集成電路設(shè)計(jì)-常用半導(dǎo)體器件課件

1、1集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 1集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2 常用半導(dǎo)體器件4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2 常用半導(dǎo)體器件4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)能帶1、孤立原子能級(jí)原子中電子分層繞核運(yùn)動(dòng)，從能量觀點(diǎn)看，在各層軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有一定的能量，這些能量是不連續(xù)的，只能取某些確定的數(shù)值，稱為能級(jí)，可以用電子的能級(jí)來(lái)描述這些材料；2、共有化運(yùn)動(dòng)原子的電子殼層交疊；子殼層間電子相互轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)。 3、能帶形成每個(gè)孤立原子某子殼層電子可能取的能量狀態(tài)（能級(jí)）完全相同，但原子彼此靠近時(shí)，共有化運(yùn)動(dòng)使得電子就不僅受到原來(lái)所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用，這使得電子能量發(fā)生微小變化，孤立原子的每個(gè)能級(jí)將演化成由密集能級(jí)組成的準(zhǔn)連續(xù)能

2、帶。孤立原子的每個(gè)能級(jí)都有一個(gè)能帶與之對(duì)應(yīng)，所有這些能帶稱為允許帶，相鄰兩個(gè)允許帶間的空隙代表晶體所不能占有的能量狀態(tài)，稱為禁帶。Si+14n=1n=2n=3n=1n=2n=3能帶Sin=1n=2n=3n=1n=2n=34導(dǎo)帶、價(jià)帶(滿帶)和禁帶 a、導(dǎo)帶激發(fā)態(tài)形成的能帶； 電子未填滿或空帶； 電子在電場(chǎng)作用下形成電流。 b、價(jià)帶價(jià)電子所填充的能帶； 如價(jià)帶中所有量子態(tài)均被電子占滿，稱為滿帶，滿帶不具有導(dǎo)電作用。無(wú)任何電子占據(jù)的能帶稱為空帶。 c、禁帶導(dǎo)帶與價(jià)帶間的能量間隔。導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶EVEcEcEV4導(dǎo)帶、價(jià)帶(滿帶)和禁帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶EVEcEcEV51 價(jià)帶為未滿帶能導(dǎo)電2 價(jià)帶為滿帶

3、，但禁帶寬度為零，價(jià)帶與較高的空帶相交疊51 價(jià)帶為未滿帶能導(dǎo)電 電子遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。能量為E的一個(gè)獨(dú)立的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為：費(fèi)米分布函數(shù)晶體中電子的能量狀態(tài)呈能帶分布，那么晶體中電子本身又是如何按照能量分布的呢？空穴分布幾率 電子遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）7費(fèi)米能級(jí)物理意義T=0K時(shí)： E EF , f(E) 0費(fèi)米能級(jí)以下能級(jí)完全被電子填滿，費(fèi)米能級(jí)以上的能級(jí)全空，沒(méi)有一個(gè)電子T0K時(shí)： E 1/2 E =EF , f(E) = 1/2 E EF , f(E) p 摻雜目的！電子稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子Majority ca

4、rriers)；空穴稱為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子Minority carrier)。5 價(jià)雜質(zhì)原子稱為施主(Donor)原子，作用是 提供導(dǎo)電電子。N 型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷P價(jià)帶導(dǎo)帶施主能級(jí)電離能 雜質(zhì)（多子 ） 自由態(tài)（導(dǎo)電子 ）束縛態(tài) N 型半導(dǎo)體 約 0.044eV按能帶圖(Energy band diagram)的意義如何理解？靠近導(dǎo)帶容易脫離價(jià)帶導(dǎo)帶施主能級(jí)電離能 雜質(zhì)（多子 ） 自由態(tài)（導(dǎo)電子 ）束多數(shù)載流子(多子)富裕的載流子少數(shù)載流子(少子)稀少的載流子以 N 型半導(dǎo)體為例 雜質(zhì)電離本征激發(fā)少子多子雜質(zhì)的貢獻(xiàn)很大+施主電離 濃度決定于摻雜原子的濃度濃

5、度決定于溫度成對(duì)出現(xiàn)導(dǎo)帶價(jià)帶EVEcEfn多數(shù)載流子(多子)富裕的載流子以 N 型半導(dǎo)體為例 雜質(zhì)在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼B(yǎng)、鎵Ga、銦In等，即 構(gòu)成P型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)體) 。3 價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主(Acceptor)原子，作用是 提供導(dǎo)電空穴。P 型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼B(yǎng)、鎵Ga、銦受主電離 P 型半導(dǎo)體 雜質(zhì)（多子 ） 束縛態(tài) 自由態(tài)（導(dǎo)電空穴 ）受主能級(jí)價(jià)帶導(dǎo)帶電離能 注意：能帶圖是按電子的能量標(biāo)注的電子空穴空穴濃度多于電子濃度，即 pn 。 空穴(Holes)為多數(shù)載流子， 電子(Electrons)為少數(shù)載流子。導(dǎo)帶價(jià)帶EV

