第二講 半導體物理及器件基礎

1、第二講第二講 半導體物理及器件基礎半導體物理及器件基礎 貴州大學電子科學系 貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室 半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心 馬 奎 博士/副教授 2016-03-08 目 錄 固體能帶結構 半導體物理基礎 PN結 雙極型晶體管 MOS晶體管 幾種大功率器件 1/50 固體能帶結構 Herbert Kroemers Lemma -Quoted from the Nobel Lecture, December 8, 2000 If, in discussing a semiconductor problem, you cannot draw an Energy Band

2、 Diagram, this shows that you dont know what you are talking about. If you can draw one, but dont, then your audience wont know what you are talking about. 在討論半導體問題時，如果不能畫出能帶圖，這說明， 你自己也不知所云。 你能畫出能帶圖，但是不能理解能帶圖的含義，那么， 聽眾不知道你在講什么。 2/50 固體能帶結構 3/50 固體能帶結構 4/50 固體能帶結構 導帶全空 導帶全空 導帶全空 導帶部分填充 價帶全滿 價帶全滿 價帶部分

3、填充 （a）絕緣體 （b）半導體 （c）導體 （d）導體 能帶交疊 5/50 固體能帶結構 6/50 半導體物理基礎 半 導 體 中 的 電 子 | 空 穴 對 7/50 半導體物理基礎 半 導 體 中 的 電 子 | 空 穴 對 8/50 半導體物理基礎 半 導 體 中 施 主 和 受 主 9/50 半導體物理基礎 F D 統(tǒng) 計 分 布 和 費 米 能 級 10/50 半導體物理基礎 本征半導體 Ec Ev Ei N型半導體 Ec Ev Ei P型半導體 Ec Ev Ei Ef Ef 三種半導體的費米能級分布 11/50 半導體物理基礎 22 0 22 0 ) 2 ( 2 ) 2 ( 2

4、i dada i adad n NNNN p n NNNN n )exp(. )exp(. )exp(. )exp(. 0 0 0 0 kT EE np kT EE Np kT EE nn kT EE Nn Fi i FV V iF i CF C 2 00i npn 平衡態(tài)半導體的載流子濃度方程 12/50 半導體物理基礎 擴散運動 由濃度梯度引起的載流子的運動。 漂移運動 由外加”場”的作用引起的載流子的運動。 散射 載流子運動過程中運動方向或速度改變的現(xiàn)象。 晶格散射、雜質(zhì)和缺陷散射、表面和界面散射，或者 是由周期性勢場引起的散射。 13/50 PN結 NP 14/50 PN結 PN結形成

5、的微觀過程 P5+ + B3+ N-SiP-Si + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 15/50 PN結 PN結形成的微觀過程 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 接接 觸觸 + + + + + + + + + + + + + +

6、+ + + + + + + + N-SiP-Si 16/50 PN結 PN結形成的微觀過程 擴擴 散散 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N-SiP-Si 擴散電流 17/50 PN結 PN結形成的微觀過程 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

7、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N-SiP-Si 擴散電流 復復 合合 18/50 自自 建建 電電 場場 PN結 PN結形成的微觀過程 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N-SiP-Si 漂移電流 19/50 PN結 平平 衡衡 + + + + + + + + + + + + + + + + +

8、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N-SiP-Si 空間電荷區(qū) PN結形成的微觀過程 20/50 PN結 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + XM Ebi Vbi o

9、 載流子數(shù)量極少。 o 高阻區(qū)。 o 耗盡區(qū) XNXP XN XP XM NDXN NAXP 根據(jù)電中性： 自建場 自建勢 空間電荷區(qū) 21/50 PN結 PN結的偏置 NP V D NP V 正向偏置 NSi：低電位 PSi： 高電位 反向偏置 NSi：高電位 PSi： 低電位 22/50 PN結 EC EV EC EV PN結形成之前 EC EV EC EV PN結形成之后 qVbi XM PN結的能帶 23/50 PN結 EC EV EC EV q（VbiVD） XM 正偏狀態(tài)正偏狀態(tài) EC EV EC EV q（VbiVR） XM 反偏狀態(tài)反偏狀態(tài) PN結的能帶 qVD qVR 24/

10、50 PN結 PN結的IV特性 V I (1) qV kT s II e (1) V=VB: 雪崩擊穿； (2) VBV 0：反向飽和電流； (3) V=0:平衡態(tài)，電流為零。 (4) 0 Vbi：勢壘消失，電流隨 偏壓增加而迅速增大。 Vbi VB -Is 25/50 PN結 P襯底 N+ P+ PN結在集成電路中的剖面圖及電路符號 AnodeCathode 26/50 雙極型晶體管 基本結構和分類 NNP PPN 三層結構 BJT: Bipolar Junction Transistor 27/50 雙極型晶體管 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 集集 電電 結結 發(fā)發(fā) 射射 極極 集集

11、電電 極極 基極基極 發(fā)發(fā) 射射 結結 Emitter Base Collector （1）兩個PN結：發(fā)射結、集電結 （2）三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū) （3）雜質(zhì)濃度：發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū) （4）窄基區(qū)：小于數(shù)微米 NPN晶體管 28/50 雙極型晶體管 發(fā)射結（B-E結）：正偏 集電結（B-C結）：反偏 輸入輸入 輸出輸出 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 集電結集電結 發(fā)發(fā) 射射 極極 集電極集電極 基極基極 發(fā)射結發(fā)射結 共發(fā)射極接法 29/50 雙極型晶體管 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 發(fā)發(fā) 射射 極極 集集 電電 極極 基極基極 Ie Ib 載流子輸運情況 30/50 雙極型晶

