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1、Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 第四章第四章 半导体器件物理根底半导体器件物理根底Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 上一章课的主要内容半导体、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
2、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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU *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根本模块构成：所有这些器件都由少数根本
3、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根底半导体器件物理根底Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4-1 PN结二极管结二极管PN结二极管的结构结二极管的结构Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics P
4、KU 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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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
5、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自建场和自建势Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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Institute of Microelectronics PKU Institu
6、te of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 自建势自建势Vbi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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形正向偏置时的能带图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
7、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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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 Institute of Microelectronics PK
8、U 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的能带图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 Institute of Microelectronics PKU N区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：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
9、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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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VrbInstitute of Microelectr
10、onics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4.2 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由两个相距由两个相距由两个相距很近很
11、近很近很近的的的的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Institute of Microelectronics PKU 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晶体管
12、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Institute of Microelectronics PKU 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Institu
13、te of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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
14、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、 Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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
15、，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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microele
16、ctronics PKU 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 Institute of Microelectronics PKU 4. 晶体管的特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
17、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
18、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输入电容输入电容由扩散电
19、由扩散电容决定容决定随工作电流的随工作电流的减小而减小减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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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
20、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 BInstitute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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Institute of Microelectronics PKU Institute of Micr
21、oelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 4.3 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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 1. MOS 电容电容pp电容的含义电容的含义电容的含义电容的含义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M
22、OSMOS电容特性电容特性电容特性电容特性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理想指电容中没有能量的耗散：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、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
23、的电容通常是交流电容例如：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 VInstitute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 未加偏压时的未加偏压时的MOS结构结构MOS 电容的结构电容的结构MOS电容中三个别离系统的能带图电容中三个别离系统的能带图Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU
24、Institute of Microelectronics PKU p 功函数功函数无偏压时无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的外表能带弯曲结构中由于功函数差引起的外表能带弯曲Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU p 平带电压平带电压平带电压使外表势为平带电压使外表势为0，所需在栅上加的偏压。，所需在栅上加的偏压。Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectr
25、onics PKU Institute of Microelectronics PKU 施加偏压后施加偏压后的不同状态：的不同状态：积累、耗尽、积累、耗尽、反型反型Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 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MOSFETInstitute of Mi
26、croelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute
27、 of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 转移特
28、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Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 长长 沟沟M O S F E T的的 输输 出出 特特 性性Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 亚微米亚微米MOSFET器件的开展趋势器件的开展趋势N+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU Institute of Microelectronics PKU 作业作业讨论讨论PMOS晶体管的工作原理晶体管的工作原理