6、EcEfp受主電離 P 型半導(dǎo)體 雜質(zhì)（多子 ） 束縛態(tài) 自由態(tài)（導(dǎo)電說(shuō) 明：摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度； 溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體， 因而其導(dǎo)電能力大大改善。T =300K(27)室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n0 = p0 = 1.51010/cm3摻雜后 N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n = 51016/cm3本征硅的原子濃度: 5.01022/cm3 以上三個(gè)濃度基本上依次相差 106/cm3，本征激發(fā)較少。Three parameters說(shuō) 明：摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；3. 雜質(zhì)半

7、導(dǎo)體總應(yīng)該滿足：負(fù)電荷：正電荷：N型半導(dǎo)體的載流子濃度電中性條件：應(yīng)該滿足：負(fù)電荷：正電荷：N型半導(dǎo)體的載流子濃度電中性條件：施主能級(jí)被占據(jù)幾率為：受主能級(jí)被空穴占據(jù)幾率為：雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度與費(fèi)米能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)與能帶中能級(jí)的區(qū)別：能帶中能級(jí)可以容納兩個(gè)自旋相反的電子，而雜質(zhì)能級(jí)只能容納一個(gè)任意自旋的電子；所以雜質(zhì)能級(jí)被占據(jù)的幾率不能用標(biāo)準(zhǔn)的費(fèi)米分布函數(shù)。施主能級(jí)被占據(jù)幾率為：受主能級(jí)被空穴占據(jù)幾率為：雜質(zhì)半導(dǎo)體載電離受主濃度受主能級(jí)上的空穴濃度電離施主濃度施主能級(jí)上的電子濃度施主能級(jí)上的電子濃度就是沒(méi)有電離的施主雜質(zhì)濃度；受主能級(jí)上的空穴濃度就是沒(méi)有電離的受主雜質(zhì)濃度。雜質(zhì)有多少電離，顯然取

8、決于雜質(zhì)能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置。以施主為例：當(dāng)ED-EFk0T時(shí)，雜質(zhì)幾乎全部電離， 反之當(dāng)EF-EDk0T時(shí)，施主雜質(zhì)幾乎沒(méi)有電離。當(dāng)EF=Ed時(shí)，雜質(zhì)1/3電離。電離受主濃度受主能級(jí)上的空穴濃度電離施主濃度施主能級(jí)上的電子29非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體:摻入雜質(zhì)原子的濃度與晶體或者半導(dǎo)體原子濃度相比很小，這些少量雜質(zhì)原子的擴(kuò)散速度足夠快，因此施主電子間不存在相互作用，雜質(zhì)會(huì)在半導(dǎo)體中引入分立的、無(wú)相互作用的雜質(zhì)能級(jí)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度增加，雜質(zhì)原子間距縮小，施主電子開(kāi)始相互作用，單一的分立的雜質(zhì)能級(jí)將分裂為一個(gè)能帶，隨著雜質(zhì)濃度升高，雜質(zhì)能帶寬度增加，當(dāng)摻入雜質(zhì)原子濃度與有效狀態(tài)密度可比擬，雜質(zhì)能帶

9、可能與導(dǎo)帶底相交疊29雜質(zhì)的補(bǔ)償作用工藝的需要，因器件很小 補(bǔ)償：在半導(dǎo)體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，施主雜質(zhì)提供的自由電子和受主雜質(zhì)具有相互抵消的作用。 用 和 表示施主和受主濃度 受主能級(jí) 施主能級(jí) 導(dǎo)帶中的電子濃度： N 型半導(dǎo)體基體 有效施主濃度 摻磷摻硼高濃度擴(kuò)散高濃度擴(kuò)散轉(zhuǎn)型再轉(zhuǎn)型補(bǔ)償型本征半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體雜質(zhì)的存在會(huì)影響半導(dǎo)體中載流子的遷移率、壽命等，因此補(bǔ)償型本征半導(dǎo)體材料的性質(zhì)比本征半導(dǎo)體材料差。雜質(zhì)的補(bǔ)償作用工藝的需要，因器件很小 補(bǔ)償：在半導(dǎo)體中既同時(shí)含一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)同時(shí)含若干種施主雜志和若干種受主雜質(zhì)一般情況的電中性條件-雜質(zhì)補(bǔ)償同時(shí)含一種施主雜質(zhì)和

