第四章静电理论与电流电压特性优秀PPT.ppt

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1、第四章静电理论与电流电压特性第一页，本课件共有35页PN接面（Junction）l將p型半導體與n型半導體相接處會形成pn接面。l在許多電子元件：雙載子電晶體、閘流體、金氧半電晶體、微波元件、光電元件等都有pn接面的存在第二页，本课件共有35页4.1 基本製程步驟l包含氧化、微影、離子佈植和金屬鍍膜。Figure 4.1.(a)A bare n-type Si wafer.(b)An oxidized Si wafer by dry or wet oxidation.(c)Application of resist.(d)Resist exposure through the mask.第三页

2、，本课件共有35页Figure 4.2 (a)The wafer after the development.(b)The wafer after SiO2 removal.(c)The final result after a complete lithography process.(d)A p-n junction is formed in the diffusion or implantation process.(e)The wafer after metalization.(f)A p-n junction after the compete process.第四页，本课件共有35

3、页4.2 熱平衡狀態l整流特性：順向偏壓導通，逆向偏壓不通。逆向崩潰逆向崩潰（通常小於 1V）（由數V到數千V）第五页，本课件共有35页4.2.1 PN接面的能帶圖將兩個拉到同一條線（EF為定值）可得：n型區的電子擴散至p型區需通過一個位勢障；同理，p型區的電洞擴散至n型區也需通過一個位勢障第六页，本课件共有35页空乏區（Depletion）的形成空間電荷區（又稱為空乏區）會達平衡會達平衡第七页，本课件共有35页熱平衡狀態淨電子及電洞電流為零即EF F為定為定值值同理，分析電子電流也可得相同結果第八页，本课件共有35页內建位勢障（Built-in potential）l從能帶圖看來，定費米能階

4、會造成接面的電荷區的形成，即所謂的空間電荷區。電洞變少，故此區為帶負電電子變少，故此區為帶正電內建位勢障趨近趨近第九页，本课件共有35页Poissons equationl用來表示空間電荷與靜電位的關係（假設施體與受體離子均游離：l在中性區，空間電荷為零，即為常數。第十页，本课件共有35页內建位勢障（Built-in potential）（續）在P型區定義：在N型區定義：所以np兩區所形成的電位差為第十一页，本课件共有35页第十二页，本课件共有35页4.3.2 空間電荷l一般矽和砷化鎵的過渡區遠小於空乏區，故可忽略。趨近趨近第十三页，本课件共有35页4.3 空間電荷區l常見pn接面的摻雜濃度分

5、佈及其近似。l(a)圖稱為陡峭接面(abrupt junction)l(b)圖稱為線性漸進接面(linearily graded junction)。第十四页，本课件共有35页4.3.1陡峭接面(abrupt junction)之空間電荷區的電場分析空間電荷區的Poisson方程式：又要遵守電荷守恆：摻雜濃度越高的區域，空間電荷區的寬度就越小。若若若若n n型區與型區的摻雜濃度差很多時，空間電荷區幾乎落在低濃型區與型區的摻雜濃度差很多時，空間電荷區幾乎落在低濃型區與型區的摻雜濃度差很多時，空間電荷區幾乎落在低濃型區與型區的摻雜濃度差很多時，空間電荷區幾乎落在低濃度摻雜的那一區度摻雜的那一區度摻

6、雜的那一區度摻雜的那一區第十五页，本课件共有35页陡峭接面(abrupt junction)之空間電荷區的電場分析(續）由高斯定律 可求出電場：在 x=0 處為電場的極值也可得到電荷守恆之等式第十六页，本课件共有35页內建電位的估算電場位置關係圖的斜率等於電荷，所以為常數，電場關係圖為斜直線電位與位置關係圖的斜率等於電場的負值，故圖形斜率均為正，且先增後減，所以為先上凹再下凹。第十七页，本课件共有35页空間電荷區的寬度因代入前式可得又空間電荷區寬度為第十八页，本课件共有35页單邊接面（one-sided abrupt junction）l一邊的摻雜濃度遠大於另一邊。例如NAND，則空間電荷區幾

7、乎全落在n型區，此時W約等於xn。輕摻雜濃度輕摻雜濃度在x=w處，電場降為零，代入上式可得第十九页，本课件共有35页單邊接面（one-sided abrup junction）續另x=0處之電位為零，可得電位分佈式：第二十页，本课件共有35页第二十一页，本课件共有35页4.3.2 線性漸進接面另一個表示法，可知Vbi和a的關係第二十二页，本课件共有35页第二十三页，本课件共有35页第二十四页，本课件共有35页非平衡狀態順向偏壓以及逆向偏壓第二十五页，本课件共有35页逆向偏壓第二十六页，本课件共有35页第二十七页，本课件共有35页逆向偏壓電場增加，表示空間電荷增加，空乏區寬度也增加。以陡峭接面為

8、例：第二十八页，本课件共有35页4.4 空乏（或接面）電容（Depletion or Junction Capacitance）l逆向偏壓下，VR改變，空乏區寬度改變，空間電荷也改變，好像一個電容，其對應的單位面積電容值為：面積為好像平行板電容器的電容值公式第二十九页，本课件共有35页接面電容（以p+n單邊接面為例）以(1/C)2對VR做圖為一斜直線，其中由斜率可求得低濃度區的摻雜濃度，而x截距可得Vbi。同理，線性漸進接面的情形下，空乏區寬度與濃度梯度a的三次方有關，故以(1/C)3對VR做圖，其斜率可求得a，而x截距可得Vbi。第三十页，本课件共有35页第三十一页，本课件共有35页4.4.

9、2 雜質分佈估算其中W用(33)式代入，可得：即1/Cj2-V關係圖的斜率第三十二页，本课件共有35页 4.4.3變容器二極體（Varactor）：一個可以經電壓改變電容值的電容器lpn接面的接面電容與逆向偏壓有關，可整理如下：其中：線性漸進接面(Nx1)之n=1/3 陡峭接面之(N x0)n=1/2陡峭接面之接面電容受VR的影響，要比線性漸進接面來的大，故若是超陡接面（hyperabrupt junction），Cj受VR的影響會更大，可作為變容器二極體。第三十三页，本课件共有35页超陡接面考慮單邊接面p+n，ND(x)=B(x/x0)m：可得m越負，Cj受VR的影響越大。適當選擇m，可得所需的變容特性。例如m=-3/2時，Cj和VR2成反比。若選擇m=-3/2，將此電容器與電感連接形成震盪電路，則可得與VR成正比的共振頻率：第三十四页，本课件共有35页4.5 電流電壓特性順向偏壓下逆向偏壓下第三十五页，本课件共有35页