半導(dǎo)體器件物理I復(fù)習(xí)筆記

..半一復(fù)習(xí)筆記By瀟然21.1平衡PN結(jié)的定性分析1.pn結(jié)定義：在一塊完整的半導(dǎo)體晶片〔Si、Ge、GaAs等上,用適當(dāng)?shù)膿诫s工藝使其一邊形成n型半導(dǎo)體,另一邊形成p型半導(dǎo)體,則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了pn結(jié)2.緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的,通常稱為緩變結(jié)3.內(nèi)建電場(chǎng)：空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū),即從正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)4.耗盡層：在無外電場(chǎng)或外激發(fā)因素時(shí),pn結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡,沒有電流通過,內(nèi)部電場(chǎng)E為恒定值,這時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子,故稱為耗盡層1.2平衡PN結(jié)的定量分析1.平衡PN結(jié)載流子濃度分布2.耗盡區(qū)近似：一般室溫條件,對(duì)于絕大多部分勢(shì)壘區(qū),載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小的多,好像已經(jīng)耗盡了,此時(shí)可忽略勢(shì)壘區(qū)的載流子,空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度,即為耗盡區(qū)近似。所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩側(cè),載流子濃度維持原來濃度不變。1.4理想PN結(jié)的伏安特性〔直流1.理想PN結(jié)：符合以下假設(shè)條件的pn結(jié)稱為理想pn結(jié)<1>小注入條件—注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；Δn<n0,Δp<p0,<2>突變耗盡層條件—外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落在耗盡層上,耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成,耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。<3>通過耗盡層的電子和空穴電流為常量,不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用；<4>玻耳茲曼邊界條件—在耗盡層兩端,載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。2.理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式〔肖特來方程式：1.5產(chǎn)生-復(fù)合電流1.反偏PN結(jié)的產(chǎn)生電流2.正偏PN結(jié)的復(fù)合電流1.6理想PN結(jié)交流小信號(hào)特性1.擴(kuò)散電阻2.擴(kuò)散電容1.7勢(shì)壘電容在考慮正偏時(shí)耗盡層近似不適用的情況下,大致認(rèn)為正偏時(shí)勢(shì)壘電容為零偏時(shí)的四倍,即1.8擴(kuò)散電容定義：正偏PN結(jié)內(nèi)由于少子存儲(chǔ)效應(yīng)而形成的電容1.9PN結(jié)的瞬態(tài)1.10PN結(jié)擊穿1.雪崩擊穿<1>定義：在反向偏壓下,流過pn結(jié)的反向電流,主要是由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成。當(dāng)反向偏壓很大時(shí),勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng),在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作角,具有很大的動(dòng)能,它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí),能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來,成為導(dǎo)電電子,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。<2>擊穿電壓,與NB成反比,意味著摻雜越重,越容易擊穿；<3>臨界電場(chǎng)<4>特點(diǎn)<5>提高雪崩擊穿電壓的方法2.