半导体物理和器件原理部分.ppt

电中性条件 非简并半导体载流子浓度 本征半导体 电子有效质量 迁移率和电导率 平均自由时间 迁移率 电导率 非平衡载流子扩散 扩散流密度 扩散电流密度 双极扩散 双极漂移 爱因斯坦关系 MOS电容 MOS电容=氧化层电容和半导体表层电容串联 PN结伏安特性 MOSFET阈值电压、沟道电流、最高振荡频率 可调电阻区 饱和区 双极型晶体管 电流增益、特征频率、 Kirk效应 共基极连接 共发射极连接 Kirk效应发生的条件： 1、写出在饱和电离情况下， 非简并P型和N型半导体的电导率和掺杂浓度的关系： 电导率： 非简并P型： 非简并N型： 这里非简并的含义是：玻兹曼统计可用，但是多数载流子远大于少数载流子。 本征： 2、试写出载流子的迁移率和能带结构、散射机制的关系式。 迁移率表达式： 其中有效质量和能带结构有关： 晶格散射： 电离杂质散射： 其中平均自由时间和散射机制有关，也和晶格结构有关： 晶体管的开关特性 ?? 开关时间 Vcc RL rb1 c e Vbb rb2 ViH ViL b Vbe ViL ViH t Ib Ib1 t ? Ib2 Ics t Ic 0.9Ics 0.1Ics t0 t1 t2 t3 t4 t5 Vce t 0 延迟时间 td = t1 ? t0 上升时间 tr = t2 ? t1 储存时间 ts = t4 ? t3 下降时间 tf = t5 ? t4 晶体管的开关特性 ?? 延迟时间和上升时间 A . . . . 延迟时间 上升时间 B C D 储存时间 下降时间 p 零偏 正偏 n+ n? p 零偏 正偏 n+ n? C 饱和区状态 上图中C是临界饱和状态，延迟时间和上升时间取决于发射结电容充放电时间，其和结面积、基区宽度有关。 临界饱和状态 晶体管的开关特性 ?? 储存时间 A . . . . 延迟时间 上升时间 B C D 储存时间 下降时间 p n+ n? 红线是上升时间状态，粉红色是临界饱和状态，再增加出来的部分是超量储存电荷。超量储存电荷对开关速度影响最大。 降低储存时间措施：从器件结构上考虑：减小结面积、减薄基区、减薄有效集电区、缩短集电区非平衡载流子寿命；从工作条件方面考虑：减小基区驱动电流，避免进入饱和区和加大基区抽取电流都有利于减少储存时间。 提高双极晶体管开关速度的途径: 1o 掺 Au ?pc ? 2o ?c ? Nc ? ?pc ? 3o Wc ? Qpc ? 4o CTe ? CTc ? Aje ? Ajc ? 5o Wb ? Qb ? ? ? 提高双极晶体管的上升时间和提高截止频率的途径相同：减小结面积、减薄基区。 而开关速度主要取决于非平衡载流子的储存时间：缩短载流子寿命（掺金、铂金、降低集电区电阻率）、减少集电区储存电荷（薄集电区高阻层厚度）等最为有效。 缩短集电区载流子寿命（掺金、铂金） 缩短集电区载流子寿命（增加集电区掺杂浓度） 降低集电区储存电荷（减薄有效集电区厚度） 减小结面积以减小电容值 减小基区储存电荷（减薄基区宽度） 热平衡PN结能带示意图； 正向偏压和反向偏压下能带图； 理想PN结的伏安特性公式； P+N结的伏安特性公式； 实际PN结的伏安特性有哪些非理想因素影响； 习题 双极型晶体管结构上必须满足：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度、基区宽度远小于基区非平衡少数载流子扩散长度，而且工作条件必须：发射结正向偏置、集电结反向偏置。 提高电流增益的途径； 提高截止频率的途径； 提高开关速度的途径 MOSFET器件电参数(阈值电压、跨导和最高振荡频率）和器件结构设计、半导体材料选择的关系 第四讲MOSFET MOSFET结构示意图 左图为MOSFET结构示意图。MOSFET有增强型和耗尽型两种，在左下图中给出。 MOSFET 的类型和符号 NMOS PMOS 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 衬底 p n S/D n+ p+ 载流子 电子 空穴 VDS + ? IDS D ? S S ? D 载流子运动方向 S ? D S ? D VT + ? ? + 符号 G D B S G D B S G D B S G D B S MOSFET 的阈值电压（就是MOS电容的强反型电压） 其中 功函数差 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS） 在忽略氧化层中 电荷?(x)的情况下（由工艺条件决定） 表面固定电荷 , qVB=(Ei –EF) MOSFET 阈值电压控制 1. 金属功函数 Wm 的影响（不便调节） 金属 Mg Al Ni Cu Au Ag n+-poly