《微电子学概论》-ch2_PN结双极晶体管ppt课件.ppt

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1、半导体器件物理基础——双极晶体管集成电路按其制造材料分为两大类：一类是Si（硅），另一类是GaAs（砷化镓）。目前用于ASIC设计的主体是硅材料。但是，在一些高速和超高速ASIC设计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成的集成电路，可以大大提高电路速度，但是由于目前GaAs工艺成品率较低等原因，所以未能大量采用。SiliconGaAsASICBipolarFETLogic……BipolarMOSECL/CMLTTLIILNMOSPMOSMNOSCMOSCMOS/SOSHSMOSMetalGateCMOSVMOS

2、OUTLINEPNJunctionBipolarJunctionTransistor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、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合据统计：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：金属－半导体接触(metal-semiconductorinterface)pn结(pnjunction)MOS结构(MOS:metal-oxid

3、e-semiconductor)异质结(heterojunctioninterface)超晶格半导体器件物理基础金属－半导体接触1874年开始，开创了半导体器件研究的先河整流接触(轻掺杂)：电流单方向流过（栅极）欧姆接触(重掺杂):电流双向通过，落在接触上的电压很小（漏极和源极金属半导体场效应晶体管MESFET）金属半导体p-n结由p型（带正电的载流子）与n型（带负电的载流子）半导体接触而成大部分半导体器件的基础结构，其理论是半导体物理的基础p-n-p双极型晶体管（1947年发明）P型半导体n型半导体异质结由两

4、种不同材料的半导体接触形成的结（如砷化镓与砷化铝形成异质结）是高速器件与光电器件的关键构成要素半导体B半导体AMOS结构可以视为金属－氧化物界面和氧化物－半导体界面的结合用MOS结构作栅极，两个p-n结作漏极与源极，制作出金氧半场效应晶体管MOSFET金属半导体氧化物PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。多子扩散少子漂移P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩

5、散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。多子扩散少子漂移所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴，N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动），增强少子的漂移运动。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。注意:－－－－－－－－－－－－－－

6、－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VVo平衡的PN结：没有外加偏压载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势平衡的PN结能带结构势垒－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加PN结反向偏置－－－－内电场外电场变厚NP+_内电

7、场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE++++++++－－－－PN结的反向特性P区N区空穴：电子：N区P区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN结伏安特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压反向击穿电压UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR击穿

8、电压：PN结承受的反向偏压的上限雪崩击穿：空间电荷区电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，产生电子空穴对碰撞电离载流子倍增齐纳/隧道击穿：电场的存在使得能带弯曲，并决定了能带弯曲的陡度，电场越强，陡度越大，隧道宽度越小，穿透几率越大。PN结的击穿在杂质浓度特别大的PN结中才能发生齐纳击穿隧道击穿取决于空间电荷区的最大电场，雪崩击穿不仅与电场有关，还与空间电荷区宽度有关