集成电路设计---常用半导体器

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1、1集成电路设计基础集成电路设计基础 2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。 3、能带形成、能带形

2、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晶带与之对应，所有这

3、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=34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，满带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。不具有导电作用。无任何电子占据的能带称为空带。 c、禁

4、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。导导带带禁禁带带价价带带EVEcEcEV51 1 价价带带为为未未满满带带能能导导电电2 2 价价带带为为满满带带，但但禁禁带带宽宽度度为为零零，价价带带与与较高的空带相交叠较高的空带相交叠 电电子子遵遵循循费费米米-狄狄拉拉克克（Fermi-Dirac）统统计计分分布布规规律律。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？那么晶体中电子本身又是如何按照能

5、量分布的呢？空穴分布几率空穴分布几率7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！电电 子子 称称 为为 多多 数数 载载 流流 子子 (简简 称称 多多 子子Majority carriers)；空空 穴穴 称称 为为 少少 数数 载载 流流 子子 (简简 称称 少少 子子Minority carrier)。5 价杂质原子称为施主价杂质

6、原子称为施主(Donor)原子，原子，作用是作用是 提供导电电子提供导电电子。价价带带导带导带施施 主主能级能级电离能电离能 杂杂质质（多多子子 ） 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 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少子子多多子子杂质的贡献很大杂质的贡献很大+施主电离施主电离 浓度决定于

7、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导带带价价带带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 价价 杂杂 质质 原原 子子 称称 为为 受受 主主(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 杂杂质质（多多子子 ） 束缚态束缚态 自由态（导电空穴自由态（导电空穴 ）受受 主主能级能级价价带带导带导带电离能

8、电离能 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。导导带带价价带带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. 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. 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，因而其导电能力大大

9、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：施主能级被占据几率为：施主能级被占据几率

10、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杂质质能能级级与与能能带带中中能能级级的的区区别别：能能带带中中能能级级可可以以容容纳纳两两个个自自旋旋相相反反的的电电子子，而而杂杂质质能能级级只只能能容容纳纳一一个个任任意意自自旋旋的的电电子子；所所以以杂杂质质能能级级被被占占据据的的几几率率不不能能用用标标准准的费米分布函数。的费米分布函数。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.施施主主能能级级上上的的电电子子浓浓度度就就

11、是是没没有有电电离离的的施施主主杂杂质质浓浓度度；受受主主能能级级上上的的空空穴穴浓浓度度就就是是没没有有电电离离的的受受主杂质浓度。主杂质浓度。2.杂杂质质有有多多少少电电离离，显显然然取取决决于于杂杂质质能能级级与与费费米米能能级级的的相相对对位位置置。以以施施主主 为为 例例 ： 当当ED-EFk0T时时 ，杂杂质质几几乎乎全全部部电电离离， 反反之之当当EF-EDk0T时时 ，施施主主杂杂质质几几乎乎没没有有电电离离。当当EF=Ed时时 ， 杂杂质质1/3电离。电离。29非非简简并并半半导导体体:掺掺入入杂杂质质原原子子的的浓浓度度与与晶晶体体或或者者半半导导体体原原子子浓浓度度相相比

12、比很很小小，这这些些少少量量杂杂质质原原子子的的扩扩散散速速度度足足够够快快，因因此此施施主主电电子子间间不不存存在在相相互互作作用用，杂杂质质会会在在半半导导体体中中引引入入分分立立的的、无无相相互互作作用用的的杂质能级杂质能级简简并并半半导导体体：当当杂杂质质浓浓度度增增加加，杂杂质质原原子子间间距距缩缩小小，施施主主电电子子开开始始相相互互作作用用，单单一一的的分分立立的的杂杂质质能能级级将将分分裂裂为为一一个个能能带带，随随着着杂杂质质浓浓度度升升高高，杂杂质质能能带带宽宽度度增增加加，当当掺掺入入杂杂质质原原子子浓浓度度与与有有效效状状态态密密度度可可比比拟拟，杂杂质质能能带带可可能

