电场场的的存存在
19、在，在在pn结结空空间间电电荷荷区区内内产产生生了了由由 p区区侧侧负负电电荷荷区区到到n区区侧侧正正电电荷荷区区逐逐渐渐上上升升的的电电位位分分布布，使使中中性性n区区形形成成了了一一个个相相对对于于中中性性p区区为为正正的的电电位位差，该电位差称为差，该电位差称为pn结结接触电位差接触电位差，用，用bi表示。表示。 在在空空间间电电荷荷区区边边界界，多多子子和和少少子子浓浓度度与与相相应应中中性性区区相相等等，对对电电场场表表达达式式积积分即可得到分即可得到接触电位差接触电位差(x)Vbi-xp-xnEi(x)p区区n区区37能带结构能带结构 孤立孤立p区和区和n区能带结构如下图区能带结构
20、如下图 空空间间电电荷荷区区自自建建电电场场的的存存在在，形形成成从从中中性性p区区到到中中性性n区区逐逐渐渐上上升升的的电电位位。使使空空间间电电荷荷区区内内导导带带底底、价价带带顶顶及及本本征征费费米米能能级级依依其其电电位位分分布布从从p区区边边界界到到n区区边边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么，那么(x)、能带结构、能带结构如图示如图示EFnEFpEipEin(x)Vbi-xp-xnEi(x)EFp区区n区区 平衡平衡pn结费米能级处处相等结费米能级处处相等38空间电荷区空间电荷区 少子少子 少子少子 多子多子 多子多子 扩散区扩散区
21、分布按指数规律变化分布按指数规律变化 耗尽区或耗尽层耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽；空间电荷区的载流子已基本被耗尽； n:电子电子 p:空穴空穴 Depletion layer空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;自建电场自建电场平衡平衡PN结两侧载流子浓度分布结两侧载流子浓度分布非平衡非平衡pnpn结结 定定 义：义：施加偏压的施加偏压的npnp结。此时结。此时pnpn结处于非平衡状态，称非平衡结处于非平衡状态，称非平衡pnpn结。结。 正向偏置：正向偏置：偏置电压为偏置电压为p p区电位高于区电位高于n n区电位区电位 反向偏置：反向偏置：偏置
22、电压为偏置电压为n n区电位高于区电位高于p p区电位区电位 特特 征征-与平衡与平衡pnpn结相比：结相比： 空间电荷区内电场发生变化空间电荷区内电场发生变化-破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡 空间电荷区宽度变化；载流子分布变化；空间电荷区宽度变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象产生新的物理现象-形成电流：形成电流：40电子电子空穴空穴正正 偏偏-电场被削弱电场被削弱1.外电场将多数载流子推向空间电荷区，外电场将多数载流子推向空间电荷区，空间电荷区变窄，空间电荷区变窄，空间电荷区内建电空间电荷区内建电场被削弱；场被削弱；2.2.载流子扩散运动大于漂移运动，
23、发生载流子扩散运动大于漂移运动，发生非非平衡少子注入：平衡少子注入：电子向电子向p区扩散，区扩散，空穴向空穴向n区扩散。区扩散。破坏了载流子扩散、破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；漂移的动态平衡；3.载流子浓度在空间电荷区及边界高于载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；其平衡值；边界处非平衡少数载流子边界处非平衡少数载流子向体内扩散；非平衡少子边扩散边与向体内扩散；非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。部复合。 #少子扩散区：少子扩散区：非平衡少子扩散并被复非平衡少子扩散并被复合的区域称为合的区域称为非平衡少子扩散区非平衡少子扩散区。4
24、.被复合多子从外电极提供，构成被复合多子从外电极提供，构成-正正向（扩散）电流向（扩散）电流 。正向注入正向注入 p区区n区区自建自建外外xm+ Ln扩散区扩散区 Ln扩散区扩散区 Ln扩散区扩散区 Lp扩散区扩散区PN结的结的P区接电源正极区接电源正极为正向偏为正向偏置置(称称正偏正偏 forward biased)空空间间电电荷荷区区内内电电场场发发生生变变化化-破破坏坏了了载载流流子子扩扩散散、漂漂移移的的动动态态平平衡衡；空空间间电电荷荷区区宽宽度度变变化化；载载流流子子分分布布变变化化；产生新的物理现象产生新的物理现象-形成电流形成电流41反反 偏偏-电场被加强电场被加强1. 外电场
25、与内建电场方向相同，排斥外电场与内建电场方向相同，排斥多数载流子的扩散，使得空间电荷区多数载流子的扩散，使得空间电荷区加宽，内电场加强；加宽，内电场加强；2. 内电场加强了内电场加强了少数载流子的漂移运少数载流子的漂移运动动载流子漂移运动，空间电荷区及其载流子漂移运动，空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值；边界少子浓度低于平衡值；3. 扩散长度内产生电子扩散长度内产生电子-空穴对；空穴对； 产生的多子漂移向电极；产生的多子漂移向电极； 产生的少子向产生的少子向 xm内扩散，并在电内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极场作用下漂移进对方及漂移向电极- 形成形成反向（漂移）电流反向（漂移）电
26、流。因为少子数目极少，即使所有的少子因为少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，都参与漂移运动，反向电流也非常小，反向抽取反向抽取认为认为PN结处于截止状态。结处于截止状态。# 载流子的产生区也称为载流子的产生区也称为少子扩散区少子扩散区。p区区n区区自建自建外外xm+ Ln扩散区扩散区 Lp扩散区扩散区空空间间电电荷荷区区内内电电场场发发生生变变化化-破破坏坏了了载载流流子子扩扩散散、漂漂移移的的动动态态平平衡衡；空空间间电电荷荷区区宽宽度度变变化化；载载流流子子分分布布变变化化；产生新的物理现象产生新的物理现象-形成电流形成电流电子电子空穴空穴多子被阻挡多子被阻挡无大
27、电流无大电流少子做贡献少子做贡献微电流微电流作用作用电阻很大电阻很大42正向电流转换和传输正向电流转换和传输 Forward-active regime漂移漂移 扩散扩散 复合复合 正向注入正向注入PN结伏安特性方程：结伏安特性方程：PN结的正、反向结的正、反向V-A特性特性 将将PN结的正向特性和反向特性组合起来结的正向特性和反向特性组合起来 正向电流很小正向电流很小 导通电压导通电压UTH（称门槛电压）（称门槛电压）正向电流达到某一明显数值时正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压所需外加的正向电压正常工作区的边界；正常工作区的边界；急剧增大急剧增大 室温时，锗室温时，锗PN结的导通
28、电压约为结的导通电压约为0.25 V，硅，硅PN结为结为0.5 V。 反向饱和电流反向饱和电流 正向电压正向电压正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增加很大正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增加很大 ，成，成指数规律增加，电流随着电压的增加快速增大；指数规律增加，电流随着电压的增加快速增大； 反向电压反向电压反向截止反向截止 ；反向抽取使边界少数载流子浓度减少，很快趋；反向抽取使边界少数载流子浓度减少，很快趋向于零，电压增加时电流趋于向于零，电压增加时电流趋于“饱和饱和” ； 正向电阻小正向电阻小 反向电阻大反向电阻大 leakage正向导通，正向导通，多数载流子扩散电流；多数载流子扩散
29、电流；反向截止，反向截止，少数载流子漂移电流；少数载流子漂移电流；单向导电性单向导电性 n区区p区区InIp能带结构能带结构 孤立孤立p区和区和n区能带结构如下图区能带结构如下图 空空间间电电荷荷区区自自建建电电场场的的存存在在，形形成成从从中中性性p区区到到中中性性n区区逐逐渐渐上上升升的的电电位位。使使空空间间电电荷荷区区内内导导带带底底、价价带带顶顶及及本本征征费费米米能能级级依依其其电电位位分分布布从从p区区边边界界到到n区区边边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么，那么(x)、能带结构、能带结构如图示如图示EFnEFpEipEin(x)
