微電子學(xué)概論第二章半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件的原理和物理基礎(chǔ)

1、微電子學(xué)概論第二章半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件的原理和物理基礎(chǔ)上一章課程內(nèi)容回顧第一塊晶體管、IC誕生的時(shí)間IC的概念集成電路的作用集成電路的分類微電子學(xué)的特點(diǎn)第一章 緒論第二章 半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)第三章 大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)第四章 集成電路制造工藝第五章 半導(dǎo)體材料第六章 集成電路設(shè)計(jì)第七章 集成電路設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)第八章 幾類重要的特種微電子器件第九章 微機(jī)電系統(tǒng)第十章 微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律和趨勢第二章 半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)2.1 半導(dǎo)體及其導(dǎo)電特性2.2 PN結(jié)2.3 雙極晶體管2.4 MOS場效應(yīng)晶體管2.5 小結(jié)固體材料：超導(dǎo)體: 大于106(cm)-1 導(dǎo) 體: 10

2、6104(cm)-1 半導(dǎo)體: 10410-10(cm)-1 絕緣體: 小于10-10(cm)-1從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制2.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù) ;電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng)，反之越小 ;彼此之間的界線不是絕對的 .導(dǎo)體和半導(dǎo)體區(qū)別是有無禁帶，半導(dǎo)體和絕緣體區(qū)別是禁帶寬度及溫度特性。半導(dǎo)體有以下主要特點(diǎn)： 在純凈的半導(dǎo)體材料中，電導(dǎo)率隨溫度的上升而指數(shù)增加； 半導(dǎo)體中雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，而且在重?fù)诫s情況，溫度對電導(dǎo)率的影響較弱； 在半導(dǎo)體中可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜； 光的輻照、高能電子等的注入可以影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金

3、剛石結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體分類：半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge 化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS硅晶體平面結(jié)構(gòu)硅晶體立體結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：電子濃度空穴濃度；載流子少；導(dǎo)電性差；溫度特性差。半導(dǎo)體的摻雜本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷載流子電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的電子空位，對應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。 把純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。 它是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅原

4、子價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合在常溫下自由電子和空穴的形成成對出現(xiàn)成對消失共價(jià)鍵中的價(jià)電子不完全像絕緣體中價(jià)電子所受束縛那樣強(qiáng)，如果能從外界獲得一定的能量(如光照、溫升、電磁場激發(fā)等)，一些價(jià)電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子（同時(shí)產(chǎn)生出一個(gè)空穴），這就是本征激發(fā)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是共價(jià)鍵中的束縛電子依次填補(bǔ)空穴形成電流。故半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子。 空穴移動(dòng)方向 電子移動(dòng)方向 在外電場作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電。 價(jià)電子填補(bǔ)空穴+4+4+4+4+4+4+4+4

5、N 型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中 摻入少量的五價(jià)元 素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。 磷原子+4+5多余價(jià)電子自由電子正離子 N 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)中,電子是多數(shù)載流子, 空穴是少數(shù)載流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中 摻入少量的三價(jià)元 素,如硼,則形成P 型半導(dǎo)體。 +4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子 P 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。半導(dǎo)體的摻雜BAs 受 主 摻 雜 施 主 摻 雜施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提

6、供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如 Si中摻的B本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)*半導(dǎo)體中同時(shí)存在電子和空穴的根本原因是晶格的熱振動(dòng)本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度 電 子 濃 度 n, 空 穴 濃 度 p非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形: 熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子 電中性

7、條件: 正負(fù)電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補(bǔ)償p = n + Na Ndn = p + Nd Na正是因?yàn)殡娭行詶l件的要求，所以不管半導(dǎo)體中兩種載流子的濃度相差如何的大，都不會(huì)出現(xiàn)多于的電荷n型半導(dǎo)體：電子 n Nd 空穴 p ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴 p Na 電子 n ni2/Na載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運(yùn)能力 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場作用下的運(yùn)動(dòng) 引 入 遷 移 率 的 概 念影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度重 點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征

