半导体器件物理基础.pdf

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1、上一节课的主要内容•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•能带、导带、价带、禁带、费米能级•掺杂、施主、受主•输运、漂移、扩散、产生、复合半导体器件物理基础半导体器件半导体器件*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结双极晶体管•金属－半导体接触•MIS结构MOS场效应晶体管•异质结•超晶格PN结的结构©PN结的单向导电性：P区接正，N区接负¾正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小¾反向导电性

2、差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大¾反向击穿PN结的形成•假设P区、N区均匀掺杂空间电荷区－耗尽层•突变结自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反，XXNP直到两者相抵，达到NP动态平衡空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子平衡的PN结：没有外加偏压能带图能带图平衡情况下，费米能级一致P区能带上移是自建场的影响能带按电子能量定自建势qVbiN区和P区的电势差：自建势势垒、位垒©载流子浓度分布¾在空间电荷区，载流子浓度很小，电荷密度分别等于施主和受主浓度¾电子和空穴被耗尽正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带

3、图正向偏置时，扩散大于漂移扩散扩散电子：N区P区空穴：P区N区漂移漂移⎛⎞qVnDpD⎛⎞⎜p0nn0p⎟kTj=j()x+j()x=+⎜e−1⎟正向电流pn⎜LL⎟⎜⎟⎝np⎠⎝⎠电子和空穴扩散必须势垒下降到一定程度：电流相加导通电压，电流指数增加正向的PN结电流输运过程非平衡载流子电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕PN结的反向特性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，漂移大于扩散漂移电子：N区P区扩散漂移空穴：P区N区扩散N区中空穴、P区中的电子被反向抽取少子运动：电流小；边界处少子变化量不超过平衡少子浓

4、度：电流趋于饱和⎛⎞qVRnDpD⎛−⎞⎜p0nn0p⎟kT反向电流j=j()x+j()x=+⎜e−1⎟rpn⎜LL⎟⎜⎟⎝np⎠⎝⎠•边界少子注入很多•光照:光电二极管（光电探测）PN结的I-V特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通电压V~0.7V(Si)bi反向击穿电压Vrb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利用PN结的特点，可以设计光电转换器件PN结的击穿：击穿电压：PN结承受的反向偏压的上限雪崩击穿：碰撞电离载流子倍增齐纳/隧穿击穿：电场•光照的影响：不影响隧穿击穿；影响雪崩击穿•温度的影响：隧穿击

5、穿负温度系数；雪崩击穿正温度系数PN结电容如果空间电荷区中正负电荷的数量增加，PN结上电压增大，正、负电荷的数量减少，PN结上的电压减小：类似一个电容器∆QdQεεSs0C=C=C=TTTX∆VdVm•平行板电容器：电容不随电压V变化•PN结势垒电容是偏压V的函数：微分电容双极晶体管©双极晶体管（BJT）的基本结构©工作原理©基本特性¾直流特性¾频率特性©双极晶体管的特点©目前BJT的结构双极晶体管两种载流子参与导电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的的PNPN结组成：结组成：发发收收射发射区射基区集

6、收集区集极结结极基极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分为：分为：NPNNPN和和PNPPNP两种形式两种形式双极晶体管双极晶体管的结构和版的结构和版图示意图图示意图工作机制NPN管正常使用条件下，晶体管的发射结加正向小电压，称为正向偏置，收集结加反向大电压，为反向偏置NPN晶体管的电流输运电子流空穴流I=I+II>>IenepenepeI=I+IebcI=I+II>>InecrbcrbI=I+IbperbNPN晶体管的几种组态Icα≡共基极:oIe共基极电流放大系数I共发射极≡cβoIbIα共发射极电流放大

7、系数c0β==0共收集极Ie−Ic1−α0e共基极N共发射极b共发射极P共收集极Nc晶体管的共收集极接法如何提高电流放大系数¾发射结注入效率γ（通过发射结）ò降低基区向发射区注入的空穴–控制发射区与基区掺杂浓度，使发射区的浓度很高¾基区输运系数β*（通过基区）ò增大注入到基区的电子浓度分布梯度ò复合少–薄基区晶体管的直流特性晶体管的直流特性共基极的直流特性曲线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三个区域：饱和区放大区截止区与共基极特性曲线可以转换晶体管的特性参数晶体管的电流放大系数晶体管的反向漏电流和击穿电压反向

8、漏电流反向漏电流IIcbo：：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IIebo：：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IIceo：：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－