30、Vbi-xp-xnEi(x)EFp区区n区区 平衡平衡pn结费米能级处处相等结费米能级处处相等46准费米能级准费米能级：空空间间电电荷荷区区内内费费米米能能级级不不再再连连续续,电电子子和和空空穴穴没没有有统统一一费费米米能能级。通常分别用级。通常分别用准费米能级准费米能级EnF和和EpF表示。表示。正正 偏偏反反 偏偏 EnF = EpF + qVA-xpxnxn-xp非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 。47pn结电容和等效电路结电容和等效电路1）势垒电容（耗尽层电容）势垒电容（耗尽层电容） 空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而
31、变化，这种现象与电容空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化，这种现象与电容器的充放电过程相同器的充放电过程相同-体现为电容效应，称为体现为电容效应，称为pn结势垒电容结势垒电容。 pn结结单位单位面积势垒电容用面积势垒电容用CT表示表示。 2）扩散电容）扩散电容 扩散区积累的非平衡少子电荷随外加偏置电压的变化而变化，体现为电扩散区积累的非平衡少子电荷随外加偏置电压的变化而变化，体现为电容效应，该电容发生在扩散区容效应，该电容发生在扩散区-称为称为扩散电容扩散电容，用，用表示表示。由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时
32、有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。扩散电容的并联。 反反 偏：偏：非平衡少子随反偏变化量很小，非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。扩散电容也极小，一般可以不考虑。a. 非平衡非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴结空间电荷区及其边界电子与空穴 浓度的积相等，且是偏置电压的浓度的积相等，且是偏置电压的e指数函数。指数函数。b. 非平衡非平衡pn结空间电荷区边界少子浓度为平衡结空间电荷区边界少子浓度为平衡 少子浓度与偏置电压少子浓度与
33、偏置电压e指数函数的积。指数函数的积。n区区p区区InIp48等效电路等效电路 势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数； 势垒电容与扩散电容相并联；势垒电容与扩散电容相并联； 中性区及与外电极接触处存在电阻。中性区及与外电极接触处存在电阻。 势势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容容，使使得得以以pn结结为为基基本本单单元元的的半半导导体体 器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。 g:增量电阻（扩散电阻）随着偏置电流的增加而减小增量电阻（扩散电阻）随着偏置电流的增加而减小本征等效电路本征等效电路49pn结击穿结
34、击穿 定定义义：反反向向电电压压增增大大到到某某一一值值时时，电电流流急急剧剧上上升升。这这种种现象称为现象称为pn结的击穿。结的击穿。 相应反偏电压相应反偏电压称为称为pn结击穿电压。结击穿电压。 击击穿穿是是pn的的本本征征现现象象，本本身身不不具具有有破破坏坏性性，但但是是如如果果没没有有恰恰当的限流保护措施，当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。结则会因功耗过大而被热损坏。击穿机制：击穿机制： 热击穿；热击穿； 隧道击穿；隧道击穿； 雪崩击穿雪崩击穿-常见的主要击穿机制。常见的主要击穿机制。50 1） 热击穿热击穿pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；结反向电流有反向
