半导体器件2修改版.ppt

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1、半导体器件基础半导体器件基础1半导体概要2载流子模型3载流子输运4pn结的静电特性5pn结二极管：I-V特性6pn结二极管：小信号导纳7pn结二极管：瞬态特性8BJT的基础知识9.BJT静态特性10.BJT动态响应模型11.MOS结构基础12.MOSFET器件基础13.JFET 和 MESFET简介8.1 BJT的基本概念半导体三极管有两大类型：一类是双极型半导体三极管（简称BJT）；一类是场效应半导体三极管（简称FET）。双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成。半导体三极管一般指双极型半导体三极管，简称 晶体管、三极管。Bipolar Junctio

2、n Transistor-BJT基本概念vBipolar Junction TransistorN+NPPEBCEBCEBCNPNPNP第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,and Schockley获获1956年诺贝尔年诺贝尔物理奖物理奖晶体管的特性v两个独立的PN结构成晶体管的静电特性N+PN符号:箭头代表发射极电流的实际方向NPNNPN型型PNPPNP型型-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极8.2 BJT的结构与工艺理想NPN掺杂分布v集电结外

3、延，发射结离子注入e bc 三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且掺杂浓度很低。BJTBJT三个电极之间可以组成不同的输入和输出回路三个电极之间可以组成不同的输入和输出回路NPN型BJT三极管的共发射极连接结点电流：IE=IB+IC制备工艺(2)混合隔离的纵向混合隔离的纵向NPN管管(1)PN结隔离的纵向结隔离的纵向NPN管管1.1.制备埋层制备埋层（氧化（氧化(SiO2)(SiO2)-光刻光刻-埋层扩散埋层扩散-去氧化层）去氧化层）进行大剂量进行大剂量As+注入并退火，形成注入并退火，形成n+埋层埋层利用利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层腐蚀掉硅片表面的

4、氧化层PN+（提供集电极电流的低阻通路）提供集电极电流的低阻通路）PN+N+2.2.生长外延层生长外延层PN+N将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定和掺杂浓度一般由器件的用途决定3.3.制备制备PNPN结隔离结隔离（氧化（氧化(SiO2)(SiO2)-光刻光刻-扩散扩散-去氧化层）去氧化层）PN+NP+P+4.4.制备基区制备基区（氧化（氧化-光刻）光刻）PSiO2N+NP+P+基区基区（基区扩散（基区扩散-去氧化层）去氧化层）PN+NPP+P+5.5.发射区（集电区）发射区（集电区）（氧化（氧化-光刻光刻-扩散）扩散）

5、PSiO2N+NPN+N+P+P+发射区（集电区）发射区（集电区）（去氧化层）（去氧化层）PN+NPN+N+P+P+6.6.金属连线金属连线（引线氧化引线氧化-接触孔光刻接触孔光刻-蒸铝引线光刻）蒸铝引线光刻）PSiO2N+NN+N+P+P+反刻铝反刻铝P合金：合金：使使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在450、N2-H2气氛气氛下处理下处理2030分钟分钟形成钝化层形成钝化层在低温条件下在低温条件下(小于小于300)淀积氮化硅淀积氮化硅刻蚀氮化硅，形成钝化图形刻蚀氮化硅，形成钝化图形N埋层用于降低集埋层用于降低集电极串连电阻电极串连电阻8

6、.3 BJT的工作原理（NPN管）管）BJT在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。下面以NPN管为例介绍晶体管的放大作用。基本共射放大电路如右图。EBC+UCE UBEUCB共发射极接法c区b区e区载流子的传输过程：载流子的传输过程：1）发射区向基区发射发射电子2）电子在基区的扩散扩散与复合与复合3）集电极收集收集电子 BJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程1）发射区向基区发射电子。）发射区向基区发射电子。发射极电流：IE=IEN IEP IENIENEPIIEICIB 发射结正偏，有利于多

7、子的扩散。发射区的大量自由电子扩散到基区，形成电流IEN，其方向与电子流动的方向相反。同时，基区的空穴也扩散到发射区，形成电流IEP，但由于发射区的杂质浓度比基区高得多（一般高几百倍），因此空穴流与电子流相比可忽略不计。2）电子在基区的扩散与复合。）电子在基区的扩散与复合。基极电流：IB IBNIENEPIIEICIB 由发射区向基极注入的电子，即成为基区内的少子，称为非平衡载流子，并在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成一定的浓度梯度，因此自由电子向集电极方向扩散，扩散的过程中会与基区中的空穴复合，形成基极电流IBN。3）集电极收集电子）集电极收集电子 集电极电流：IC ICN IEN

8、EPIIEICIBICN 集电结反偏，有利于少子的漂移，所以到达集电结的电子很快漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流ICN。8.4 BJT的特性参数发射效率：发射效率：0 1，通过使 尽可能的接近1，可以获得更大的BJT电流增益。基区输运系数基区输运系数：成功进入集电区的少数载流子占注入到基区的少数载流子的比例。0 1，在基区中复合的载流子越少，越大，其尽可能接近1时，BJT电流增益越大。(PNP型)(NPN型)（NPN型）（PNP型）共基极直流电流增益：共基极直流电流增益：为共基区直流电流增益0 1，一般接近于10 10 1共发射极直流电流增益：共发射极直流电流增益：为共发射极直流电流

