半导体及其基本特性北京北京大学.ppt

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 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 作 业 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 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。 半导体器件物理基础北京大学 费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央 作业 描述二极管的工作机理 讨论PMOS晶体管的工作原理 一 MOS结构 交流电容 交流电容C定义为： +Q -Q E d + - V 面积A +?Q -?Q ?V Q V C（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 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 N P 空间电荷区XM 空间电荷区－耗尽层 XN XP 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 自建势qVbi 费米能级平直 平衡时的能带结构 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 电子： P区 N区 扩散 扩散 漂移 漂移 N P 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 反向电流 反向偏置时，漂移大于扩散 N P N区 P区 电子： 扩散 漂移 空穴： P区 N区 扩散 漂移 反向电流 反向偏置时，漂移大于扩散 5. 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Vrb 6. PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳/隧穿击穿 7. PN结电容 § 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PNP NPN c b e c b e PNP 双极晶体管的结构和版图示意图 2.3 NPN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 2.3 NPN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 N N P 晶体管的共收集极接法 c b e 3. 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 、 ? 两者的关系 共发射极直流放大系数交流放大系数?0、 ? 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 BVcbo Bvceo BVebo BVeeo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 ? ： 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