35、扩散流和产生流二个分量；扩散流正比于扩散流正比于ni ： Pc| |R|R|TjTjIRIRniIRIR反向偏压反向偏压功功 耗耗结温结温niT3 exp(- -Eg0/KT)击穿击穿反向电流密切依赖于本征载流子浓度。反向电流密切依赖于本征载流子浓度。产生电流正比于产生电流正比于nip区区n区区自建自建外外xm+ Ln扩散区扩散区 Lp扩散区扩散区512）隧道击穿）隧道击穿(Zener breakdown)（齐纳击穿或场致击穿）（齐纳击穿或场致击穿） 量子贯穿，量子贯穿，可逆可逆势垒区水平距离势垒区水平距离d 变窄，变窄，发生量子隧道效应；发生量子隧道效应； 硅硅PN结，击穿电压小于结，击穿电
36、压小于4 V的是隧道击穿；的是隧道击穿； 当当PN结两边掺入高浓度的杂质时结两边掺入高浓度的杂质时, 其耗尽层宽度很小其耗尽层宽度很小, 即使外即使外加反向电压不太高加反向电压不太高(一般为几伏一般为几伏), 在在PN结内就可形成很强的电结内就可形成很强的电场场(可达可达2106 V/cm), p区价带顶可以高于区价带顶可以高于n区导带低，那么区导带低，那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压达区。当反偏压达到到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称种现
37、象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿齐纳击穿。 隧道贯穿隧道贯穿变窄变窄强电场强电场产生原因：产生原因：3 3）雪崩击穿）雪崩击穿 碰撞电离碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，空穴对，称为碰撞电离。称为碰撞电离。 雪崩倍增效应雪崩倍增效应-产生的电子产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代
38、电子与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。称为雪崩击穿。53VB VB 6 6g/q g/q ，通常为雪崩击穿；，通常为雪崩击穿；VB VB 4 4g/q g/q ，通常为，通常为隧道隧道击穿；击穿；4 4g/q g/q VB VB 1-单边单边指指数缓变结数缓变结; m 0-称为超突变结。称为超突变结。 -5/31）基本掺杂结构：）
39、基本掺杂结构：势垒电容随偏压变化的速率与掺杂势垒电容随偏压变化的速率与掺杂浓度及分布有关。浓度及分布有关。 pn结结n区一侧掺杂分布为区一侧掺杂分布为:应用：应用：VCO，希望，希望dC/dV大大582 2）基本特性）基本特性: : pn结单位面势垒电容为结单位面势垒电容为 （解泊松方程）（解泊松方程） 电容随偏压的变化电容随偏压的变化 -超突变结最大超突变结最大; ; 突变结次之突变结次之; ; 缓变结最小。缓变结最小。594、pin二级管（常用于开关集成电路设计）二级管（常用于开关集成电路设计）1). 基本结构基本结构 pin是是在在高高掺掺杂杂p区区和和n区区之之间间有有一本征层（一本征
40、层（i区）的二极管。区）的二极管。本本征征层层很很难难实实现现，通通常常用用高高阻阻p-型层或高阻型层或高阻n-型层代替：型层代替： pp-n-pn; pn-n-pn图图 (b)-杂质分布杂质分布; ; (c)-空间电荷分布空间电荷分布; ; (d)-电场分布。电场分布。 605、江崎二级管、江崎二级管定义：简并定义：简并p型半导体与简并型半导体与简并n 型半导体构成的型半导体构成的pn结结伏安特性伏安特性(经验公式经验公式)：Ip：峰值电流；：峰值电流；Iv：谷值电流；：谷值电流；Vp: 峰值电压；峰值电压；Vn: 谷值电压。谷值电压。ISIpIVVp VVVI616、异质结二极管、异质结二
41、极管异质结异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。类类 型型：异型异质结异型异质结-导电类型不同的两种材料形成的结导电类型不同的两种材料形成的结(异质异质pn结结) ； 同型异质结同型异质结-导电类型相同的两种材料形成的结导电类型相同的两种材料形成的结(n-n结结)(p-p结结) 。异质异质pn结应用结应用： 微电子器件微电子器件-提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。 光电子器件光电子器件-提高器件效率等。提高器件效率等。主要异质结材料主要异质结材料： 关注的主要有关注的主要有aAs基材料，如基材料，如Al