13、能与与导导带带底底相相交叠交叠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 补补偿偿：在在半半导导体体中中既既掺掺入入施施主主杂杂质质，又又掺掺入入受受主主杂杂质质，施施主主杂杂质质提提供供的的自自由由电电子子和和受受主主杂杂质质具具有有相相互互抵抵消消的的作作用。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再转型再转型补补偿偿型型本本征征半半导导体体材材料料：半半导导体

14、体杂杂质质的的存存在在会会影影响响半半导导体体中中载载流流子子的的迁迁移移率率、寿寿命命等等，因因此此补补偿偿型型本本征征半半导导体体材料的性质比本征半导体材料差。材料的性质比本征半导体材料差。同同时时含含一一种种施施主主杂杂质质和和一一种种受主杂质受主杂质同同时时含含若若干干种种施施主主杂杂志志和和若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32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33结面结面基体基体衬底（外延层）衬底（外延层）PN结结：采采用用不不同同的的掺掺杂杂工工艺艺，将将P型型半半导导体体与与N型型半半导导体体制制作作在

15、在同同一一块块硅硅片片上上，在在它它们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平衡平衡 PN 结结 在在P型型半半导导体体与与N型型半半导导体体的的紧紧密密接接触触交交界界处处，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）35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）相相互互接接触触时时，在在交交界界面面处处存存在在着着电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差，p区区和和

16、n区区多多子子分分别别向向对对方方扩散扩散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，存在正负空空间间电电荷荷的的区区域域称称为为空空间间电电荷荷区区或或者者耗耗尽尽层层。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）自自建建电电场场使使空空间间电电荷荷区区内内的的电电子子和和空空穴穴产生与其产生与其扩散运动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3

17、6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、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

18、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=空空间间电电荷荷区区=耗耗尽尽层层=内内电电场场=电电阻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37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

19、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38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

20、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 平平衡衡pn结结费费米米能能级级处处处处相相等等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

21、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40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

22、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：电子电子空穴空穴41正正 偏偏-电场被削弱电场被削弱1.外外电电场场将将多多数数载载流流子子推推向向空空间间电电荷荷区区，空空间间电电荷荷区区变变窄窄，空空间间电电荷荷区区内内建建电电场被削弱；场被削弱；2.2.载载流流子子扩扩散散运运动动大大于于漂漂移移运运动动，发发生生非非平平衡衡少少子子注注入入：电电子子向向p区区扩扩散散，空空穴穴向

23、向n区区扩扩散散。破破坏坏了了载载流流子子扩扩散散、漂移的动态平衡；漂移的动态平衡；3.载载流流子子浓浓度度在在空空间间电电荷荷区区及及边边界界高高于于其其平平衡衡值值；边边界界处处非非平平衡衡少少数数载载流流子子向向体体内内扩扩散散；非非平平衡衡少少子子边边扩扩散散边边与与多多子子复复合合，并并在在扩扩散散长长度度处处基基本本被被全全部复合。部复合。 #少少子子扩扩散散区区：非非平平衡衡少少子子扩扩散散并并被复合的区域称为被复合的区域称为非平衡少子扩散区非平衡少子扩散区。4.被被复复合合多多子子从从外外电电极极提提供供，构构成成-正正向（扩散）电流向（扩散）电流 。正向注入正向注入 p区区n

24、区区自自建建外外xm+ Ln扩扩 散散区区 Ln扩扩 散散区区 Ln扩扩 散散区区 Lp扩扩 散散区区PN结结的的P区区接接电电源源正正极极为为正正向向偏偏置置 (称称 正正 偏偏 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；产产生生新新的的物物理理现现象象-形成电流形成电流42反反 偏偏-电场被加强电场被加强1. 外外电电场场与与内内建建电电场场方方向向相相同同，排排斥斥多多数数载载流流子子的的扩扩散散，使使得得空空间间电电荷