12、體管 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 發(fā)發(fā) 射射 極極 集集 電電 極極 自建場方向自建場方向 Ie 基極基極Ib 載流子輸運情況 31/50 雙極型晶體管 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū) 發(fā)發(fā) 射射 極極 集集 電電 極極 基極基極 自建場方向自建場方向 Ie Ib 電流增益電流增益：通過基區(qū)的電流與在基區(qū)復合的電流之比。：通過基區(qū)的電流與在基區(qū)復合的電流之比。 Ic c b I I 載流子輸運情況 32/50 雙極型晶體管 Vce v.s. Ic Vbe Vce e c b Vce Ic Ib=0 截止區(qū)截止區(qū) 晶體管特性曲線 Vbe0 oVce較?。?eb結和cb結均正偏， Ic 隨

13、Vce增加而增加。 oVce較大： eb結正偏而cb結反偏， IcIb。 截止區(qū)截止區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) Ib1 Ib2 Ib3 Ib4 34/50 雙極型晶體管 NPN晶體管在集成電路中的剖面圖及電路符號 N+N+ P襯底 P N CBE 35/50 MOS晶體管 N+ P Sourse 源極 N+ Gate 柵極 Drain 漏極 P+ N Sourse 源極 P+ Gate 柵極 Drain 漏極 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 金屬氧化物半導體場效應晶體管金屬氧化物半導體場效應晶體管 基本結構和分類 36/50 MOS晶體

14、管 NMOS的共源極接法 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 漏結漏結源結源結 溝道溝道 Channel 37/50 MOS晶體管 NMOS電容 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGS=0 VDS=0 VS=0 38/50 MOS晶體管 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) （耗盡區(qū)）（耗盡區(qū)） 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGS0（小）（?。?VDS=0 VGS0（?。ㄐ。?柵氧化層下出現(xiàn)空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）柵氧化層下出現(xiàn)空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)） VS=0 NMOS電容 39/50 MOS晶體管 耗盡區(qū)耗盡區(qū)反型層反型層 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGS VDS0 VGS增加：增加： 空間電荷向

15、下擴展，柵氧化層下的半導體表面出現(xiàn)多余自由電子，相空間電荷向下擴展，柵氧化層下的半導體表面出現(xiàn)多余自由電子，相 當于在表面形成一層導電類型相反的半導體層，稱為當于在表面形成一層導電類型相反的半導體層，稱為反型層反型層。此時的。此時的VGS稱為稱為閾閾 值電壓值電壓VT(0.5V-1.0V)。 VS=0 NMOS電容 40/50 MOS晶體管 VGSVT:表面反型程度進一步加深，半導體表面積累更多的電子，同時反型層的表面反型程度進一步加深，半導體表面積累更多的電子，同時反型層的 屏蔽作用使得耗盡區(qū)停止擴展。屏蔽作用使得耗盡區(qū)停止擴展。 耗盡區(qū)耗盡區(qū)反型層反型層 源極 N+ P N+ 柵極 漏極

16、VGSVT VDS0 VS=0 NMOS電容 41/50 MOS晶體管 閾值電壓計算公式 fpms ox ss ox fpsA tn C Q C qN V 2 2 fnms ox ss ox fnsD tp C Q C qN V 2 2 NPN： PNP： 42/50 MOS晶體管 NMOS共源極接法的工作機理 VGS0:漏結耗盡區(qū)擴展，使得柵極下方耗盡區(qū)寬度從源到漏逐漸增加，漏結耗盡區(qū)擴展，使得柵極下方耗盡區(qū)寬度從源到漏逐漸增加， 晶體管截止，晶體管截止，IDS0。 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGS0 IDS 43/50 MOS晶體管 VGSVT,VDS0（?。ㄐ。?柵極下方耗盡區(qū)

17、寬度從源到漏逐漸增加，而反型層寬度從柵極下方耗盡區(qū)寬度從源到漏逐漸增加，而反型層寬度從 源到漏逐漸減小，源到漏逐漸減小，ID隨隨VDS增加而線性增加。增加而線性增加。 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGSVT VDS ID VDS0 (小小) IDS (0.5) DGSTDSDS IVVVV NMOS共源極接法的工作機理 44/50 MOS晶體管 NMOS共源極接法的工作機理 VGSVT,VDS=Vsat: 漏結附近反型層寬度減小到零，漏結附近反型層寬度減小到零，ID達到最大值。達到最大值。Vsat稱為飽和稱為飽和 電壓電壓,ID稱為飽和電流。稱為飽和電流。 源極 N+ P N+ 柵極 漏

18、極 VGSVT ID VDSVsat IDS Vsat=VGS-VT Vsat=VGS-VT Isat 2 (0.5)() satGSTDSDsGST IVVVVVV VDS 45/50 MOS晶體管 源極 N+ P N+ 柵極 漏極 VGSVT VDS ID VDSVsat IDS Vsat=VGS-VT Isat 2 () DGST IVV NMOS共源極接法的工作機理 VGSVT，VDSVsat: 溝道被夾斷，隨著溝道被夾斷，隨著VD的增加有效溝道長度減小，的增加有效溝道長度減小，ID飽和。飽和。 46/50 MOS晶體管 S GD VGSVT VDSVsat IDS VDS 有效溝道長度有效溝道長度 IDS 高阻區(qū)長度