8、半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個(gè)相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成： pn結(jié)金屬半導(dǎo)體接觸 MOS結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié) 超晶格大量半導(dǎo)體器件都是由PN結(jié)構(gòu)成;PN結(jié)的性能集中的反應(yīng)了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能特點(diǎn)：存在兩種載流子；載流子產(chǎn)生與復(fù)合；載流子漂移：載流子在外部電場的作用下的定向運(yùn)動(dòng)；載流子擴(kuò)散：由于某些外部條件使得半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子在濃度梯度存在的條件下從濃度高的位置向濃度低的位置運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。2.2 PN 結(jié)P 區(qū)N 區(qū) 用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成 P

9、型半導(dǎo)體區(qū)域 和 N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)PN 結(jié)。N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向多子擴(kuò)散少子漂移內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)P 區(qū)N 區(qū)在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。 內(nèi)電場方向E外電場方向RP 區(qū)N 區(qū)外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷外加正向電壓內(nèi)電場方向E外電場方向RIP 區(qū)N 區(qū)空間電荷區(qū)變窄 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流第1章 P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬 外電場方向IR外加反向電壓外

10、電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行1、PN結(jié)加正向電壓：PN結(jié)所處的狀態(tài)稱為正向?qū)ǎ涮攸c(diǎn)：PN結(jié)正向電流大，PN結(jié)電阻小。相當(dāng)于開關(guān)閉合S2、PN結(jié)加反向電壓：PN結(jié)所處的狀態(tài)稱為反向截止，其特點(diǎn)：PN結(jié)反向電流小，PN結(jié)電阻大。相當(dāng)于開關(guān)打開PN結(jié)電容PN結(jié)電容勢壘電容 擴(kuò)散電容 1. 勢壘電容 PN結(jié)中空間電荷的數(shù)量隨外加電壓變化所形成的電容稱為勢壘電容，用 Cb 來表示。勢壘電容不是常數(shù)，與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓的大小有關(guān)。 載流子在擴(kuò)散過程中積累的電荷量隨外加電壓變化所形成的電容稱為擴(kuò)散電

11、容，用 Cd 與來示。 PN正偏時(shí)，擴(kuò)散電容較大，反偏時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略不計(jì)。2. 擴(kuò)散電容 正極引線觸絲N型鍺支架外殼負(fù)極引線點(diǎn)接觸型二極管1.3.1 二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管的符號(hào)正極負(fù)極半導(dǎo)體二極管 正極引線二氧化硅保護(hù)層P型區(qū)負(fù)極引線 面接觸型二極管N型硅PN結(jié)PN結(jié)600400200050100I / mAU / V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性二極管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2鍺管的伏安特性正向特性反向特性0死區(qū)電壓+ U IU=f（I）600400200 0.1 0.200.40.850100I / mAU /

12、V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓正向特性：二極管加正向電壓正極負(fù)極+反向特性：二極管加反向電壓正極負(fù)極+對于理想二極管鍺 管正向壓降0.2-0.3V硅 管正向壓降0.5-0.7VPN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流IOM2. 反向工作峰值電壓URM3. 反向峰值電流IRM 二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 N型硅二氧化硅保護(hù)膜BECN+P型硅（a） 平面型N型鍺ECB銦球銦球PP+（b）合金型雙極晶體管NPN 型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極E 三極管的結(jié)構(gòu) 分

13、類和符號(hào)PECB符號(hào)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)CBEN集電極C發(fā)射極E基極BNPPNPNP型三極管ECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路三極管的電流控制作用三極管具有電流控制作用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置 （加正向電壓）；（2）集電結(jié)反向偏置（加反向電壓）。EBRBIB發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子IEIB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子 電子流向電源正極形成 ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成 發(fā)射極電流IE 三極管的電流控制原理電源正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成 IBVCCRCVBBRBCBE 由于基區(qū)很薄,摻雜濃度又很小,電子在基區(qū)擴(kuò)散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的

14、數(shù)量。所以： IC IB同樣有: IC IB所以說三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。電流關(guān)系：IE=IB+ICECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流電流放大系數(shù) = IC IBECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路三極管的電流控制作用三極管具有電流控 制作用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于NPN型三極管應(yīng)滿足:輸出回路輸入回路公共端EBRBIBIEUBE 0UBC VB VEECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路三極管的電流控制作用三極管具有電流控 制作用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）