25、荷区区加宽，内电场加强；加宽，内电场加强；2. 内内电电场场加加强强了了少少数数载载流流子子的的漂漂移移运运动动载载流流子子漂漂移移运运动动，空空间间电电荷荷区区及及其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； 产产生生的的少少子子向向 xm内内扩扩散散，并并在在电电场场作作用用下下漂漂移移进进对对方方及及漂漂移移向向电电极极- 形成形成反向（漂移）电流反向（漂移）电流。因因为为少少子子数数目目极极少少，即即使使所所有有的的少少子子都都参参与与漂漂移移运运动动，反反向向电电流流也也

26、非非常常小小，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区区自自建建外外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；产产生生新新的的物物理理现现象象-形成电流形成电流电子电子空穴空穴多多子子被被阻阻挡挡无大电流无大电流少少子子做做贡贡献献微电流微电流作作 用用 电电阻很大阻很大正向电流转换和传输正向电流转换和传输 Forwar

27、d-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 正正向向电电压压正正向向导

28、导通通；正正向向注注入入使使边边界界少少数数载载流流子子浓浓度度增增加加很很大大 ，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； 反反向向电电压压反反向向截截止止 ；反反向向抽抽取取使使边边界界少少数数载载流流子子浓浓度度减减少少，很很快快趋趋向于零，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InIp46能带结构能带结构

29、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)Vbi-xp-xnEi(x)EFp区区n区区 平平衡衡pn结结费费米米能能级级处处处处相相等等47准费米能级准费米能级：空空间

30、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 。48pn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） 空空间间电电荷荷区区内内正正、负负空空间间电电荷荷量量随随外外加加偏偏压压变变化化而而变变化化，这这种种现现象象与与电电容容器器的的充充放放电电过过程程相相同同-体体现现

31、为为电电容容效效应应，称称为为pn结结势势垒垒电电容容。 pn结结单单位面积势垒电容用位面积势垒电容用CT表示表示。 2）扩散电容）扩散电容 扩扩散散区区积积累累的的非非平平衡衡少少子子电电荷荷随随外外加加偏偏置置电电压压的的变变化化而而变变化化，体体现现为为电电容效应，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。由由于于电电中中性性要要求求，扩扩散散区区非非平平衡衡少少子子变变化化同同时时有有同同样样浓浓度度及及分分布布的的非非平平衡衡多多子子随随之之变变化化，即即等等效效于于该该区区的的非非平平衡衡少少子子变变化化，因因此此扩扩散散电电容容是是二

32、二个个扩扩散散区扩散电容的并联。区扩散电容的并联。 反反 偏偏：非非平平衡衡少少子子随随反反偏偏变变化化量量很很小小，扩扩散散电电容容也也极极小小，一一般可以不考虑。般可以不考虑。a. 非非平平衡衡pn结结空空间间电电荷荷区区及其边界电子与空穴及其边界电子与空穴 浓浓度度的的积积相相等等，且且是是偏偏置电压的置电压的e指数函数。指数函数。b. 非非平平衡衡pn结结空空间间电电荷荷区区边界少子浓度为平衡边界少子浓度为平衡 少少子子浓浓度度与与偏偏置置电电压压e指数函数的积。指数函数的积。n区区p区区InIp49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

33、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50pn结击穿结击穿 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

34、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。51 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反反向向偏压偏压功功 耗耗结结温温niT3

35、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区区自自建建外外xm+ Ln扩散区扩散区 Lp扩散区扩散区2）隧隧道道击击穿穿(Zener breakdown)（齐齐纳纳击击穿穿或或场场致致击击穿）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，击穿电压小于4 V的是隧道击穿；的是隧道击穿； 当当PN结结两两边边掺掺入入高高浓浓度度的的杂杂质质时时, 其其耗耗尽尽层层宽宽度度很很小小, 即即使使外外加加反