10、一種受主雜質(zhì)同時(shí)含若干種施主雜志和若干種32第四章 常用半導(dǎo)體器件4.2 PN結(jié)32第四章 常用半導(dǎo)體器件4.2 PN結(jié)33結(jié)面基體襯底（外延層）PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們交界面就形成PN結(jié)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?3結(jié)面基體襯底（外延層）PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，將P型平衡 PN 結(jié) 在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的緊密接觸交界處，會(huì)形成一個(gè)具有特殊電學(xué)性能過(guò)渡區(qū)域； 平衡PN結(jié)就是指沒(méi)有外加電壓、光照和輻射等的PN結(jié)。結(jié)面基體襯底（外延層）平衡 PN 結(jié) 在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的緊密接觸交界處，會(huì)35平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)形成 1）相

11、互接觸時(shí)，在交界面處存在著電子和空穴的濃度差，p區(qū)和n區(qū)多子分別向?qū)Ψ綌U(kuò)散2）界面p區(qū)側(cè)留下固定離化受主負(fù)電荷，n區(qū)側(cè)留下固定的離化施主正電荷；該正負(fù)電荷稱為空間電荷，存在正負(fù)空間電荷的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)或者耗盡層。3）正-負(fù)電荷間產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)稱為空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)；4）自建電場(chǎng)使空間電荷區(qū)內(nèi)的電子和空穴產(chǎn)生與其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)；電子空穴電子空穴35平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)形成電子空穴電子空穴36空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)形成5）隨擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)正、負(fù)電荷量逐漸增加，空間電荷區(qū)逐漸變寬，自建電場(chǎng)也隨之逐漸增強(qiáng)，同時(shí)電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)也不斷加強(qiáng);6）電子和空穴各自的擴(kuò)

12、散（擴(kuò)散流）與漂移（漂移流）相抵消時(shí)，正、負(fù)空間電荷量、正、負(fù)空間電荷區(qū)寬度、自建電場(chǎng)、空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴分布達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，兩個(gè)相反的運(yùn)動(dòng)大小相等、方向相反；形成穩(wěn)定分布。7）電中性決定了空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)空間電荷量相等。 電子空穴電子空穴PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場(chǎng)=電阻漂移運(yùn)動(dòng) 電場(chǎng)力 少子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 濃度差 多子36空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)形成電子空穴電子空穴PN結(jié)=空間電荷37接觸電位差（擴(kuò)散勢(shì)，內(nèi)建電場(chǎng)） (以突變結(jié)為例) 自建電場(chǎng)的存在，在pn結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了由 p區(qū)側(cè)負(fù)電荷區(qū)到n區(qū)側(cè)正電荷區(qū)逐漸上升的電位分布，使中性n區(qū)形成了一個(gè)相對(duì)于中性p區(qū)為正的電位差，該電位差稱為p

13、n結(jié)接觸電位差，用bi表示。 在空間電荷區(qū)邊界，多子和少子濃度與相應(yīng)中性區(qū)相等，對(duì)電場(chǎng)表達(dá)式積分即可得到接觸電位差(x)Vbi-xp-xnEi(x)p區(qū)n區(qū)37接觸電位差（擴(kuò)散勢(shì)，內(nèi)建電場(chǎng)） (以突變結(jié)為例) (x38能帶結(jié)構(gòu) 孤立p區(qū)和n區(qū)能帶結(jié)構(gòu)如下圖 空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)的存在，形成從中性p區(qū)到中性n區(qū)逐漸上升的電位。使空間電荷區(qū)內(nèi)導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂及本征費(fèi)米能級(jí)依其電位分布從p區(qū)邊界到n區(qū)邊界逐漸下降。設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)電位分布為(x)，那么(x)、能帶結(jié)構(gòu)如圖示EFnEFpEipEin(x)Vbi-xp-xnEi(x)EFp區(qū)n區(qū) 平衡pn結(jié)費(fèi)米能級(jí)處處相等38能帶結(jié)構(gòu) EFnEFpEipEi

