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1、北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 半导体及其基本特性半导体及其基本特性北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 固体材料：超导体固体材料：超导体: 大于大于106( cm)-1 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1？什么是半导体？什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：
2、不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 1. 半导体的结构半导体的结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构： 构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体， 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 半导体半导体的结合和晶体结构的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半
3、导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子
4、束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大
5、学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键态、反键态原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带
6、禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E Eg g g g北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效
7、质量电子和空穴的有效质量m*m*北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中
8、掺的中掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子
9、学研究所 本征载流子浓度：本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 6. 6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于
10、大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 7. 电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以
11、相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 n型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分
12、布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 9. 9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载
13、流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载载流流子子的的漂漂移移运运动动：载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的运运动动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（晶格散射（ 热热 运运 动动 引
14、引 起）起） 电离杂质散射电离杂质散射北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：空穴扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合
15、、直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程扩散长度扩散长度扩散长度扩散长度L Ln n和和和和L Lp p: L=(D: L=(D ) )1/21/2北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米静电势由本征费米能级能级Ei的变化决定的变化决定能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增
16、加北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 方程的形式方程的形式1方程的形式方程的形式2电荷电荷密度密度 (x)可动的可动的 载流子（载流子（n,p)固定的固定的 电离的施主、受主电离的施主、受主特例：特例：均匀均匀Si中，中，无外加偏无外加偏压时，压时，方程方程RHS0，静电势为静电势为常数常数北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 电流连续方程电流连续方程 可动载流可动载流子的守恒子的守恒热平衡时：热平
17、衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2电子：电子：空穴空穴北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散项扩散项漂移项漂移项方程形式方程形式1北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼关系波耳兹曼关系方程形式方程形式2电子和空穴的准费米势：电子和空穴的准费米势：费米势北京大学北京大学北
18、京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 重 点半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征型半导体、本征半导体、非本征半导体半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电
19、子学研究所 作作 业业载流子的输运有哪些模式，对这载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征设计一个实验：首先将一块本征半导体变成半导体变成N型半导体，然后再型半导体，然后再设法使它变成设法使它变成P型半导体。型半导体。北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 半导体器件物理基础半导体器件物理基础北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研
20、究所 *据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外种，另外还有还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格半导体器件物理基础半导体器件物理基础北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 PN结的结构结的结构北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 1.
21、PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层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，因为空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子缺少载流子北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2. 平衡的平衡的PN结：结：没有外加偏压没有外加偏压能带结构能带结构能带结构能带结构载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势，形成自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势
22、自建场和自建势北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 费米能级费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央本征费米能级位于禁带中央北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直平衡时的能带结构平衡时的能带结构北京大学
23、北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 3.正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移N区区P区区空穴：空穴：正向电流正向电流正向电流正向电流电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移NP北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 正向的正向的PN结电流输运过程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电
24、流传输与转换（载流子的扩散和复合过程北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 4. PN结的反向特性结的反向特性N区区P区区空穴：空穴：电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移反向电流反向电流反向电流反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散NP北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 N区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：
25、空穴： P区区N区区扩散扩散漂移漂移反向电流反向电流反向电流反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 5. PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性： 正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压反向击穿电压Vrb北京大学北京大学北京大学北
26、京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 6. PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳齐纳/隧穿击隧穿击穿穿7. PN结电容结电容北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2.4 双极晶体管双极晶体管1. 1. 双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的PNPN结组成：结组成：结组成：结组成：分为：分为：分为：分为：NPNNPN和和和和PNPPNP
27、两种形式两种形式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发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管的双极晶体管的两种形式：两种形式：NPN和和PNPNPNcbecbePNP北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管双
28、极晶体管的结构和版的结构和版图示意图图示意图北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2.3 NPN2.3 NPN晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运相应的载流子分布相应的载流子分布相应的载流子分布相应的载流子分布北京大学北京大学北京大学
29、北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运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晶体管的电流转换晶体管的电流转换电子流电子流电子流电子流空穴流空穴流空穴流空穴流北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2.3 NPN2.3 NPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态晶体管的几种组态晶体管的几种组态共基极共基极共发射极共发射极共收集极共收集极共基极共基极共基
30、极共基极共发射极共发射极共发射极共发射极共收集极共收集极共收集极共收集极NNP晶晶 体体 管管 的的 共共 收收 集集 极极 接接 法法cbe北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 3. 3. 晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性3.1 3.1 共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线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：三个区域：三个区域：饱和区饱和区饱和区饱和区放大区放大区放大区放大区截止区截止区截止区截止区北京大学北京大学北京大学北京大
31、学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 3. 3. 晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性3.2 3.2 共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 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
32、流放大系数和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交流放大系数交流放大系数 0 0 、 两者的关系两者的关系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交流放大系数交流放大系数 0 0、 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 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
33、漏电流反向漏电流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晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一北京大学北京大
34、学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续）（续）（续）（续）4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压BVBVcbocboBvBvceoceoBVBVeboeboBVBVeeoeeo晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所
35、微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续）（续）（续）（续）4.4 4.4 晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性 截止频率截止频率截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放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所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率截止频率截止频率f f ：特征频率特征频率特征频率特征频率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共发射极电流放大系数为共发射极电流放
36、大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率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最高振荡频率最高振荡频率f fMM：功率增益为功率增益为功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率时对应的频率时对应的频率北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 5. BJT的特点的特点优优点点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电
37、流流过过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 输入电容由输入电容由扩散电容决扩散电容决定定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输
38、入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载流子密度高跨导高跨导北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电饱和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数设计设计设计设计BJTBJT的关键：的关键：的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的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和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B北京大学北京大学北京大
39、学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 2.5 MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS电容结构电容结构 MOSFET 器件器件北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 1. MOS 电容电容pp电容的含义电容的含义电容的含
40、义电容的含义ppMOSMOS结构结构结构结构pp理想的理想的理想的理想的MOSMOS电容特性电容特性电容特性电容特性pp非理想的非理想的非理想的非理想的MOSMOS电容特性电容特性电容特性电容特性北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 关于电容关于电容平行板电容器平行板电容器+Q-QEd+-V面积面积A电容电容C定义为：定义为：QVC斜率斜率直流和交直流和交流时均成流时均成立立北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电
41、子学研究所 一一 MOS结构结构交流电容交流电容交流电容交流电容C定义为：定义为：+Q-QEd+-V面积面积A+ Q- Q VQVC（V斜率斜率对于理想的交流电容，对于理想的交流电容，C与频率无关与频率无关这里这里理想理想指电容中没有能量的耗散：指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量、介质层不吸收能量北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 非理想的电容：非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容半导体中的电容通常是交
42、流电容例如：突变例如：突变PN结电容结电容和平行板和平行板电容器形电容器形式一样式一样+-VP+Nxd偏压改变偏压改变 V北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电
43、子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 MOS场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管结型场效结型场效应晶体管应晶体管 （JFET）金属半导体金属半导体场效应晶体管场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应场效应 晶体管晶体管（MOSFET）北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所
44、微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京
45、大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 转移特性曲线转移特性曲线+提取阈提取阈值电压值电压+研究亚研究亚阈特性阈特性北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 长长 沟沟M O S F E T的的 输输 出出 特特 性性北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 亚亚0.1微米微米MOSFET器件的发展趋势器件的发展趋势N+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所微电子学研究所 作业作业描述二极管的工作机理描述二极管的工作机理讨论讨论PMOSPMOS晶体管的工作晶体管的工作原理原理
