第七章 半導體器件

第七章半導體器件基礎7.1PN結PN結的制備方法突變結和緩變結PN結7.1.1PN結的制備方法合金法擴散法生長法離子注入法合金法n型SiAl塊Al液體鋁硅合金結P型硅n型Sin型Si擴散法N型硅氧化SiO2光刻擴散P型硅N型硅N型硅生長法離子注入法7.1.2突變結N型區(qū)中施主雜質濃度為ND，均勻分布P型區(qū)中受主雜質濃度為NA，也是均勻分布在交界面，雜質濃度由NA突變?yōu)镹D具有這種雜質濃度分布的PN結稱為突變結突變結NxNANDxjx緩變結緩變結中，雜質濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的NxNANDxjx7.1.3PN結P，N型半導體接觸前后PN結能帶圖P，N型半導體未接觸前++++++++++++N型半導體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導體多子—空穴少子—電子內電場E

因多子濃度差

形成內電場

多子的擴散

空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層P，N半導體接觸后少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層漂移電流和擴散電流1.漂移運動載流子在外電場作用下的運動稱為漂移運動，由此引起的電流稱為漂移電流。2.擴散運動半導體材料內部由于載流子的濃度差而引起載流子的移動稱為載流子的擴散運動。幾個概念空間電荷區(qū)——在PN結的交界面附近，由于擴散運動使電子與空穴復合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。內部電場——由空間電荷區(qū)（即PN結的交界面兩側的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內部電場的作用是阻擋多子的擴散，加速少子的漂移。耗盡層——在無外電場或外激發(fā)因素時，PN結處于動態(tài)平衡沒有電流，內部電場E為恒定值，這時空間電荷區(qū)內沒有載流子，故稱為耗盡層。熱平衡－－動態(tài)平衡多子擴散運動擴散電流少子漂流運動漂移電流動態(tài)平衡時，PN結總電流為零，形成一個穩(wěn)定的空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)內只有不能移動的離子，是載流子不能停留的區(qū)域或載流子耗盡的區(qū)域，故又稱耗盡層。PN結能帶圖7.1.4總電子電流密度總電子電流密度等于電子的漂移速度加上電子的擴散電流補充：電子電流密度空穴電流密度總電流密度空間層勢壘平衡PN結的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差VD，稱為PN結的接觸電勢差或者內建電勢差qVD稱為PN結的勢壘高度勢壘高度正好補償了n區(qū)和p區(qū)的費米能級之差接觸電勢差和PN結兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度等有關在一定的溫度下，突變結兩邊摻雜濃度越高，接觸電勢差越大禁帶寬度越大，ni越小，Vd也越大硅PN結的電勢差比鍺的大勢壘UO硅0.5V鍺0.1V理想PN結模型符合以下假設：小注入條件，注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多突變耗盡層條件，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴散運動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生和復合玻耳茲曼邊界條件，在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布肖克萊方程式結論PN結具有單向導通性，在正向偏壓下，正向電流密度呈指數(shù)關系變化；在反向偏壓下，J＝－Js，為常數(shù)，與外加電壓無關溫度對電流密度影響很大，Js隨著溫度的變化迅速增加7.1.5PN結擊穿當PN結上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PlN結的反向擊穿。PN結出現(xiàn)擊穿時的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用VBR表示。反向擊穿可分為雪崩擊穿、齊納擊穿和熱點擊穿三類。雪崩擊穿當反向電壓較高時，結內電場很強，使得在結內作漂移運動的少數(shù)載流子獲得很大的動能。當它與結內原子發(fā)生直接碰撞時，將原子電離，產生新的“電子一空穴對”。這些新的“電子一空穴對”，又被強電場加速再去碰撞其他原子，產生更多的“電子一空穴對”。如此鏈鎖反應，使結內載流子數(shù)目劇增，并在反向電壓作用下作漂移運動，形成很大的反向電流。這種擊穿稱為雪崩擊穿。顯然雪崩擊穿的物理本質是碰撞電離。

齊納擊穿齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結內。由于摻雜濃度很高，PN結很窄，這樣即使施加較小的反向電壓(5v以下)，結層中的電場卻很強。在強電場作用下，會強行促使PN結內原子的價電子從共價鍵中拉出來，形成“電子一空穴對”，從而產生大量的載流子。它們在反向電壓的作用下，形成很大的反向電流，出現(xiàn)了擊穿。顯然，齊納擊穿的物理本質是場致電離。一般地：擊穿電壓UBR<6V的屬于齊納擊穿擊穿電壓UBR>6V的屬于雪崩擊穿熱電擊穿當PN結施加反向電壓時，流過PN結的反向電流要引起熱損耗，將產生大量的熱能，引起結溫上升；隨著結溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產生的熱能也迅速上升，進而又導致結溫上升。如此反復循環(huán)，最后使Js無限增大而發(fā)生擊穿這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱為熱電擊穿。7.2金屬-半導體接觸功函數(shù)的概念接觸電勢差金屬的功函數(shù)金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差，即EFWm

越大,金屬對電子的束縛越強半導體的功函數(shù)半導體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0與半導體的EF