14、n(x)Vbi-xp空間電荷區(qū) 少子 少子 多子 多子 擴(kuò)散區(qū)分布按指數(shù)規(guī)律變化 耗盡區(qū)或耗盡層空間電荷區(qū)的載流子已基本被耗盡； n:電子 p:空穴 Depletion layer空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因?yàn)槿鄙佥d流子;自建電場(chǎng)平衡PN結(jié)兩側(cè)載流子濃度分布空間電荷區(qū) 少子 少子 多子 多子 擴(kuò)散區(qū)分布按指數(shù)規(guī)律變化40非平衡pn結(jié) 定 義：施加偏壓的np結(jié)。此時(shí)pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)，稱非平衡pn結(jié)。 正向偏置：偏置電壓為p區(qū)電位高于n區(qū)電位 反向偏置：偏置電壓為n區(qū)電位高于p區(qū)電位 特 征-與平衡pn結(jié)相比： 空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生變化-破壞了載流子擴(kuò)散、漂移的動(dòng)態(tài)平衡 空間電荷區(qū)寬度變化；載流子分

15、布變化； 產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象-形成電流：40非平衡pn結(jié) 定 義：施加偏壓的np結(jié)。此時(shí)pn電子空穴41正 偏-電場(chǎng)被削弱外電場(chǎng)將多數(shù)載流子推向空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)變窄，空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)被削弱；載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，發(fā)生非平衡少子注入：電子向p區(qū)擴(kuò)散，空穴向n區(qū)擴(kuò)散。破壞了載流子擴(kuò)散、漂移的動(dòng)態(tài)平衡；載流子濃度在空間電荷區(qū)及邊界高于其平衡值；邊界處非平衡少數(shù)載流子向體內(nèi)擴(kuò)散；非平衡少子邊擴(kuò)散邊與多子復(fù)合，并在擴(kuò)散長(zhǎng)度處基本被全部復(fù)合。 #少子擴(kuò)散區(qū)：非平衡少子擴(kuò)散并被復(fù)合的區(qū)域稱為非平衡少子擴(kuò)散區(qū)。被復(fù)合多子從外電極提供，構(gòu)成-正向（擴(kuò)散）電流 。正向注入 p區(qū)n區(qū)自建外xm+ Ln擴(kuò)

16、散區(qū) Ln擴(kuò)散區(qū) Ln擴(kuò)散區(qū) Lp擴(kuò)散區(qū)PN結(jié)的P區(qū)接電源正極為正向偏置(稱正偏 forward biased)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生變化-破壞了載流子擴(kuò)散、漂移的動(dòng)態(tài)平衡；空間電荷區(qū)寬度變化；載流子分布變化；產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象-形成電流電子空穴41正 偏-電場(chǎng)被削弱p區(qū)n區(qū)自建外xm+ L42反 偏-電場(chǎng)被加強(qiáng)1. 外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，排斥多數(shù)載流子的擴(kuò)散，使得空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)；2. 內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子漂移運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)及其邊界少子濃度低于平衡值；3. 擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)； 產(chǎn)生的多子漂移向電極； 產(chǎn)生的少子向 xm內(nèi)擴(kuò)散，并在電場(chǎng)作用下漂移進(jìn)對(duì)方及

17、漂移向電極- 形成反向（漂移）電流。因?yàn)樯僮訑?shù)目極少，即使所有的少子都參與漂移運(yùn)動(dòng)，反向電流也非常小，反向抽取認(rèn)為PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。# 載流子的產(chǎn)生區(qū)也稱為少子擴(kuò)散區(qū)。p區(qū)n區(qū)自建外xm+ Ln擴(kuò)散區(qū) Lp擴(kuò)散區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生變化-破壞了載流子擴(kuò)散、漂移的動(dòng)態(tài)平衡；空間電荷區(qū)寬度變化；載流子分布變化；產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象-形成電流電子空穴多子被阻擋無(wú)大電流少子做貢獻(xiàn)微電流作用電阻很大42反 偏-電場(chǎng)被加強(qiáng)1. 外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，正向電流轉(zhuǎn)換和傳輸 Forward-active regime漂移 擴(kuò)散 復(fù)合 正向注入PN結(jié)伏安特性方程：正向電流轉(zhuǎn)換和傳輸 Forward-active

18、 regimPN結(jié)的正、反向V-A特性 將PN結(jié)的正向特性和反向特性組合起來(lái) 正向電流很小 導(dǎo)通電壓UTH（稱門(mén)檻電壓）正向電流達(dá)到某一明顯數(shù)值時(shí) 所需外加的正向電壓正常工作區(qū)的邊界；急劇增大 室溫時(shí)，鍺PN結(jié)的導(dǎo)通電壓約為0.25 V，硅PN結(jié)為0.5 V。 反向飽和電流 PN結(jié)的正、反向V-A特性 將PN結(jié)的正向特性和反向特性組合正向電壓正向?qū)?；正向注入使邊界少?shù)載流子濃度增加很大 ，成指數(shù)規(guī)律增加，電流隨著電壓的增加快速增大； 反向電壓反向截止 ；反向抽取使邊界少數(shù)載流子濃度減少，很快趨向于零，電壓增加時(shí)電流趨于“飽和” ； 正向電阻小 反向電阻大 leakage正向?qū)?，多?shù)載流子擴(kuò)