9、增益 1放大倍数放大倍数8.5 BJT的特性曲线(1)输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const（1 1）u uCECE=0V=0V时，相当于两个时，相当于两个PNPN结并联。结并联。（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。死区电压硅 0.5V锗 0.1V导通压降硅 0.7V锗 0.3V(2)输出特性曲线 IC=F(UCE)IB=CONST 现以现以i iB B=60uA=60uA一条加以说明。一条加以说明。（1）当uCE=0 V时，因集电极

10、无收集作用，iC=0。（2）uCE Ic （3）当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。86420 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区 曲线基本平行等 距。此时，发 射结正偏，集电 结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区小结vBJT的基本概念vBJT的结构与工艺vBJT的工作原理vBJ

11、T特性参数vBJT特性曲线半导体器件基础半导体器件基础1半导体概要2载流子模型3载流子输运4pn结的静电特性5pn结二极管：I-V特性6pn结二极管：小信号导纳7pn结二极管：瞬态特性8BJT的基础知识9.BJT静态特性10.BJT动态响应模型11.MOS结构基础12.MOSFET器件基础13.JFET 和 MESFET简介理想晶体管模型v基本假设基本假设载流子在基区的运动是一维的。基区宽度大于载流子的平均自由程、因而能够将载流子在基区的输运看作是扩散+漂移;基区中准中性近似成立。准中性区满足小注入条件。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。忽略基区复合，对于现代高晶体管这一条是成立的

12、。稳态条件下工作发射区和集电区足够宽,杂质在三个区中是均匀分布的边界条件v发射区0XP+边界条件-1v基区0XP+WN边界条件-2v集电区0XW计算方法v只要求出 的分布,就可计算各区的电流,从而计算出各特性参数.通用解v发射区的解发射区通解:通用解-1v集电区的解通解:通用解-2v基区通解简化关系式v当WLB时0wx简化关系式-1v特性参数E-M方程vBJT的端口特性理论和实验的偏差v共基极输入特性理论特性中发射极电流与VCB无关实际特性:IE随VCB增加显著增加v共基极输出特性理论:VCB无限制实际:最大为VCB0理论和实验的偏差-1v共发射极输入特性大部分是一致的v共发射极输出特性理论:

13、完全水平实际:向上倾斜,有最大VCE限制基区宽度调制vW与外加电压有关WWB基区宽度调制-1v对共基极基区穿通v双极晶体管在基极开路条件下工作，随着外加VCE上升，未发生雪崩击穿而出现 集电极电流急剧增加的现象vW0雪崩倍增和击穿v共基极与单个PN结类似,最大击穿电压为VCB0v共发射极现象:VCE0小于VCB0CBEVCE雪崩倍增和击穿-1vM M1/1/几何效应v器件尺寸有限,必须考虑二维效应v发射区面积不等于集电区面积几何效应-1v串联电阻串联电阻(基区电阻基区电阻)复合-产生电流-1v发射结侧向注入及基区表面复合缓变基区品质因素vGummel图v与IC的对数关系曲线IBICVEBIC,

14、IB现代BJT结构v第一个集成的BJT现代BJT结构-1v多晶硅发射结BJT现代BJT结构-2vHBTHBT以及基区宽度调制减小以及基区宽度调制减小小结v理想晶体管模型vE-M模型v实际与理想的偏离vBJT结构半导体器件基础半导体器件基础1半导体概要2载流子模型3载流子输运4pn结的静电特性5pn结二极管：I-V特性6pn结二极管：小信号导纳7pn结二极管：瞬态特性8BJT的基础知识9.BJT静态特性10.BJT动态响应模型11.MOS结构基础12.MOSFET器件基础13.JFET 和 MESFET简介小信号模型v小信号工作是指输入信号电流、输出信号电流、输入信号电压以及输出信号电压之间满足

15、线性变化关系的工作状态v小信号工作条件：输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压(kT/q)小信号模型-1iBiCvBEvCET小信号模型-1iBiCvBEvCET小信号等效电路v混合模型在放大偏置模式下并假定基区宽度调制可忽略，由在放大偏置模式下并假定基区宽度调制可忽略，由E-M方程：方程：小信号模型-1混合模型-1v跨导跨导g gm m1.1.g gm m正比于正比于I Ic c，反比于，反比于T T。2.2.g gm m只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材料无关。料无关。3.3.跨导与器件的结面积的大小无关。跨导与器件的结面积的大小无关。混合

16、模型-2v输入电阻r小信号模型-1瞬态响应v开关工作器件在开态和关态之间切换开关晶体管的静态参数包括临界饱和电流增益、饱和深度、开态阻抗及关态阻抗。临界饱和电流增益：临界饱和电流增益：瞬态响应-1v饱和深度（过驱动因子）v关态阻抗v开态阻抗过驱动电流过驱动电流开关时间开启时间开启时间关断时间关断时间瞬态开启特性基极输入电压脉冲的上升沿到来之后，集电极电流从截止态小电流上升到饱和态大电流的过程。包含延迟过程和上升过程延迟过程是发射结过渡区电容的充电过程关断时间始于基极输入电压脉冲的下降沿，集电极电流下降到反向电流值结束包含退饱和过程和下降过程退饱和过程和下降过程的界限是VBC=0小结v小信号模型小信号模型的定义混合模型特征频率和截止频率v瞬态模型上升时间下降时间