齊納擊穿<1>定義：隧道擊穿是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,由隧道效應(yīng),使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。<2>特點(diǎn)<3>注意事項(xiàng)〔幫助理解隧道擊穿時(shí)要求一定的NVA值,它既可以是N小VA大；也可以是N大VA小。前者即雜質(zhì)濃度較低時(shí),必須加大的反向偏壓才能發(fā)生隧道擊穿。但是在雜質(zhì)濃度較低,反向偏壓大時(shí),勢(shì)壘寬度增大,隧道長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng),不利于隧道擊穿,但是卻有利于雪崩倍增效應(yīng),所以在一般雜質(zhì)濃度下,雪崩擊穿機(jī)構(gòu)是主要的。而后者即雜質(zhì)濃度高時(shí),反向偏壓不高的情況下就能發(fā)生隧道擊穿,由于勢(shì)壘區(qū)寬度小,不利于雪崩倍增效應(yīng),所以在重?fù)诫s的情況下,隧道擊穿機(jī)構(gòu)變?yōu)橹饕?。附：二極管模型與模型參數(shù)2.1BJT直流特性-定性分析2.2BJT直流特性-定量分析1.基礎(chǔ)關(guān)系①In〔X1=In〔X2,In〔X3=In〔X4,耗盡區(qū)不考慮復(fù)合；②IE=In〔X2+Ip〔X1,即發(fā)射極電流等于E→B電子的擴(kuò)散電流與B→E空穴的擴(kuò)散電流之和；此處可推導(dǎo)γ0③In〔X2=In〔X3+IvB,即E→B電子的擴(kuò)散電流,等于進(jìn)入C的電子的漂移電流與在B區(qū)因電子復(fù)合產(chǎn)生的復(fù)合電流之和；此處可推導(dǎo)αT02.發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率γ0對(duì)于NPN型晶體管,γ0定義為注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極總電流之比,即有〔定義代入Ip〔X1〔B區(qū)空穴注入E區(qū)擴(kuò)散電流以及In〔X2〔E區(qū)電子注入B區(qū)電子電流,得下式3.基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT0對(duì)于NPN晶體管,定義為到達(dá)集電結(jié)邊界X3的電子電流In<X3>與注入基區(qū)的電子電流In<X2>之比,即有〔定義代入復(fù)合電流與E→B電子的擴(kuò)散電流,再利用擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系消去壽命τ2.3非均勻基區(qū)晶體管的直流電放大系數(shù)1.形成過程：以NPN晶體管為例,在B區(qū)內(nèi),人為令靠近E區(qū)的部分摻雜濃度高,靠近C區(qū)的部分摻雜濃度低→產(chǎn)生濃度差,多子空穴從左擴(kuò)散至右→左邊空穴濃度低于雜質(zhì)濃度,帶負(fù)電荷；右邊空穴濃度高于雜質(zhì)濃度,帶正電荷→產(chǎn)生向左的電場(chǎng)→電場(chǎng)強(qiáng)度一直增強(qiáng),直到空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等于漂移運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度2.目的：少子在基區(qū)中不但有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),還有漂移運(yùn)動(dòng),甚至以漂移運(yùn)動(dòng)為主→縮短少子的基區(qū)渡越時(shí)間,有利于提高基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與電流放大系數(shù)3.方法：已知基區(qū)多子摻雜濃度→利用基區(qū)空穴擴(kuò)散電流與漂移電流大小相等,算出基區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度E→已知基區(qū)電子電流IEn,算出B區(qū)少子電子濃度隨距離x、基區(qū)漂移系數(shù)η的關(guān)系式,如下圖4.結(jié)論①同樣的InB,漂移晶體管的基區(qū)少子總數(shù)下降〔少子濃度曲線下方面積即代表總數(shù)；雜質(zhì)分布越陡峭,少子總數(shù)下降越厲害②發(fā)射極注射效率γ0無變化,基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT0=1-W^2/[λ<Lnb>^2],當(dāng)基區(qū)漂移系數(shù)η為0時(shí)〔即均勻正常摻雜λ=2,η>>1時(shí)η=λ,故提高η可以提高電流增益5.提高電流放大系數(shù)的措施①適當(dāng)增大E區(qū)Gummel數(shù)GE②適當(dāng)減小NB③減小基區(qū)寬度④加強(qiáng)工藝控制2.4非理想特性<nonidealeffects>1.