19、散電流；反向截止，少數(shù)載流子漂移電流；單向?qū)щ娦?n區(qū)p區(qū)InIp正向電壓正向?qū)?；正向注入使邊界少?shù)載流子濃度增加很大 46能帶結(jié)構(gòu) 孤立p區(qū)和n區(qū)能帶結(jié)構(gòu)如下圖 空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)的存在，形成從中性p區(qū)到中性n區(qū)逐漸上升的電位。使空間電荷區(qū)內(nèi)導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂及本征費(fèi)米能級(jí)依其電位分布從p區(qū)邊界到n區(qū)邊界逐漸下降。設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)電位分布為(x)，那么(x)、能帶結(jié)構(gòu)如圖示EFnEFpEipEin(x)Vbi-xp-xnEi(x)EFp區(qū)n區(qū) 平衡pn結(jié)費(fèi)米能級(jí)處處相等46能帶結(jié)構(gòu) EFnEFpEipEin(x)Vbi-xp47準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)：空間電荷區(qū)內(nèi)費(fèi)米能級(jí)不再連續(xù),電子和空穴沒(méi)有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)

20、。通常分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EnF和EpF表示。正 偏反 偏 EnF = EpF + qVA-xpxnxn-xp非平衡少子濃度隨著距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減 。47準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)：正 偏反 偏 EnF = EpF48pn結(jié)電容和等效電路1）勢(shì)壘電容（耗盡層電容） 空間電荷區(qū)內(nèi)正、負(fù)空間電荷量隨外加偏壓變化而變化，這種現(xiàn)象與電容器的充放電過(guò)程相同-體現(xiàn)為電容效應(yīng)，稱為pn結(jié)勢(shì)壘電容。 pn結(jié)單位面積勢(shì)壘電容用CT表示。 2）擴(kuò)散電容 擴(kuò)散區(qū)積累的非平衡少子電荷隨外加偏置電壓的變化而變化，體現(xiàn)為電容效應(yīng)，該電容發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)-稱為擴(kuò)散電容，用表示。由于電中性要求，擴(kuò)散區(qū)非平衡少子變化同時(shí)有同樣濃度及分布的非平

21、衡多子隨之變化，即等效于該區(qū)的非平衡少子變化，因此擴(kuò)散電容是二個(gè)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散電容的并聯(lián)。 反 偏：非平衡少子隨反偏變化量很小，擴(kuò)散電容也極小，一般可以不考慮。a. 非平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)及其邊界電子與空穴 濃度的積相等，且是偏置電壓的e指數(shù)函數(shù)。b. 非平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)邊界少子濃度為平衡 少子濃度與偏置電壓e指數(shù)函數(shù)的積。n區(qū)p區(qū)InIp48pn結(jié)電容和等效電路1）勢(shì)壘電容（耗盡層電容） 2）擴(kuò)49等效電路 勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容同是偏置電壓的函數(shù)； 勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容相并聯(lián)； 中性區(qū)及與外電極接觸處存在電阻。 勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，使得以pn結(jié)為基本單元的半導(dǎo)體 器件，其交流電學(xué)特性參數(shù)呈現(xiàn)為工

22、作頻率的函數(shù)。 g:增量電阻（擴(kuò)散電阻）隨著偏置電流的增加而減小本征等效電路49等效電路 勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容同是偏置電壓的函數(shù)； 50pn結(jié)擊穿 定義：反向電壓增大到某一值時(shí)，電流急劇上升。這種現(xiàn)象稱為pn結(jié)的擊穿。 相應(yīng)反偏電壓稱為pn結(jié)擊穿電壓。 擊穿是pn的本征現(xiàn)象，本身不具有破壞性，但是如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo(hù)措施，pn結(jié)則會(huì)因功耗過(guò)大而被熱損壞。擊穿機(jī)制： 熱擊穿； 隧道擊穿； 雪崩擊穿-常見(jiàn)的主要擊穿機(jī)制。50pn結(jié)擊穿 定義：反向電壓增大到某一值時(shí)，電51 1） 熱擊穿pn結(jié)反向電流有反向擴(kuò)散流和產(chǎn)生流二個(gè)分量；擴(kuò)散流正比于ni ： Pc|R|TjIRniIR反向偏壓功 耗結(jié)溫ni