15、集電結(jié)反向偏置。對于PNP型三極管應(yīng)滿足:輸出回路輸入回路公共端EBRBIBIE即 VC VB 0UBE VB VE且IC= IB對于PNP型三極管應(yīng)滿足: VC VB VE且IC= IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE（一）放大狀態(tài)條件特征三極管在三個(gè)區(qū)的工作狀態(tài)IE飽和狀態(tài) 集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置，即UBE 0 （1） IB增加時(shí)，IC基本不變， 且IC UC / RC （2） UCE 0 晶體管C、E之間相當(dāng)于短路（三） 截止?fàn)顟B(tài)即UCE UBE （1） IB=0、 IC 0（2） UCE EC晶體管C、E之間相當(dāng)于開路共發(fā)射極接法放大電路條件特征（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2

16、）集電結(jié)正向偏置。條件特征RBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE三極管的主要參數(shù) 1. 電流放大系數(shù) (1) 直流電流放大系數(shù) (2) 交流電流放大系數(shù) = IC IB 2. 穿透電流 ICEO 3. 集電極最大允許電流 ICM 4. 集-射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 5. 集電極最大允許耗散功率 PCM極限參數(shù)使用時(shí)不允許超過! = IC IB晶體管的頻率特性截止頻率 f：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的 所對應(yīng)的頻率值截止頻率f ：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時(shí)對應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時(shí)對應(yīng)的頻率雙極晶體管的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由

17、工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用易于小信號(hào)應(yīng)用模擬電路缺點(diǎn)：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開關(guān)速度慢重點(diǎn)：1、三極管的三種工作狀態(tài)2、電流關(guān)系： IE=IB+IC IC=IB 2.4 MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管 （JFET）金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MESFET） MOS 場效應(yīng) 晶體管（MOSFET）場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor, 縮寫為FET）是一種電壓控制器件，其導(dǎo)電過程主要涉及一種載流子，也稱為“單極”晶體管 MOSFE

18、T的基本結(jié)構(gòu)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET） （Insulated Gate Field Effect Transistor-IGFET）、MISFET SiO2結(jié)構(gòu)示意圖N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管P型硅襯底源極S柵極G漏極D 襯底引線BN+N+DBSG符號(hào)1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)SiO2結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID = 0D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。工作原理(1) UGS =0P型硅襯底N+BSGD

19、。耗盡層ID = 0(2) 0 UGS UGS(th)N型導(dǎo)電溝道N+N+UGS4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線 0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS / VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA可變電阻區(qū)：UGS不變，ID與UDS成正比，漏源之間相當(dāng)于一個(gè)可變電阻。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線 0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS / VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA飽和區(qū)：UD

20、S大于一定值，在 UGS 一定，ID幾乎不變， ID 受UGS的控制。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線 0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS / VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA截止區(qū)：UDS過大，ID急劇增加。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線 0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS / VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA轉(zhuǎn)移特性： ID=f（ UGS ）| UDS=常數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

21、N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管P型硅襯底源極S漏極D 柵極G襯底引線B耗盡層1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理N+N+正離子N型溝道SiO2DBSG符號(hào)制造時(shí),在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。432104812UGS =1V2V3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性耗盡型NMOS管的特性曲線 1230V1012123 UGS / V特性曲線IDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mAN型硅襯底N+BSGD。耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道P溝道絕緣柵場效應(yīng)管（PMOS）PMOS管與NMOS管互為對偶關(guān)系，使用時(shí)UGS 、UDS的極性也與NMOS管相反。 P+P+UGSUDSIDP溝道

22、增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管開啟電壓UGS(th)為負(fù)值，UGS UGS(th) 時(shí)導(dǎo)通。 SGDB符號(hào) ID /mAUGS / V0UGS(th) 轉(zhuǎn)移特性P溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管DBSG符號(hào) ID /mAUGS /V0UGS(off) 轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓UGS(off)為正值， UGS UGS(off)時(shí)導(dǎo)通。 在UDS =0時(shí)，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。場效應(yīng)管的主要參數(shù)1. 開啟電壓UGS(th) 指在一定的UDS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電 壓。它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，NMOS為正，PMOS為負(fù)。2. 夾斷電壓 UGS(off) 指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，PMOS管是正