厄利效應(yīng)〔基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)〔EarlyEffect①定義：當(dāng)晶體管的集電結(jié)反向偏壓發(fā)生變化時(shí),空間荷區(qū)寬度Xmc也將發(fā)生變化,因而會(huì)引起有效基區(qū)寬度的相應(yīng)變化,如圖所示。這種由于外加電壓引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)②影響：有效基區(qū)寬度變窄,Ic增加〔根據(jù)B區(qū)少子濃度曲線斜率,同時(shí)β0增加③厄利電壓VA理想情況下VA趨近于負(fù)無窮④影響因素：基區(qū)摻雜NB、基區(qū)寬度XB。降低兩者均會(huì)使β0增大,而厄利效應(yīng)嚴(yán)重2.Sah效應(yīng)〔E-B結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合①定義：發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流IER使得IE增大,〔根據(jù)定義注射效率γ0降低②影響：對(duì)IE、IB均有貢獻(xiàn),但對(duì)IC無貢獻(xiàn),故β0降低3.Webster效應(yīng)〔BaseConductanceModulation/基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)——基區(qū)大注入定義、影響：當(dāng)VBE較大、注入電子時(shí)→基區(qū)中也有大量的空穴積累<并維持與電子相同的濃度梯度>,這相當(dāng)于增加了基區(qū)的摻雜濃度,使基區(qū)電阻率下降~基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)→IEp增大→注射效率γ降低,β0下降注：是引起大電流β0下降的主要原因4.Kirk效應(yīng)〔BasePushOut/基區(qū)展寬效應(yīng)——發(fā)射區(qū)大注入效應(yīng)①定義：在大電流時(shí),基區(qū)發(fā)生展寬的現(xiàn)象②過程①是小注入,③是注入的電子正好中和集電區(qū)一邊的正空間電荷③影響：a.基區(qū)存儲(chǔ)少子電荷增加b.β0下降c.頻率特性變差〔嚴(yán)重影響高頻特性④措施：提高NC、設(shè)定最大Ic等5.發(fā)射極電流集邊效應(yīng)——使大注入加?、俣x：發(fā)射極電流集中在發(fā)射極的邊緣②原因：基極電阻引起橫向電壓→E極輸入電流密度由邊緣至中央指數(shù)下降→IE將集中在發(fā)射結(jié)邊緣附近③影響：a.使發(fā)射結(jié)邊緣處電流密度↑,易產(chǎn)生邊緣Webster效應(yīng)及Kirk效應(yīng),β0下降b.局部過熱c.影響功率特性④措施：a.采用插指結(jié)構(gòu)b.NB不能太低〔降低基極電阻6.發(fā)射區(qū)禁帶變窄①原因：E區(qū)重?fù)健麕挾茸冋谟绊懀喊l(fā)射結(jié)注入效率γ下降總結(jié)：2.5BJT頻率參數(shù)1.α截止頻率fα定義：共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻的3dB所對(duì)應(yīng)的頻率2.β截止頻率fβ定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù)β下降到低頻β0的3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率3.特征頻率fT定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù)∣β∣=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率4.最高振蕩頻率fM定義：共發(fā)射極運(yùn)用時(shí),功率增益等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率,此時(shí)晶體管的輸出功率等于輸入功率2.6共基極交流小信號(hào)α頻率特性分析1.交流小信號(hào)電流傳輸過程①通過發(fā)射結(jié)iCTe為發(fā)射結(jié)勢(shì)壘結(jié)電容分流電流②基區(qū)輸運(yùn)階段iCDe表示發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容分流電流③集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越階段,為集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)④通過集電區(qū)階段,為集電區(qū)衰減因子綜上,交流小信號(hào)相比于直流,其多了E結(jié)勢(shì)壘電容CTe的充放電電流、E結(jié)擴(kuò)散電容CDe的充放電電流、集電結(jié)渡越時(shí)間中電流衰減、C結(jié)勢(shì)壘電容CTc的充放電電流影響：使電流增益下降、使信號(hào)延遲產(chǎn)生相位差2.