微電子器件1課件

微

電

子

器

件總學(xué)時(shí)：72

學(xué)時(shí)其中課堂講授：60

學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)：12

學(xué)時(shí)成績(jī)構(gòu)成：期末考試：70

分、平時(shí)：20

分、實(shí)驗(yàn)：10

分WWWHAT?HY?HO?美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的世界上第一支鍺點(diǎn)接觸雙極晶體管1947年：雙極型晶體管1960年：實(shí)用的

MOS

場(chǎng)效應(yīng)管固體器件1950

年發(fā)明了結(jié)型雙極型晶體管，并于

1956

年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。1956

年出現(xiàn)了擴(kuò)散工藝，1959

年開(kāi)發(fā)出了

硅平面工藝

，為以后集成電路的大發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1959

年美國(guó)的仙童公司（Fairchilds

）開(kāi)發(fā)出了第一塊用硅平面工藝制造的集成電路，并于

2000

年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。半導(dǎo)體器件內(nèi)的載流子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用一套

基本方程

來(lái)加以描述，這套基本方程是分析一切半導(dǎo)體器件的基本數(shù)學(xué)工具。

半導(dǎo)體器件基本方程是由

麥克斯韋方程組

結(jié)合

半導(dǎo)體的固體物理特性

推導(dǎo)出來(lái)的。這些方程都是三維的。1.1半導(dǎo)體器件基本方程的形式

第

1

章半導(dǎo)體器件基本方程所以泊松方程又可寫成（1-1b）分析半導(dǎo)體器件的基本方程包含三組方程。1.1.1泊松方程

（1-1a）式中為靜電勢(shì)，它與電場(chǎng)強(qiáng)度之間有如下關(guān)系，1.1.2輸運(yùn)方程

輸運(yùn)方程又稱為電流密度方程。（1-2）（1-3）電子電流密度和空穴電流密度都是由漂移電流密度和擴(kuò)散電流密度兩部分所構(gòu)成，即1.1.3連續(xù)性方程

（1-4）（1-5）式中，Un

和

Up

分別代表電子和空穴的凈復(fù)合率。當(dāng)

U>0時(shí)表示凈復(fù)合，當(dāng)

U<0

時(shí)表示凈產(chǎn)生。所謂連續(xù)性是指載流子濃度在時(shí)空上的連續(xù)性，即：造成某體積內(nèi)載流子增加的原因，一定是載流子對(duì)該體積有凈流入和載流子在該體積內(nèi)有凈產(chǎn)生。上面的方程（1-6）式中，代表電位移。高斯定理，就是大家熟知的方程(1-7)、(1-8)稱為電子與空穴的

電荷控制方程

，表示流出某封閉曲面的電流受該曲面內(nèi)電荷的變化率與電荷的凈復(fù)合率所控制。在用基本方程分析半導(dǎo)體器件時(shí)，有兩條途徑，一條是用計(jì)算機(jī)求

數(shù)值解。這就是通常所說(shuō)的半導(dǎo)體器件的數(shù)值模擬；另一條是求基本方程的

解析解，得到解的封閉形式的表達(dá)式。但求解析解是非常困難的。一般需先

對(duì)基本方程在一定的近似條件下加以簡(jiǎn)化后再求解。本課程討論第二條途徑。在此基礎(chǔ)上再根據(jù)不同的具體情況還可進(jìn)行各種不同形式的簡(jiǎn)化。

例1.1對(duì)于方程(1-9)

（1-14）在耗盡區(qū)中，可假設(shè)p=n=0，又若在

N

型耗盡區(qū)中，則還可忽略

NA，得若在

P

型耗盡區(qū)中，則得

例1.2

對(duì)于方程（1-10），（1-16）當(dāng)載流子濃度和電場(chǎng)很小而載流子濃度的梯度很大時(shí)，則漂移電流密度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散電流密度，可以忽略漂移電流密度，方程（1-10）簡(jiǎn)化為反之，則可以忽略擴(kuò)散電流密度，方程（1-10）簡(jiǎn)化為

例1.3

對(duì)于方程(1-12)、(1-13)中的凈復(fù)合率

U，當(dāng)作如下假設(shè)：(1)復(fù)合中心對(duì)電子與空穴有相同的俘獲截面；(2)復(fù)合中心的能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)相等，則

U

可表為式中，代表載流子壽命，如果在

P

型區(qū)中，且滿足小注入條件，則同理，在

N

型區(qū)中，于是得（1-18）（1-19）（1-17）

例1.5

對(duì)于泊松方程的積分形式(1-6)，（1-25）也可對(duì)積分形式的基本方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。在

N

型耗盡區(qū)中可簡(jiǎn)化為式中，，分別代表體積

V

內(nèi)的電子總電荷量和非平衡電子總電荷量。

例1.6

對(duì)于方程(1-7)（1-7）將電子凈復(fù)合率的方程(1-18)代入，并經(jīng)積分后得（1-26）定態(tài)時(shí)，，上式可再簡(jiǎn)化為（1-27）方程（1