半导体器件物理-负阻器件功率器件光电器件

1半导体器件物理PhysicsofSemiconductorDevicesS.M.SZE（周一：5、6；周三：1、2）2三部分内容负阻器件；功率器件；光电子器件CH8隧道器件CH9碰撞电离雪崩渡越时间二极管CH10转移电子器件和(实空间转移器件)CH11晶闸管和功率器件CH12发光二极管和半导体激光器CH13光电探测器和太阳电池3负阻器件隧穿机制(隧穿条件)1、隧道二极管2、反向二极管3、MIS开关二极管4、共振隧穿二极管渡越时间机制(注入角与延迟角)1、IMPATT二极管2、BARITT二极管电子空间转移机制(非平衡电荷)1、转移电子器件（TED）2、实空间转移器件（RST）2341负阻产生机制1、隧穿机制2、渡越时间机制3、电子空间转移机制几率与因素隧穿条件条件条件1、基本结构及条件2、基本特性及条件3、工作机制与机理4功率器件晶闸管1、二端晶闸管2、三端晶闸管3、门极可关断晶闸管(GTO)4、双向常规晶闸管5、双向门极可关断晶闸管6、光控晶闸管其它功率器件1、VDMOSFET2、IGBT121、基本结构及条件2、基本特性及条件3、工作机制与机理等效电路正/负反馈5光电子器件电子-光子相互作用机制1、受激吸收2、受激辐射3、自发辐射发光器件1、发光二极管2、pn结激光器光电转换器件1、太阳电池1、pn结光电二极管2、pin光电二极管具有放大能力光电转换器件1、光电导2、雪崩光电二极管（APD）3、光电晶体管（BJT，FET）图像传感器1、电荷耦合器件（CCD）2、CMOS图像传感器1231、基本结构及条件2、基本特性及条件3、工作机制与机理6基本结构及结构条件基本特性及工作条件工作机制与机理重点掌握123基本物理概念(结构、机制、机理)载流子(光子)输运的基本物理过程载流子(光子)输运的基本物理图像重点理解1237CH8隧道器件-TunnelDevicesTunnelDiodeBackwordDiodeMISTunnelDiodeMIMTunnelDiodeTunnelingHOTElectronTransistorMISSwitchDiodeResonantTunnelDiode8优势1、多数载流子器件；2、隧穿时间极短，工作频率极高；3、有微分负阻，可用于振荡电路；4、隧穿器件集成有望实现高速低功耗。9IVIpVVVpqVpqVn''一、隧道(江崎)二极管--TunnelDiode（江崎1958年博士论文期间发现，1973获诺贝尔奖）2、基本结构--简并pn结；qVp'、qVn'几个kT/q；xm~10nm1、基本I-V特性VVVVp：负微分电阻0VI103、I-V特性基本机理分析—隧穿效应反偏：正偏V零偏VV0VVV'p'n带间隧穿电流降为时当从态密度解释114、隧穿必要条件1）电子隧出一侧存在电子占据态；2）电子隧入一侧相同能级存在未被电子占据态；3）隧道势垒高度足够低，宽度足够窄；4）隧穿过程能量、动量守恒。5、隧穿E-k关系直接带隙能量、动量守恒间接带隙能量守恒动量守恒声子参与声子与初始电子能量之和等于隧穿后能量E1E2Ge**////mkmk222222E=E//+E┴=12126、隧穿几率ξ3qE2m4expTExξqdx)xq(mexpdxxEUmexpdx)x(kexpT23gtg1xxxxCxxWBKABt故场为常数，则：近似取三角形势垒内电，那么取电子从势能底部进入，101010222222222xqxE0xUCoxxgtEmT未考虑间接隧穿；未考虑垂直动量。ikxexpxExU2mxkk-EC2关系：三角形势阱，由EgX0=0x1ABEC(x)电流？13pppt21SgSEEVC23gg22tVCtEEVC1CVVCtCCtVEEV1CVVVtCEEC1VCVV1expVVIIEEEEmπξq2EdEEE2exp1)E(F)E(FDq3Em24expDEm236qJdE)E(N)E(NT)E(F)E(FCIIIdE)E(N)E(F1T)E(N)E(FCIdE)E(N)E(F1T)E(N)E(FCIVpCnVpCnVpCnVpCn经验公式中较小者。与为；其中式中Egx1x21）隧穿电流7、电流-电压特性平衡态：加偏压：IVIpVVVpVE2E114ppptVV1expVVII?pV当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压3VV(VqEE3VqE3VqEEEEE3VqEE0dEd3VqEE0dEd1pnpFpFnpFpnFnmmmmpFpmpVnFnmVVV))(V)E(n)E(n)E(N))E(F()E(p)E(N)E(F)E(npnpnnnnCVVpVCCnCCCC时电流达极值，即在有峰值时能量当有峰值时能量当电子浓度分布空穴浓度分布qVpqVn''*152）过剩电流隧穿路径：CADCBDCABDCD电子需隧穿的能量B→D（势垒高度）：EX≈Eg+q(Vn+Vp)–qV=q(Vbi-V)V4Vxbi3x2tx2x23xtVVCexpJJVVqCexpDCTDCJξ3qE2m4expT经验公式过剩电流密度隧穿几率Dx:B点占据态密度21)(2)(DASDAbix12mNNNNVVqqξExxxxxxJVJDABDCqVbiqVbi163）pn结扩散电流1exp0kTqVJJd1exp0kTqVJVVCexpJVV1expVVJJJJJV4Vpppdxt电流-电压特性17178、器件等效电路LSRSCj-R寄生参数本征参数最小负阻RminIVqVpqVn''189、频率特性及应用-工作条件LSRSCj-R寄生参数本征参数最小负阻RminIV222)(1)(1jjSjSinRCRCLjRCRRZ输入阻抗：1RRRC21fSjr电阻截至频率实部为零频率2jjSx)RC(1CL121f电抗截止频率虚部为零频率0r0rrSminjmin0rminfff1RRCR21fR低于换言之，有负阻时频率为电阻为零的最高频率处，则电阻截止频率偏置在容性阻抗换言之，频率再低为电为电抗为零的最低频率处，则电抗截止频率偏置在0xx2jminjS0xminff)CR(1CL121fR二极管工作于负阻区二极管发生振荡若00r0x0x00rffffff工作频率,此时有负阻和电抗此时为负阻和容抗寄生电阻与电感要做小19LSRSCj-R寄生参数本征参数开关速度取决于充放电时常数--RC希望隧穿电流大表征参数：速度指数(品质因子)—Ip/Cj(VV)速度指数Jp耗尽层宽度速度指数与耗尽层宽度及峰值电流关系示意图最小负阻RminIVIpVVVpV20基本结构工作机制工作机理输运过程物理图像思考题若系弱简并pn结，I-V特性曲线如何？若由强逐渐过渡弱简并，I-V特性规律如何？21二、反向二极管（BackwordDiode）IVIV弱简并更弱简并机理？？峰值电流小峰值电流小机理？？22结构—简并pn结；隧穿—条件；峰值电流—简并度；电流成份—隧穿电流，过剩电流，热电流23作业1、依据隧道二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理，以及其振荡及负阻工作条件；2、依据反向二极管I-V特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理。3、试画出pn结由简并到弱简并，再到非简并条件下I-V特性曲线示意图（p区、n区同）。24三、MIS隧道二极管（MISTunnelDiode）1、基本结构2、基本原理隧穿效应。作用可略；隧穿可略；:nm7t:t:nm7toxoxox1nm1nm3nm1nmoxtnmtox7nmtox5EFmEFmEFm25四、MIM隧道二极管（MIMTunnelDiode）1、基本结构2、基本原理EFmEFm26五、隧穿热电子晶体管（TunnelingHOTElectronTransistor）优点：潜在增益大、速度高、电流大2、基本原理隧穿热电子转移放大器(THETA)1、基本结构-放大状态偏置EFmEFm发射区基区集电区M-I-M-I--MEFm发射区基区集电区M-I-M-SEFm发射区基区集电区M-I-p--n集电区基区发射区窄带本征宽带10~30nm7~50nm100~250nm27六、MIS开关二极管（MISSwitchDiode-MISS）1、基本结构及特性VAKIVSVhIhnP+AKt0x=1.5~4nm优点：开关速度高1ns应用：数字逻辑移位寄存器存储器振荡电路缺点：栅氧一致性差EFm平衡态282、工作机制与机理VAKIVSVh≈1.5Ih1)正栅压:VAK0pn结反偏；半导体表面堆积；电流为pn结耗尽层产生流、反向扩散流的隧穿,直至击穿。212)|(|2DbiAKSGiGjiGNVVqnWqnJVAK0pn结接触电势差nP+AKW–+EFmWj+只有pn结耗尽层能提供电子292)负栅压:VAK02、工作机制与机理a.|V||VS|：pn结正偏;n型表面深耗尽;电流主要是表面耗尽层产生流2122DSSGiGDiGNqnWqnJb.|V|=|VS|：表面深耗尽层与pn结耗尽层穿通S2fDSS2)WW(qNV表面势正偏pn结耗尽层宽度表面势|V||VS|–AnP+AKW+|V|=|VS|VAKIVSVhIhEFmEFmWDV0EFmEFm空穴在表面积累表面趋反型介质层压降上升表面势下降隧穿几率提高隧道电流激增产生负阻Vh=Vox+ΨS+Vf≈1.5V表面势继续下降介质压降再上升动态平衡只有表面耗尽层提供空穴30303、其它导通机理-半导体表面积累空穴a.深耗尽区雪崩击穿（穿通前）b.光生载流子（深耗尽状态）c.表面注入（深耗尽状态）d.VSVAK=C|V|=|VS|EFmEFmEFm31穿通；积累；表面势；隧穿几率3232七、共振隧穿二极管（ResonantTunnelDiode）量子隧穿产生负阻1、基本结构2、基本特性n+n+iii~5nm1.5~5nm简并发射区简并收集区iiEVEVECEC应用：振荡器1THz;多值逻辑；存储器；---3、工作机制--隧穿效应JV负阻负阻334、工作机理—量子化效应1)势阱内载流子能量量子化（z方向）势阱中电子遵循薛定谔方程:zyxEzyx)z(Vzyxm222Lz00LZ0zV)z(V0)z()yx()zyx(V与x、y无关zyxEzyx)z(Vzyxm222w0V0zwn+n+iiiEFEFEFEnECwxy34)kk(m2EykxkjexpAy,x)y,x(E)y,x(m2x2y2x2xyyxxy22解之有波函数形式平面内：、y分离变量法求解：