36、反向向电电压压不不太太高高(一一般般为为几几伏伏), 在在PN结结内内就就可可形形成成很很强强的的电电场场(可可达达2106 V/cm), p区区价价带带顶顶可可以以高高于于n区区导导带带低低，那那么么p区区价价带带电电子子可可以以借借助助隧隧道道效效应应穿穿过过禁禁带带到到达达n区区。当当反反偏偏压压达达到到时时，隧隧穿穿电电子子密密度度相相当当高高，形形成成的的隧隧道道电电流流相相当当大大，这这种种现象通常称作隧道击穿，又称现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：533 3）雪崩击穿）雪崩击穿 碰碰撞撞电电离离-反反偏偏空空间间

37、电电荷荷区区电电场场较较强强，构构成成反反向向电电流流的的电电子子和和空空穴穴可可以以获获得得较较大大的的动动能能。若若电电子子和和空空穴穴获获得得的的动动能能在在与与晶晶格格原原子子碰碰撞撞时时足足以以将将价价带带电电子子激激发发到到导导带带，产产生生电电子子-空空穴穴对对，称为碰撞电离。称为碰撞电离。 雪雪崩崩倍倍增增效效应应-产产生生的的电电子子-空空穴穴对对从从电电场场获获取取足足够够能能量量，与与原原子子撞撞碰碰又又产产生生第第二二代代电电子子-空空穴穴对对。如如此此继继续续下下去去，使使构构成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

38、为雪崩倍增效应。 雪雪崩崩击击穿穿-由由雪雪崩崩倍倍增增效效应应引引起起的的反反向向电电流流的的急急剧剧增增大大，称为雪崩击穿。称为雪崩击穿。54VB 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：）基本掺杂结构：势势垒垒电电容容随随偏偏压压变变化化的的速速率率与与掺掺杂杂浓度及分布有关。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，

39、希望dC/dV大大592 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。604、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区区之之间间有一本征层（有一本征层（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)

40、-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。 615、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结结伏伏安安特特性性(经经验验公公式式)：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。ISIpIVVpVVVI626、异质结二极管、异质结二极管异质结异质结：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

41、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AlxGa1xAs/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

42、。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。 63应应 用用1、变容二极管（、变容二极管（VCO）2、分压器、分压器64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“双极双极”Bi-polar 有有两两个个P-N结结两两个个彼彼此此十十分分靠靠近近的的背背靠背的靠背的P-N结结 两两个个结结之之间间就就会会相相互互作作用而发生载流子交换；用而发生载流子交换；参参加加工工作作的的 不不仅仅有有少少数数载载流流子子，也也有有多多数载流子；数载流子； 晶晶体体管管

43、的的基基本本结结构构、分分类类和和符号符号 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发射射结结电电流流方向方向发发射射结结电电流流方方向向661. 基本工作原理基本工作原理Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip + IVB - IRI3=In IVB + IR a.基本原理基本原理载载流流子子输输运运过程过程:a.n区区 电电 子子注入注入p区，区， 边边扩扩散散边边复合复合-IVB；b.n区区

44、注注入入p的电子扩散的电子扩散 至至反反偏偏结结空间电荷区空间电荷区 边边界界被被反反偏电场抽至偏电场抽至 n区区 ， 形形成成 电电 流流 -InC；c.p空空 穴穴 注注入入n区，区， 边边扩扩散散边边复合复合-Ip；d.反反偏偏结结反反向电流向电流-IR。VfpnnVR(Ip+In)(Ip+In)InIpIp=IRIn=IRpn 发射结正向偏置发射结正向偏置-发射电子发射电子发发射射结结正正向向偏偏置置，外外加加电电场场有有利利于于载载流流子子的的扩扩散散运运动动，高高掺掺杂杂发发射射区区的的多多数数载载流流子子（电电子子）将将向向基基区区扩扩散散（或或注注入入）；同同时时，基基区区的的

