《工程学概论》半导体器件物理基础ppt课件

,Institute of Microelectronics PKU,第四章 半导体器件物理基础,第四章 半导体器件物理基础,上一章课的主要内容,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,上一章课的主要内容半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体,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,金属半导体接触,MOS,结构,异质结,超晶格,半导体器件物理基础,据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种半,4-1,PN结二极管,PN结二极管的结构,4-1 PN结二极管,1.PN,结的形成,N,P,空间电荷区X,M,空间电荷区耗尽层,X,N,X,P,空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子,1.PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区耗尽层XNXP,2. 平衡的PN,结：,没有外加偏压,能带结构,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,自建场和自建势,2. 平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和,费米能级E,F,：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：,E=E,F,时，能级被占据的几率为1/2,本征费米能级位于禁带中央,费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率,自建势V,bi,费米能级平直,平衡时的能带结构,自建势Vbi费米能级平直平衡时的能带结构,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,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,正向的PN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,正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过,4.PN,结的反向特性,N,区,P,区,空穴：,电子：,P,区,N,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,4.PN结的反向特性N区P区 空穴：电子：P区N区扩散扩,N,区,P,区,电子：,扩散,漂移,空穴：,P,区,N,区,扩散,漂移,反向电流,反向偏置时，漂移大于扩散,N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置,5.PN,结的特性,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V,bi,0.7V(Si),反向击穿电压V,rb,5.PN结的特性单向导电性：正向导通，多数载流子扩散电流正向,6. PN,结的击穿,雪崩击穿,齐纳/隧穿击穿,7. PN,结电容,6. PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7. PN结电容, 4.2 双极晶体管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距,很近,的PN,结组成：,分为：NPN,和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射区,收集区,基区,发射结,收集结,发射极,收集极,基极, 4.2 双极晶体管1. 双极晶体管的结构由两个相距很近,NPN晶体管的电流输运,NPN,晶体管的电流转换,电子流,空穴流,NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流,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,晶体管的直流特性共发射极的直流特性曲线三个区域：,4. 晶体管的特性参数,4.1,晶体管的电流增益（放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数,0,、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数,0,、 ,4. 晶体管的特性参数4.1 晶体管的电流增益（放大系数共,4. 晶体管的特性参数,4.2,晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,I,cbo,：,发射极开路时，收集结的反向漏电流,I,ebo,：,收集极开路时，发射结的反向漏电流,I,ceo,：,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一,4. 晶体管的特性参数4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压反,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.3,晶体管的击穿电压,BV,cbo,Bv,ceo,BV,ebo,BV,eeo,晶体管,的重要直流参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）4.3 晶体管的击穿电压BVc,4. 晶体管的特性参数(续),4.4,晶体管的频率特性,截止频率,f,：,共基极电流放,大系数减小到低频值的,所对应的频率值,截止频率,f,：,特征频率,f,T,：,共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率,f,M,：,功率增益为1时对应的频率,4. 晶体管的特性参数(续)4.4 晶体管的频率特性截止频,5. BJT,的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高f,T,高速应用,整个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压V,BE,与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,5. BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT,的关键：,获得尽可能大的I,C,和尽可能小的I,B,缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开,当代BJT,结构,特点：,深槽隔离,多晶硅发射极,当代BJT结构特点：, 4.3 MOS场效应晶体管,MOS,电容结构,MOSFET 器件, 4.3 MOS场效应晶体管 MOS电容结构,1. MOS,电容,电容的含义,MOS结构,理想的MOS,电容特性,非理想的MOS电容特性,1. MOS 电容电容的含义,关于电容,平行板电容器,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,电容C,定义为：,Q,V,C,斜率,直流和交流时均成立,关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：Q,交流电容,交流电容C,定义为：,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,+,Q,-,Q,V,Q,V,C（V,斜率,对于理想的交流电容，C,与频率无关,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,2、介质层不吸收能量,交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-,非理想的电容：,C,ideal,R,p,R,S,半导体中的电容通常是交流电容,例如：突变PN,结电容,和平行板,电容器形,式一样,+,-,V,P+,N,x,d,偏压改变,V,非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电,未加偏压时的MOS,结构,MOS,电容的结构,MOS,电容中三个分离系统的能带图,未加偏压时的MOS结构MOS 电容的结构MOS电容中三个分离,功函数,无偏压时MOS,结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲,功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲,平带电压,平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。,平带电压平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,MOS场效应晶体管,场效应晶体管,结型场效应晶体管 （JFET）,金属半导体场效应晶体管 （MESFET）,MOS,场效应 晶体管（MOSFET）,MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET,工程学概论半导体器件物理基础ppt课件,工程学概论半导体器件物理基础ppt课件,工程学概论半导体器件物理基础ppt课件,工程学概论半导体器件物理基础ppt课件,工程学概论半导体器件物理基础ppt课件,转移特性曲线,提取阈值电压,研究亚阈特性,转移特性曲线提取阈值电压,长沟MOSFET,的输出特性,长沟MOSFET的输出特性,亚0.1微米MOSFET,器件的发展趋势,N+ (P+),N+ (P+),P (N),Source Gate Drain,N+(P+),亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+ (P+)N+ (,作业,讨论PMOS晶体管的工作原理,作业讨论PMOS晶体管的工作原理,