晶體管共基極高頻等效電路3.共基極交流電流放大系數(shù)α及截止頻率fα的定量分析①發(fā)射區(qū)注入效率γ和發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間τe=re*CTe,其中re=Vt/IE,CTe為正偏勢(shì)壘電容,故需要乘上常數(shù)②基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT和基區(qū)渡越時(shí)間τb③集電極勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αdc和集電極耗盡區(qū)渡越時(shí)間τd,其中Xmc為C區(qū)空間電荷區(qū)寬度,usl為載流子極限速度④集電區(qū)衰減因子αc和集電結(jié)電容充電時(shí)間τc,代表通過集電區(qū)串聯(lián)電阻rcs對(duì)勢(shì)壘電容的充放電時(shí)間常數(shù)⑤共基極電流放大系數(shù)及其截止頻率2.7共射極交流小信號(hào)β頻率特性分析1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β和截止頻率fβ2.特征頻率fT①定義：共射組態(tài)下電流失去放大能力的頻率②表達(dá)式③與fα、fβ的關(guān)系3.提高特征頻率的有效途徑①減小基區(qū)寬度〔τb②減小結(jié)面積〔τe、τc的電容③適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率及其厚度〔降低rc提高τc,又不至于影響擊穿電壓,使功率特性差；降低τd④兼顧功率特性和頻率特性的外延晶體管結(jié)構(gòu)〔npnn+2.8基區(qū)串聯(lián)電阻RB1.定義：基極電流IB經(jīng)基極引線經(jīng)非工作基區(qū)流到工作基區(qū)所產(chǎn)生的壓降,當(dāng)做一個(gè)電阻產(chǎn)生,則其為基區(qū)串聯(lián)電阻2.影響①基區(qū)自偏壓效應(yīng)導(dǎo)致的電流集邊效應(yīng)②使輸入阻抗增大③在線路應(yīng)用中形成反饋〔影響晶體管的功率特性和頻率特性2.9發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體管圖形設(shè)計(jì)1.基區(qū)自偏壓效應(yīng)定義：大電流→較大IB流過基極電阻,產(chǎn)生較大橫向壓降→發(fā)射結(jié)正向偏置電壓由邊緣至中心逐漸減少,電流密度則由中心至邊緣逐漸增大2.線電流密度：發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量3.提高線電流密度措施①外延層電阻率選得低一些②直流放大系數(shù)β0或fT盡量做得大些③在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高集電結(jié)偏壓及降低基區(qū)方塊電阻2.10BJT的擊穿電壓與外延參數(shù)確定1.穿通①機(jī)理：隨著收集結(jié)上反偏電壓的不斷增加,收集結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展至整個(gè)基區(qū)②穿通時(shí)的BC結(jié)電壓2.雪崩擊穿其意為：基極開路時(shí)擊穿電壓比真實(shí)的雪崩擊穿電壓小,縮小的比例為n次開方β3.提高Vpt的方法①提高WB、NB,與提高增益矛盾②減小NC,與提高fT矛盾實(shí)際設(shè)計(jì)中令Vpt>BVCBO,即防止C結(jié)雪崩擊穿前先發(fā)生穿通4.外延結(jié)構(gòu)晶體管特點(diǎn)同時(shí)滿足擊穿特性與頻率特性〔N+襯底降低rC,較好解決矛盾2.11BJT的安全工作區(qū)1.二次擊穿2.措施：加入肖特基鉗位二極管2.12BJT的開關(guān)作用1.飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)又分為臨界飽和與深.飽和。集電結(jié)UBC=0的情況稱為臨界飽和；當(dāng)集電結(jié)偏壓UBC>0時(shí)成為深飽和2.飽和深度S2.13BJT的開關(guān)過程分析1.提高開關(guān)速度途徑內(nèi)部：①摻金,減少少子壽命,減少飽和時(shí)的超量存貯電荷②減小結(jié)面積,降低發(fā)射極集電極結(jié)電容③減小基區(qū)寬度,從而減小Qb,使基區(qū)少子濃度變化更快④采用外延結(jié)構(gòu),降低飽和壓降UCES外部：①加大IB從而縮短td和tr,同時(shí)為了防止深飽和,選S=4②加大反向IB′③考慮工作在臨界飽和狀態(tài)④在UCC與IB一定時(shí),選擇較小的RL可使晶體管不進(jìn)入太深