半导体器件原理与工艺(器件)1

半导体器件半导体器件一．半导体物理基础二．pn结三．BJT四．MOSFET五．JFET/MESFET简介半导体器件微电子学研究领域•半导体器件物理•集成电路工艺•集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体物理基础半导体器件半导体中的缺陷点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错半导体器件电子：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：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kTEECfCeNn)(kTEEVVfeNp)(电子浓度空穴浓度其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级半导体中的载流子半导体器件半导体、绝缘体和导体半导体器件半导体器件一．半导体物理基础二．PN结三．BJT四．MOSFET五．JFET/MESFET简介半导体器件突变结耗尽区的电场与电势分布耗尽近似DAqNqN)0()0(npxxxxPossion方程：)0()0(2222nsDpsAxxNqdxVdxxNqdxVd半导体器件电场分布积分一次：)0(),()()0(),()(2222nnsDppsAxxxxNqxdxdVdxVdxxxxNqxdxdVdxVd(x)-xpxn半导体器件电势分布由微分方程：边界条件：设在-xp处V=0xn处V=Vbi再积分一次：)0(),()0(),(nnsDppsAxxxxNqxxxxNqdxdV)0(,)(2)(,)(2)(0'''xxxxqNxVdxxxNqdVppsAxVxxpsAp半导体器件电势分布N型侧，X=0处，有nnsDbiVxVxxnsDxxxxKqNVxVdxxxKqNdVbin0...)(2)(')'('20)(0202022nsDbipsAxKqNVxKqN半导体器件耗尽层宽度电场随x线性变化，在x=0时达最大值：pnnDpAnsDpsAmxxWxNxNxNqxNqWNNNxWNNNxDAAnDADp半导体器件耗尽层宽度2102102102)(2)(2biADDAspnbiDAADsAnDpbiDADAsnVNNNNqKxxWVNNNNqKNxNxVNNNNqKx即和半导体器件VA0条件下的突变结外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VA上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA210)(2AbiADDAspnVVNNNNqKxxW例半导体器件反偏PN结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？半导体器件线性缓变结半导体器件线性缓变结-1axKqdxVds02242)(220WxKqaxs令V(-W/2)=0,进一步解出最大电场空间电荷区宽度323023226)(xxWWKqaxVs208WKqasm31012AbisVVqaKW半导体器件定量方程基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于少于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生—复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。半导体器件边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22半导体器件耗尽层边界P型一侧PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn半导体器件耗尽层边界(续)N型一侧1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关半导体器件准中性区载流子浓度半导体器件理想二极管方程求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)半导体器件理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xpxn0pnnppdxpdD22'0xX’1)0'(0)'(/2kTqVDinnAeNnxpxp半导体器件空穴电流一般解PPPLxLxnDLeAeAxpPP,)'(/'2/'1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/'/2/'/21')'(0'1)'(半导体器件电子电流P型侧NANALxkTqVAiNNpNNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/''/2/''/21'')''(0''1)''(半导体器件PN结电流1))()((/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII半导体器件半导体器件空间电荷区的产生与复合正向有复合电流反向有产生电流)()(112ppnnnnptndxtnqAInpiGRGRxxGRnp半导体器件空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时,正向偏置时,计算比较复杂WqAnIiGR02kTqVipDpDFGRGRDIFFkTqVDIFFkTqViGRAAAenDNLIIandIIIeIIeWqAnI20202,12VA愈低，IR-G愈是起支配作用半导体器件VAVbi时的大电流现象串联电阻效应kTIRVqkTqVsAJeIeII)(00q/kTLog(I)VA半导体器件VAVbi时的大电流现象-1大注入效应大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。pn≥nnodxdnnqkTdxdnnDdxdnqDnqJnnnnnnBInnnBInn11半导体器件VAVbi时的大电流现象-2dxdpqDdxdnnqkTpqJnppnnpp1dxdpnpqDJdxdpdxdnnnnppnn1:,,上式可写为及电中性条件利用爱因斯坦关系dxdpqDJDnpDnpeffppnnpeff1:定义有效扩散系数半导体器件VAVbi时的大电流现象-3kTqVNipDniAJnnnWxxnnWxxBIBIANnnNnneWnqADIpnqkTVVnxnqkTdxdxdnnqkTdxV2002ln2)(ln1VA越大,电流上升变缓半导体器件雪崩倍增击穿1,1111,111,32npnpnpxxxxxxdxdxmMmmmmdxm一个载流子的产生雪崩击穿条件半导体器件雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系耗尽层中达到临界电场时,将发生击穿BBRDADABRBRDADAsCRAbiDADAsnsDNVNNNNVVNNNNKqVVNNNNKqxKqN122)0(022100半导体器件扩散结结深对击穿电压的影响结的形状平面结柱面结球面结改善措施深结扩散磨角法形成台面结分压环表面状态对击穿电压的影响半导体器件两种击穿的区别掺杂浓度的影响外因如光照、离子轰击引起空间电荷区的电子、空穴增加，产生倍增效应温度的影响隧道效应具有负温度系数雪崩击穿具有正温度系数半导体器件PN结二极管的等效电路小信号加到PN结上~+-vaVA+-PNRsGCGCjYtVvasin0半导体器件反向偏置结电容也称势垒电容或过渡区电容半导体器件反向偏置结电容-1210211,)(2,biATTDADAAbisTpAnDtAbitttTVVCCNNNNVVqACxqANxqANQVVVdVdQC考虑突变结半导体器件反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量2028mxmtxAqaAqaxdxQ312)(112ABJsTVVqaAC3101BJATTVVCCmsTxAC半导体器件PN结的开关特性理想开关电路RFRRVFVRvA(t)i(t)-0.1IR-IRIFtstrri(t)tvA(t)t半导体器件小结瞬态关断特性在准中性区储存的少子必须消除,需要时间,导致PN结上电压不能突变瞬态开启特性准中性区的少子从“欠”到“过”,需要时间,导致PN结上电压不能突变