23、T3 exp(-Eg0/KT)擊穿反向電流密切依賴于本征載流子濃度。產(chǎn)生電流正比于nip區(qū)n區(qū)自建外xm+ Ln擴(kuò)散區(qū) Lp擴(kuò)散區(qū)51 1） 熱擊穿Pc|R|TjIRniIR反向偏壓功 2）隧道擊穿(Zener breakdown)（齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?量子貫穿，可逆勢(shì)壘區(qū)水平距離d 變窄，發(fā)生量子隧道效應(yīng)； 硅PN結(jié)，擊穿電壓小于4 V的是隧道擊穿； 當(dāng)PN結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時(shí), 其耗盡層寬度很小, 即使外加反向電壓不太高(一般為幾伏), 在PN結(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場(chǎng)(可達(dá)2106 V/cm), p區(qū)價(jià)帶頂可以高于n區(qū)導(dǎo)帶低，那么p區(qū)價(jià)帶電子可以借助隧道效應(yīng)穿過(guò)禁帶到達(dá)n區(qū)。當(dāng)反偏壓達(dá)

24、到時(shí)，隧穿電子密度相當(dāng)高，形成的隧道電流相當(dāng)大，這種現(xiàn)象通常稱作隧道擊穿，又稱齊納擊穿。 隧道貫穿變窄強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生原因：2）隧道擊穿(Zener breakdown)（齊納擊穿或場(chǎng)533）雪崩擊穿 碰撞電離-反偏空間電荷區(qū)電場(chǎng)較強(qiáng)，構(gòu)成反向電流的電子和空穴可以獲得較大的動(dòng)能。若電子和空穴獲得的動(dòng)能在與晶格原子碰撞時(shí)足以將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為碰撞電離。 雪崩倍增效應(yīng)-產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)從電場(chǎng)獲取足夠能量，與原子撞碰又產(chǎn)生第二代電子-空穴對(duì)。如此繼續(xù)下去，使構(gòu)成反向電流的載流子數(shù)量劇增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應(yīng)。 雪崩擊穿-由雪崩倍增效應(yīng)引起的反向電流的急劇增大，稱為雪崩擊穿。

25、533）雪崩擊穿54VB 6g/q ，通常為雪崩擊穿；VB 4g/q ，通常為隧道擊穿；4g/q VB 6g/q ，通常為雪崩擊穿；55 pn結(jié)二極管 介紹若干有代表性的pn結(jié)二極管。 1、整流二極管 2、變?nèi)荻O管 3、開(kāi)關(guān)二極管 4 、pin二極管 5、江崎二級(jí)管 6、異質(zhì)結(jié)二極管55561、整流二極管定義: 允許電流從一個(gè)方向通過(guò)，而另一個(gè)方向呈現(xiàn)高阻阻斷狀態(tài)的器件。這種器件應(yīng)用了pn最基本的正反向電流-電壓特性，即正向動(dòng)態(tài)電阻小的特性。對(duì)偏壓微分，得pn結(jié)電導(dǎo): pn結(jié)的電流-電壓方程:561、整流二極管定義: 允許電流從一個(gè)方向通過(guò)，而另一個(gè)方57正偏pn結(jié)電導(dǎo)gF和動(dòng)態(tài)電阻rF:反

26、偏pn電導(dǎo)gR和動(dòng)態(tài)電阻rR : 正反向動(dòng)態(tài)電阻之比: 電阻之比極高-整流特性。 57正偏pn結(jié)電導(dǎo)gF和動(dòng)態(tài)電阻rF:反偏pn電導(dǎo)gR和動(dòng)態(tài)582、變?nèi)荻O管(可變電抗器)定義：利用pn結(jié)勢(shì)壘電容隨外加偏置電壓非線性變化特性而工作的器件。一般工作于反偏。某一常數(shù)；m=0-均勻分布，為單邊突變結(jié)；m=1-單邊線性緩變結(jié)；m 1-單邊指數(shù)緩變結(jié); m 0-稱為超突變結(jié)。 -5/31）基本摻雜結(jié)構(gòu)：勢(shì)壘電容隨偏壓變化的速率與摻雜濃度及分布有關(guān)。 pn結(jié)n區(qū)一側(cè)摻雜分布為:應(yīng)用：VCO，希望dC/dV大582、變?nèi)荻O管(可變電抗器)定義：利用pn結(jié)勢(shì)壘電容隨外592）基本特性: pn結(jié)單位面勢(shì)壘電