42、xGa1xAs/GaAs、InxGa1xAs/GaAs； Si1xGex/Si，等。式中，等。式中x表示该元素的百分比组分。表示该元素的百分比组分。 改变改变x可实现禁带宽度的调控。可实现禁带宽度的调控。本节介绍异型异质结（异质本节介绍异型异质结（异质pn结，简称异质结）主要物理特性和电学特性。结，简称异质结）主要物理特性和电学特性。 62应应 用用1、变容二极管（、变容二极管（VCO）2、分压器、分压器63第四章第四章 常用半导体器件常用半导体器件4.3 双极晶体管双极晶体管64“双极双极”Bi-polar 有两个有两个P-N结结两个彼此十分靠近的背靠背的两个彼此十分靠近的背靠背的P-N结结
43、 两个结之间就会相互作用而发生载流子交换；两个结之间就会相互作用而发生载流子交换；参加工作的参加工作的 不仅有少数载流子，也有多数载流子；不仅有少数载流子，也有多数载流子； 晶体管的基本结构、分类和晶体管的基本结构、分类和符号符号 CollectorBaseEmitter基区：最薄，基区：最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：发射区：掺杂浓度最高掺杂浓度最高集电区：集电区：面积最大面积最大发射结电发射结电流方向流方向发射发射结电结电流方流方向向1. 基本工作原理基本工作原理Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip +
44、 IVB - IRI3=In IVB + IR a.基本原理基本原理载流子输运过程载流子输运过程: :a a.n.n区电子注入区电子注入p p区，区， 边扩散边复合边扩散边复合-IVB-IVB；b b.n.n区注入区注入p p的电子扩散的电子扩散 至反偏结空间电荷区至反偏结空间电荷区 边界被反偏电场抽至边界被反偏电场抽至 n n区，形成电流区，形成电流-InC-InC；c c.p.p空穴注入空穴注入n n区，区， 边扩散边复合边扩散边复合-Ip-Ip；d d. .反偏结反向电流反偏结反向电流-IR-IR。VfpnnVR(Ip+In)(Ip+In)InIpIp=IRIn=IRp66n 发射结正向
45、偏置发射结正向偏置-发射电子发射电子发射结发射结正向偏置正向偏置，外加电场有利于载流子的，外加电场有利于载流子的扩散运动扩散运动，高掺杂发射区的多，高掺杂发射区的多数载流子（电子）将向基区扩散（或注入）；同时，基区的多数载流子数载流子（电子）将向基区扩散（或注入）；同时，基区的多数载流子（空穴）也（空穴）也 向发射区扩散并与发射区中的部分电子复合。向发射区扩散并与发射区中的部分电子复合。n 载流子在基区的传输与复合载流子在基区的传输与复合到达基区的一部分电子将与到达基区的一部分电子将与P型基区的多数载流子（空穴）复合，由于低掺杂型基区的多数载流子（空穴）复合，由于低掺杂的基区空穴浓度比较低，且
46、的基区空穴浓度比较低，且基区很薄基区很薄，所以到达基区的电子与空穴复合的机会，所以到达基区的电子与空穴复合的机会很少，大多数电子在基区中继续传输，到达靠近很少，大多数电子在基区中继续传输，到达靠近集电结集电结的一侧。的一侧。n 集电结反向偏置集电结反向偏置-收集电子收集电子由于集电结反向偏置，外电场的由于集电结反向偏置，外电场的 方向将阻止集电区的多数载流子（电子）方向将阻止集电区的多数载流子（电子）向基区运动，但有利于将基区中扩散过来的电子，扫向集电区被集电极收向基区运动，但有利于将基区中扩散过来的电子，扫向集电区被集电极收集。集。 以上就是载流子以上就是载流子三个主要三个主要的传输过程，由
47、于发射区的高掺杂，多数载流的传输过程，由于发射区的高掺杂，多数载流子电子浓度很高，所以晶体管载流子的传输主要是以电子的传输为主：简单的子电子浓度很高，所以晶体管载流子的传输主要是以电子的传输为主：简单的总结为：总结为：发射极发射电子发射极发射电子：电子穿越发射结进入基区：电子穿越发射结进入基区-发射区向基区发射区向基区 注入电子。注入电子。电子穿越基区电子穿越基区： 基区传输电子基区传输电子电子穿越集电结，被集电结收集电子穿越集电结，被集电结收集：集电极收集电子：集电极收集电子Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip
48、 + IVB - IRI3=In IVB + IR若：若： IVB In ， Ip In 则：则： I2 I3 若：若： I2 作为输入，作为输入， I3作为输出，作为输出， 则：则： 实现电流放大实现电流放大b.b.实现电流放大条件实现电流放大条件a.实现上述载流子输运：实现上述载流子输运： 一个结反偏一个结反偏 一个结正偏一个结正偏b.实现实现 IVB In : Wp LnC.实现实现 Ip Np692. 电流关系电流关系InCVBEpnnVCBIEIBIpEICInEIVBICBO IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC
49、 + ICBO IE= IB + IC InC直流：直流：IEIEIpEInEIVB一只良好的晶体管一只良好的晶体管，IC 与与IE 十分接近十分接近，而而 IB 很小（例如，很小（例如，只有只有IC 的的1%2%）。）。 发射区发射区 NE WE基区基区 NB WB 收集区收集区 NC WCIEICIB703. 晶体管的能带及其载流子的浓度分布晶体管的能带及其载流子的浓度分布平衡状态时平衡状态时，即即 不加外电压不加外电压 ，有统一的费米能级。有统一的费米能级。 宽度宽度杂质均匀分布杂质均匀分布重掺杂重掺杂AV多子多子少子少子Thermal equilibriumCarrier distri
50、bution非平衡状态非平衡状态，加外电压加外电压 ，发射结正偏发射结正偏(Forward bias)，集电结反偏集电结反偏(Reverse bias)，没有统一的费米能级。没有统一的费米能级。相对抬高相对抬高 相对压低相对压低 发射区向基区注入电子（少子）发射区向基区注入电子（少子） 基区向发射区注入空穴（少子）基区向发射区注入空穴（少子） 集电区少子浓度分布集电区少子浓度分布 少子分布少子分布 ACTIVE MODE*比较前页比较前页4. 晶体管的直流电流放大系数晶体管的直流电流放大系数晶体管晶体管只有三个极只有三个极不同接法的晶体管，其放大能力是不同的；不同接法的晶体管，其放大能力是不同
51、的；电流放大能力分析电流放大能力分析 用用电电流流放放大大系系数数(电电流流增增益益)表表征征。通通常有共基极和共射极电流放大系数。常有共基极和共射极电流放大系数。1) 共基极电流放大系数共基极电流放大系数-0表示表示a. 发射效率发射效率- -：b. 基基区区输输运运系系数数- -* ： 1IpE / InE NBNEWb1 IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC 75A.晶体管具有电流放大能力，须具备晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件三个条件： E(x)B(x)-使发射效率使发射效
52、率尽可能接近于；尽可能接近于； wb IC 机理。机理。766、共发射极连接的直流特性曲线共发射极连接的直流特性曲线(Gummel Figure)ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路直流工作点（静态工作点）直流工作点（静态工作点）T作用：使发射结正偏，并作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。提供适当的静态工作点。反向饱和电流反向饱和电流 呈指数增大呈指数增大 输入特性曲线输入特性曲线 Non-linear voltage-current死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管，锗管0.1V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0
