02 半导体物理和器件物理基础

中大规模集成电路及应用王克栋[e-mail]第二章半导体物理和器件物理基础固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度电子浓度n,空穴浓度p6.非本征半导体的载流子2innppn在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半导体：电子nNd空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa电子nni2/Na8.过剩载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率电阻率mq单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系:qkTD载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：•pn结•金属－半导体接触•MOS结构•异质结•超晶格半导体器件物理基础PN结的结构1.PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子2.平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NP5.PN结的特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb6.PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7.PN结电容VQCTdVdQCTmsTXSC08.二极管的特性参数正向电压VF正向电流IF击穿电压VBR反向（漏）电流IR结电容CD反向恢复时间trr8.二极管的特性参数正向电压VF正向电流IF击穿电压VBRABC1.00.720.8513304080现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。§2.4双极晶体管1.双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP双极晶体管的结构和版图示意图2.3NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII2.3NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共收集极接法cbe3.晶体管的直流特性3.1共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区3.晶体管的直流特性3.2共基极的直流特性曲线4.晶体管的特性参数4.1晶体管的电流增益（放大系数）共基极直流放大系数和交流放大系数0、ecII00001cecIII两者的关系ecii1共发射极直流放大系数交流放大系数0、bcII0bcii4.晶体管的特性参数4.2晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流晶体管的主要参数之一4.晶体管的特性参数（续）4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一4.晶体管的特性参数（续）4.4晶体管的频率特性截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f：21特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率5.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极§2.5MOS场效应晶体管MOSFET器件MOS电容施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）转移特性曲线提取阈值电压研究亚阈特性长沟MOSFET的输出特性MOS电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性•关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率AdVQC直流和交流时均成立MOS电容•交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线〕2、介质层不吸收能量VVQVC),(),(非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd＝和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V重点•半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体•载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子•掺杂、施主、受主•输运、漂移、扩散、产生、复合•PN结的形成及其工作原理•MOS管的工作原理及其转移特性(p62)•MOS电容思考题载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述描述二极管单向导通特性的工作机理讨论PMOS晶体管的工作原理画出4种MOS管的转移特性曲线