27、容為 （解泊松方程） 電容隨偏壓的變化 -超突變結(jié)最大; 突變結(jié)次之; 緩變結(jié)最小。592）基本特性: 電容隨偏壓的變化604、pin二級(jí)管（常用于開(kāi)關(guān)集成電路設(shè)計(jì)）1). 基本結(jié)構(gòu) pin是在高摻雜p區(qū)和n區(qū)之間有一本征層（i區(qū)）的二極管。本征層很難實(shí)現(xiàn)，通常用高阻p-型層或高阻n-型層代替： pp-n-pn; pn-n-pn圖 (b)-雜質(zhì)分布; (c)-空間電荷分布; (d)-電場(chǎng)分布。 604、pin二級(jí)管（常用于開(kāi)關(guān)集成電路設(shè)計(jì)）1). 基本結(jié)615、江崎二級(jí)管定義：簡(jiǎn)并p型半導(dǎo)體與簡(jiǎn)并n 型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)伏安特性(經(jīng)驗(yàn)公式)：Ip：峰值電流；Iv：谷值電流；Vp: 峰值電壓；V

28、n: 谷值電壓。ISIpIVVpVVVI615、江崎二級(jí)管定義：簡(jiǎn)并p型半導(dǎo)體與簡(jiǎn)并n 型半導(dǎo)體構(gòu)成626、異質(zhì)結(jié)二極管異質(zhì)結(jié)：兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)。類 型：異型異質(zhì)結(jié)-導(dǎo)電類型不同的兩種材料形成的結(jié)(異質(zhì)pn結(jié)) ； 同型異質(zhì)結(jié)-導(dǎo)電類型相同的兩種材料形成的結(jié)(n-n結(jié))(p-p結(jié)) 。異質(zhì)pn結(jié)應(yīng)用： 微電子器件-提高增益、頻率特性、線性度，減小噪聲等。 光電子器件-提高器件效率等。主要異質(zhì)結(jié)材料： 關(guān)注的主要有aAs基材料，如AlxGa1xAs/GaAs、InxGa1xAs/GaAs； Si1xGex/Si，等。式中x表示該元素的百分比組分。 改變x可實(shí)現(xiàn)禁帶寬度的調(diào)控。

29、本節(jié)介紹異型異質(zhì)結(jié)（異質(zhì)pn結(jié)，簡(jiǎn)稱異質(zhì)結(jié)）主要物理特性和電學(xué)特性。 626、異質(zhì)結(jié)二極管63應(yīng) 用1、變?nèi)荻O管（VCO）2、分壓器63應(yīng) 用1、變?nèi)荻O管（VCO）64第四章 常用半導(dǎo)體器件4.3 雙極晶體管64第四章 常用半導(dǎo)體器件4.3 雙極晶體管“雙極”Bi-polar 有兩個(gè)P-N結(jié)兩個(gè)彼此十分靠近的背靠背的P-N結(jié) 兩個(gè)結(jié)之間就會(huì)相互作用而發(fā)生載流子交換；參加工作的 不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子； 晶體管的基本結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào) CollectorBaseEmitter基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高集電區(qū)：面積最大發(fā)射結(jié)電流方向發(fā)射結(jié)電流方向“雙極”Bi-pola

30、r 有兩個(gè)P-N結(jié)兩個(gè)彼此十分661. 基本工作原理Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip + IVB - IRI3=In IVB + IR a.基本原理載流子輸運(yùn)過(guò)程:a.n區(qū)電子注入p區(qū)， 邊擴(kuò)散邊復(fù)合-IVB；b.n區(qū)注入p的電子擴(kuò)散 至反偏結(jié)空間電荷區(qū) 邊界被反偏電場(chǎng)抽至 n區(qū)，形成電流-InC；c.p空穴注入n區(qū)， 邊擴(kuò)散邊復(fù)合-Ip；d.反偏結(jié)反向電流-IR。VfpnnVR(Ip+In)(Ip+In)InIpIp=IRIn=IRp661. 基本工作原理Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB) 發(fā)射結(jié)正向偏

31、置-發(fā)射電子發(fā)射結(jié)正向偏置，外加電場(chǎng)有利于載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，高摻雜發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）將向基區(qū)擴(kuò)散（或注入）；同時(shí)，基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）也 向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散并與發(fā)射區(qū)中的部分電子復(fù)合。 載流子在基區(qū)的傳輸與復(fù)合到達(dá)基區(qū)的一部分電子將與P型基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）復(fù)合，由于低摻雜的基區(qū)空穴濃度比較低，且基區(qū)很薄，所以到達(dá)基區(qū)的電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)很少，大多數(shù)電子在基區(qū)中繼續(xù)傳輸，到達(dá)靠近集電結(jié)的一側(cè)。 發(fā)射結(jié)正向偏置-發(fā)射電子發(fā)射結(jié)正向偏置，外加電場(chǎng)有 集電結(jié)反向偏置-收集電子由于集電結(jié)反向偏置，外電場(chǎng)的 方向?qū)⒆柚辜妳^(qū)的多數(shù)載流子（電子）向基區(qū)運(yùn)動(dòng)，但有利于將基區(qū)中擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子，掃向