53、.20.3V。注意：电流的单位；注意：电流的单位； 死死 区区阻抗很大阻抗很大开启电压开启电压阈值电压阈值电压？输出特性曲线输出特性曲线可分为三个区可分为三个区 有源有源放大区放大区 饱饱和和区区 截截止止区区 特性曲线的疏密可看出电流放特性曲线的疏密可看出电流放大系数的大小大系数的大小 曲线微微向上倾斜曲线微微向上倾斜 输出电流受输入电流控制输出电流受输入电流控制电流控制器件。电流控制器件。 输出等效电阻输出等效电阻 注意：两个电流的单位；注意：两个电流的单位； Current gainICMa.a.发发射射结结反反偏偏或或者者发发射射结结电电压压小小于于开开启启电电压压UonUon，集集电
54、电结结反反偏偏UBE=UonUBEUBE. UCEUBE. 截止状态截止状态b.b.发发射射结结正正偏偏，集集电电结结反反偏偏 iCiC几几乎乎仅仅仅仅决决定定于于IBIB，而而与与uCEuCE无无关关，表表现现出出IBIB对对iCiC的控制作用。的控制作用。放大区放大区 c.c.发发射射结结正正偏偏，集集电电极极正正偏偏饱饱和和状状态态0IB IC (IB=IpE+IVB+ IpC) (IC=InC IpC)实实际际电电路路中中，UBE增增加加时时，IB随随之之增增加加，但但是是IC增增大大不不多多或或者者增增大大不不多多，因因为为iC不不仅仅与与IB有有关关，而而且且明明显显随随UCE增增
55、大大而而增大。增大。d.d.发射结正偏，集电结零偏发射结正偏，集电结零偏 临界饱和状态临界饱和状态 0 IB = ICe.e.发射结反偏，集电结正偏发射结反偏，集电结正偏- - 反向放大状态。反向放大状态。？载流子分布？放大能力？载流子分布？放大能力？ IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC 80输出特性曲线二个特征输出特性曲线二个特征: : IE与与IB较小或较大时，较小或较大时，0 0和和0 0较小，而且较小，而且IC越大或越小越大或越小0 0和和0 0越小越小; ; 随随VCB或或V
56、CE的增大，输出电流的增大，输出电流IC略有增大，反映出略有增大，反映出0 0和和0 0增大。增大。6.电流放大系数与电流关系：电流放大系数与电流关系：IB=Ii50100IC/mA5 10 15 20复合的影响复合的影响 大注入效应的影响大注入效应的影响817、 晶体管的反向电流与击穿特性晶体管的反向电流与击穿特性(Breakdown Effect)反向电流与击穿电压标志着性能的优劣与使用的电压范围反向电流与击穿电压标志着性能的优劣与使用的电压范围 反向电流反向电流对放大作用没有贡献，甚至影响工作的稳定性；对放大作用没有贡献，甚至影响工作的稳定性；击穿电压击穿电压决定了外加电压的上限。决定了
57、外加电压的上限。 7.1晶体管的反向电流晶体管的反向电流(isolated p-n junction) 集电结反向电流集电结反向电流（发射极开路）（发射极开路）ICBO 发射结反向电流发射结反向电流（集电极开路）（集电极开路）IEBO IE=0IC=0两电流随着温度的升高而呈指数增大两电流随着温度的升高而呈指数增大 温度每增加温度每增加10 C，ICBO增大一倍。硅管增大一倍。硅管优于锗管。优于锗管。Open集电极集电极-发射极间的穿透电流（基极开路）发射极间的穿透电流（基极开路）ICEO IB=0流过管子的电流，它不受基极电流控制流过管子的电流，它不受基极电流控制 正偏正偏 反偏反偏 空穴流
58、空穴流 电子注入电子注入 和晶体管正常工作情况一样，和晶体管正常工作情况一样， 复复合合 复复合合 in a positive feedback loopICEO受温度的影响大，受温度的影响大，三极管的温度特性较差。三极管的温度特性较差。一般来讲，一般来讲，ICEO 比比 ICBO 大不了太多。大不了太多。 7.2 晶体管的反向击穿电压晶体管的反向击穿电压 集电极集电极基极反向击穿电压（发射极开路）基极反向击穿电压（发射极开路）BUCBO 反偏反偏 UB软击穿软击穿 硬硬击击穿穿 规定的反向电流规定的反向电流 BreakdownOpen基区基区集电区集电区集电极集电极发射极反向击穿电压（基极开路）发射极反向击穿电压（基极开路）BUCEO 它是共射极用时，集电极它是共射极用时，集电极发射极间所能承受的最大反向电压。发射极间所能承受的最大反向电压。 d尖峰尖峰注入控制不利注入控制不利集电结集电结（两个结宽）（两个结宽）发射结发射结