能量之差，即E0ECEFEV

Ws電子的親合能金屬-半導體接觸前Ev

Ws金屬半導體金屬-半導體接觸后qVD討論：金屬和n型半導體接觸時有兩種情況

a：

b：Wm<WsWm>Ws金屬的功函數(shù)小于半導體的功函數(shù)金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)1）Wm<Ws金屬和半導體接觸時，電子將從金屬流向半導體；在半導體表面形成負的空間電荷區(qū)；電場方向由表面指向體內；半導體表面電子的能量低于體內的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內大得多，因此它是一個高電導的區(qū)域，稱為反阻擋層。反阻擋層（Wm<Ws）EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和n型半導體接觸能帶圖

反阻擋層薄,高電導,對接觸電阻影響小2）Wm>Ws金屬和半導體接觸時，電子將從半導體流向金屬；在半導體表面形成正的空間電荷區(qū)；電場方向由體內指向表面；半導體表面電子的能量高于體內的，能帶向上彎曲，形成表面勢壘。在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，稱為阻擋層。阻擋層（Wm>Ws）金屬和n型半導體接觸能帶圖

阻擋層厚,高阻,對接觸電阻影響很大EcEv形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層7.2晶體二極管晶體二極管具有單向導通性正向偏置：P區(qū)接正電源，N區(qū)接負

反向偏置：N區(qū)接正，P區(qū)接負正向偏置正向偏置內電場削弱勢壘降低阻擋層變窄擴散電流增加漂流電流變小正向導通RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__反向偏置NP++++++++++++++++----------------RUUiRNP++++++++++++++++----------------++__反向偏置內電場加強勢壘升高阻擋層變寬漂移電流增加擴散電流變小反向不導通反向漂移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流，而少數(shù)載流子濃度很低，故反向電流可以忽略。晶體二極管的伏安特性SiiR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR)1.0iDuDSiGe7.3晶體三極管結型晶體管異質結雙極晶體管場效應晶體管MOSFETHEMT7.3.1結型晶體管由兩個PN結組成的晶體管，所引出的三個電極分別記為發(fā)射級（E），基級（B）和集電極（C）。結型晶體管具有放大作用又可分為NPN型和PNP型三極管1）NPN型三極管集電結發(fā)射結集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極（e）基極（b)集電極（c）NPNebcV2）PNP型三極管集電結發(fā)射結集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極（e）基極（b)集電極（c）PNPebcV

1、平面對著自己。2、三極管的三個管腳朝下。3、從左往右三極管的管腳依次是

e、b、c?；鶇^(qū)很薄，且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)摻雜濃度比基區(qū)和集電區(qū)高得多；(3)集電結的面積比發(fā)射結大。三極管的電流放大作用晶體管的特性參數(shù)(1)IE=IC+IB

，且IC>>IB(2)基極電流IB增大時,集電極電流IC也隨之增大(3)當IB有微小變化時，IC即有較大的變化。即β值一般較大三極管的工作狀態(tài)：截止、放大和飽和放大狀態(tài)的條件：發(fā)射結正偏和集電結反偏。放大區(qū)的特征：IC由IB決定，具有恒流的特性。截止狀態(tài)條件：基極開路或發(fā)射結反偏。當三極管截止時，c、e之間的電壓基本上等于UCC，而IC≈0，故三極管呈現(xiàn)出高電阻，c、e之間相當于斷路。飽和狀態(tài)：發(fā)射結、集電結都正偏。當三極管飽和時，無放大作用?；鶚O電流的變化不會再引起集電極電流的改變。7.3.2異質結雙極晶體管（HBT）異質結雙極晶體管是指發(fā)射區(qū)、基區(qū)和收集區(qū)由禁帶寬度不同的材料制成的晶體管；異質結雙極晶體管與傳統(tǒng)的雙極晶體管不同，前者的發(fā)射極材料不同于襯底材料，后者的整個材料是一樣的，因而稱為異質結器件。異質結雙極晶體管的發(fā)射極效率主要由禁帶寬度差決定，幾乎不受摻雜比的限制。這就大大地增加了晶體管設計的靈活性。SiGeHBT1998年10月IBM首次量產鍺硅異質結雙極晶體管（SiGeHBT）。由于SiGeHBT具有GaAs的性能，而與硅工藝的兼容性又使其具有硅的低價格，因此SiGe技術獲得了長足的進展,SiGeHBT技術已成為RF集成電路市場的主流技術之一，并對現(xiàn)代通信技術的發(fā)展產生了深遠的影響。HBT基的射頻集成電路（RFIC）已在蜂窩移動電話末級功率放大器、基站驅動級、有線電視的光纖線路驅動器上獲得成功，證明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。HBT的優(yōu)點1.提高器件的電流增益

E級帶隙大于B級就形成了對B級載流子的勢壘，阻止了它在B-E結正向偏置時向E級區(qū)的注入，提高了晶體管的發(fā)射級注入效率從而提高了器件的電流增益。2.提高器件的工作頻率采用輕摻雜E級和重摻雜B級，B級的厚度可以很薄，可以減少E-B級間渡躍時間，提高器件的工作頻率。重要的HBT器件SiGe/Si；GaAlAs/GaAs；InGaAs/InP7.3.3場效應晶體管（FET）一般的晶體管是由兩種極性的載流子，即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導電，因此稱為雙極型晶體管；而FET僅是由多數(shù)載流子參與導電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。FET應用范圍很廣,但不能說現(xiàn)在普及的雙極型晶體管都可以用FET替代。然而，由于FET的特