32、集電區(qū)被集電極收集。 以上就是載流子三個(gè)主要的傳輸過(guò)程，由于發(fā)射區(qū)的高摻雜，多數(shù)載流子電子濃度很高，所以晶體管載流子的傳輸主要是以電子的傳輸為主：簡(jiǎn)單的總結(jié)為：發(fā)射極發(fā)射電子：電子穿越發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)-發(fā)射區(qū)向基區(qū) 注入電子。電子穿越基區(qū)： 基區(qū)傳輸電子電子穿越集電結(jié)，被集電結(jié)收集：集電極收集電子 集電結(jié)反向偏置-收集電子由于集電結(jié)反向偏置，外電場(chǎng)69Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In + IpI2=Ip + IVB - IRI3=In IVB + IR若： IVB In ， Ip In 則： I2 I3 若： I2 作為輸入， I

33、3作為輸出， 則： 實(shí)現(xiàn)電流放大b.實(shí)現(xiàn)電流放大條件a.實(shí)現(xiàn)上述載流子輸運(yùn)： 一個(gè)結(jié)反偏 一個(gè)結(jié)正偏b.實(shí)現(xiàn) IVB In : Wp LnC.實(shí)現(xiàn) Ip Np69Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)InIVB +I702. 電流關(guān)系InCVBEpnnVCBIEIBIpEICInEIVBICBO IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC InC直流：IEIpEInEIVB一只良好的晶體管，IC 與IE 十分接近，而 IB 很?。ɡ?，只有IC 的1%2%）。 發(fā)射區(qū) NE WE基區(qū) NB W

34、B 收集區(qū) NC WCIEICIB702. 電流關(guān)系InCVBEpnnVCBIEIBIpEIC3. 晶體管的能帶及其載流子的濃度分布平衡狀態(tài)時(shí)，即 不加外電壓 ，有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。 寬度雜質(zhì)均勻分布重?fù)诫sAV多子少子Thermal equilibriumCarrier distribution3. 晶體管的能帶及其載流子的濃度分布平衡狀態(tài)時(shí)，寬度雜質(zhì)均非平衡狀態(tài)，加外電壓 ，發(fā)射結(jié)正偏(Forward bias)，集電結(jié)反偏(Reverse bias)，沒(méi)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。相對(duì)抬高 相對(duì)壓低 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子（少子） 基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入空穴（少子） 集電區(qū)少子濃度分布 少子分布 ACTIVE

35、 MODE*比較前頁(yè)非平衡狀態(tài)，相對(duì)抬高 相對(duì)壓低 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子（少子）4. 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管只有三個(gè)極不同接法的晶體管，其放大能力是不同的；4. 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管不同接法的晶體管，其放大74電流放大能力分析 用電流放大系數(shù)(電流增益)表征。通常有共基極和共射極電流放大系數(shù)。1) 共基極電流放大系數(shù)-0表示a. 發(fā)射效率-：b. 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)-* ： 1IpE / InE NBNEWb1 IE=InE + IpE IB=IpE + IVB ICBO IVB = InE - InC IC=InC + ICBO IE= IB + IC 752) 共射極電流放大系

36、數(shù)-0表示or1 IE=76A.晶體管具有電流放大能力，須具備三個(gè)條件： E(x)B(x)-使發(fā)射效率盡可能接近于； wb IC 機(jī)理。76A.晶體管具有電流放大能力，須具備三個(gè)條件：# 小結(jié)ex6、共發(fā)射極連接的直流特性曲線(Gummel Figure)ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 實(shí)驗(yàn)線路直流工作點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）T作用：使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)。6、共發(fā)射極連接的直流特性曲線(Gummel Figure)反向飽和電流 呈指數(shù)增大 輸入特性曲線 Non-linear voltage-current死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V工作壓降： 硅管UBE 0.60.7V,鍺管UBE 0.20.3V。注意：電流的單位； 死 區(qū)阻抗很大開(kāi)啟電壓閾值電壓？反向飽和電流 呈指數(shù)增大 輸入特性曲線 Non-linear輸出特性曲線可分為三個(gè)區(qū) 有源放大區(qū) 飽和區(qū) 截止區(qū) 特性曲線的疏密可看出電流放大系數(shù)的大小 曲線微微向上傾斜 輸出電流受輸入電流控制電流控制器件。 輸出等效電阻 注意：兩個(gè)電流的單位； Current gain