45、多多数数载载流流子子（空空穴穴）也也 向向发发射射区区扩扩散散并并与与发发射射区区中的部分电子复合。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到达达基基区区的的一一部部分分电电子子将将与与P型型基基区区的的多多数数载载流流子子（空空穴穴）复复合合，由由于于低低掺掺杂杂的的基基区区空空穴穴浓浓度度比比较较低低，且且基基区区很很薄薄，所所以以到到达达基基区区的的电电子子与与空空穴穴复复合合的的机机会会很很少少，大大多多数数电电子子在在基基区区中中继继续续传传输输，到达靠近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由于于集集

46、电电结结反反向向偏偏置置，外外电电场场的的 方方向向将将阻阻止止集集电电区区的的多多数数载载流流子子（电电子子）向向基基区区运运动动，但但有有利利于于将将基基区区中中扩扩散散过过来来的的电电子子，扫扫向向集集电电区区被被集集电电极极收收集。集。 以以上上就就是是载载流流子子三三个个主主要要的的传传输输过过程程，由由于于发发射射区区的的高高掺掺杂杂，多多数数载载流流子子电电子子浓浓度度很很高高，所所以以晶晶体体管管载载流流子子的的传传输输主主要要是是以以电电子子的的传传输输为为主主：简简单单的的总结为：总结为：发发射射极极发发射射电电子子：电电子子穿穿越越发发射射结结进进入基区入基区-发射区向基

47、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电子子穿穿越越集集电电结结，被被集集电电结结收收集集：集集电极收集电子电极收集电子69Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip + 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.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

48、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 Np702. 电流关系电流关系InCVBEpnnVCBIEIBIpEICInEIVBICBO IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC InC直流：直流：IEIEIpEInEIVB一一只只良良好好的的晶晶体体管管，IC 与与IE 十十分分接接近近，而而 IB 很很小小（例例如，只有如，只有IC 的的1%2%）。）。 发发 射射区区 NE WE基区基区 NB WB 收收 集集区区 NC WCIEICIB3

49、. 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 distribution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

50、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，其放大能力是不同的；74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。通常有共基极和共射极电流放大系数。通常有共基极和共射极电流放大系数。1) 共共基基极极电电流流放放大大系系数数-0表表示示a. 发射效率发射效率- -：b. 基基区区输输运运系系数数- -* ： 1IpE / I

51、nE NBNEWb1 IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC 76A.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率尽可能接近于；尽可能接近于； wb IC 机理。机理。6、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作作用用：使使发发射射结结正正偏偏，并并提供适当的静态

52、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，锗管硅管，锗管工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 。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 特特性性曲曲线线的的疏疏密密可可看看出出电电流流放放大大系系数数的的大大小小 曲线微微向上倾斜曲线微微向上倾斜 输输出出电电流流受受输

53、输入入电电流流控控制制电电流流控制器件。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 gainICM80a.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Uon，集集电电结结反反偏偏UBEUBE. 截止状态截止状态b.发发射射结结正正偏偏，集集电电结结反反偏偏 iC几几乎乎仅仅仅仅决决定定于于IB，而而与与uCE无无关关，表表现现出出IB对对iC的控制作用。的控制作用。放大区放大区 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

54、)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增增大而增大。大而增大。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.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 81输出特性曲线二个特征

55、输出特性曲线二个特征: : IE与与IB较较小小或或较较大大时时，0 0和和0 0较较小小，而而且且IC越越大大或或越越小小0 0和和0 0越小越小; ; 随随VCB或或VCE的的增增大大，输输出出电电流流IC略略有有增增大大，反反映映出出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7、 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

56、劣与使用的电压范围 反反向向电电流流对对放放大大作作用用没没有有贡贡献献，甚甚至至影响工作的稳定性；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。决定了外加电压的上限。 晶晶体体管管的的反反向向电电流流(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 温温度度每每增增加加10 C，ICBO增增大大一一倍倍。硅硅管管优于锗管。优于锗管。Open集电极集电极-发射极间的穿透电流（

57、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 空穴流空穴流 电电子子注注入入 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。一一般般来来讲讲，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