半导体器件原理与工艺(器件)2

半导体器件半导体器件一．半导体概要二．pn结三．BJT四．MOSFET器件基础五．JFET和MESFET简介半导体器件基本概念BipolarJunctionTransistorN+NPPEBCEBCEBCNPNPNP半导体器件晶体管的发明第一个点接触式的晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,andSchockley获1956年诺贝尔物理奖半导体器件晶体管的特性半导体器件半导体器件理想NPN掺杂分布集电结外延，发射结离子注入ebc半导体器件两个独立的PN结构成晶体管的静电特性N+PN半导体器件背靠背二极管半导体器件工作原理半导体器件特性参数发射效率(PNP)基区输运系数EnEpEpEEpIIIIIEpCpTII半导体器件特性参数-1共基极直流电流增益CnCBTdcCBEdcCIIIII00半导体器件特性参数-2共发射极直流电流增益dcCBCEdcdcdcdcCBBdcdcCCBBCdcCCEBdcCIIIIIIIIIIII1,111)(00000BCdcII半导体器件晶体管的电流放大原理平衡晶体管的能带和载流子分布半导体器件非平衡晶体管的能带和载流子分布半导体器件半导体器件理想晶体管模型(I-V关系）基本假设①少于在基区的运动是一维的。②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;③基区中准中性近似成立。④小注入。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。⑤忽略基区复合，对于现代高晶体管这一条是成立的。⑥稳态条件下工作⑦发射区和集电区足够宽,杂质在三个区中是均匀分布的半导体器件晶体管中的电流半导体器件电流电压关系只要求出IE,nIE,pIr,dIr,BpCnCpCBrnECIIIIII,,,,,半导体器件IE,n半导体器件IE,p半导体器件Ir,B半导体器件均匀晶体管的电流放大系数半导体器件半导体器件理论和实验的偏差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共基极输出特性理论:VCB无限制实际:最大为VCB0半导体器件理论和实验的偏差-1共发射极输入特性大部分是一致的共发射极输出特性理论:完全水平实际:向上倾斜,有最大VCE限制半导体器件基区宽度调制W与外加电压有关WWBkTqVBBEEBepWDqAI02211BEEBBEdcLWLWNNDD半导体器件基区宽度调制-1对共基极Early效应22111BEEBBEdcLWLWNNDD半导体器件基区宽度调制-2Early电压的定义CBBBABWABACBCECECCAVWWNdxxNVVVVIIVB)()(:00时EcTCBACBBBACBBBABECBBWABEBAACQVVQQVVWWNqAVQdxxNqAQB000000)()(半导体器件基区穿通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W0半导体器件雪崩倍增和击穿共基极与单个PN结类似,最大击穿电压为VCB0共发射极现象:VCE0小于VCB0CBEVCE半导体器件雪崩倍增和击穿-1M1dcCBBdcdcCdcCBBdcdcCMIIMMIIII111100mdcCBmdcCBCECVVVI/10/100)1()1(半导体器件几何效应器件尺寸有限,必须考虑二维效应发射区面积不等于集电区面积有效基区横向扩展212220'21220'14)(41KCEBBECKCECBBIISWWSSIISS’B半导体器件几何效应-1串联电阻(基区电阻)半导体器件几何效应-2串联电阻(基区电阻)等功率法计算内基区的电阻bcbbbbrrrrr321bbEsbSbEbbrIdyLRyISyIyIE21202)(2)21(2)(半导体器件几何效应-3EbbsbEEsbEEBsbEEbEbbbcsbEEbsbEEBbsbEEbLSXRLSRLSRLSrLSXrRLSrRLSrRLSr262122,62,12321332211半导体器件几何效应-4串联电阻(集电区电阻)jcCSCCBVrIVVCBrcsVjc=0时,CCBCnCCCIBCnCCCIBCCBCCCCBCnCCJVNqWWNqJWWVJJWVNqJ)(,00时半导体器件几何效应-5发射极电流集边效应由于发射结上电压降的差异,发射极电流趋向于集聚到发射结边缘附近，这就是发射极电流集边效应，又称基极电阻自偏压效应ESyEFEEEBByEsqBBJEJEJECEdyLhyJSIyIdyLRyIVyVkTyqVJyJyJ)()()()()0()()(exp)()(00半导体器件几何效应-6发射极有效宽度)1(coscos)()(22EEESyZZoJyJEEEeffLJIS)0(半导体器件几何效应-7EEyeffEEyEEeffEEyEEeffLIISLSIISSLSIIZZZSS,1)2,1)1cossin可以不考虑集边效应强集边状态叉指结构减小了集边效应半导体器件复合-产生电流发射结空间电荷区复合电流半导体器件复合-产生电流-1发射结侧向注入及基区表面复合半导体器件发射区重掺杂半导体器件缓变基区)()0(ln)0()()()(10)()()()(BABABBBBWxABABpBpBBBpBpBpBBBpBpBWNNWqkTeNxNdxxdpxpqkTdxxdpqDxpxqxJB半导体器件非平衡少子分布MollRoss法:①少于在基区的运动是一维的。②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;③基区中准中性近似成立。④载流子迁移率等于常数，杂质浓度超过1016cm-3时引入平均迁移率；⑤小注入。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。⑥忽略基区复合，对于现代高晶体管这一条是成立的。半导体器件非平衡少子分布-1MollRoss法:dxxdNxNqkTdxdnqDnqJABABBBpBnBBBpBnBnB)()(1ABpBABnBnBpBABABpBnBnBNndxdNqDJdxdndxdNNnqDJ半导体器件非平衡少子分布-2MollRoss法:)(exp1)()0()()()()(x0)(BpBWn半导体器件非平衡少子电流令x=0,小注入时有:kTqVipBpBABpBBEenpnNp2)0()0()0()0(•基区Gummel数的定义:BWxABABnBnBpBdxxNxNqDJxn)()()(BWABABnBnBpBdxxNNqDJn0)()0()0(BBEWABkTqVinBnBdxxNenqDJ02)(BWABBdxxNG0)(kTqVBinBEnBECBEeGnDqAJAI2半导体器件品质因素Gummel图与IC的对数关系曲线IBICdcVEBIC,IBdc半导体器件现代BJT结构第一个集成的BJT半导体器件现代BJT结构-1多晶硅发射结BJT半导体器件现代BJT结构-2HBT半导体器件小结理想晶体管模型实际与理想的偏离BJT结构半导体器件晶体管的频率特性---小信号模型高频时,晶体管内寄生电容的影响加大分类:低频晶体管(0~3MHz)高频晶体管(3~750MHz)超高频晶体管(750MHz)半导体器件频率对晶体管电流放大系数的影响频率增大,器件的电流放大系数将下降半导体器件晶体管交流小信号的传输过程X1X2X3X4iCTeiCDeiVBIp(X1)In(X1)In(X3)In(X4)iCTc半导体器件发射效率和基区输运系数CTepnnenCTepneiXixiXiiXiiXixii)1()1()1()1()1()1(CDeVBnnnnCDeVBnniiXiXiXiXiiiXiXi)3()3()2()3()3()2(*半导体器件晶体管的频率特性---小信号模型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)cCCbeBEBEiIivVv半导体器件小信号模型-1i1i2v1v2T短路输入导纳短路正向跨导纳短路反向跨导纳短路输出导纳半导体器件小信号模型-2短路输入阻抗短路正向电流传输系数、即电流增益开路反向电压传输系数，即电压反馈系致开路输出导纳h参数半导体器件小信号模型-3ebcvbevce共发射极h参数等效电路半导体器件小信号等效电路混合模型ggm-ggo由E-M方程：正向有源区半导体器件混合模型-1跨导gm1.gm正比于Ic，反比于T。2.gm只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材料无关。3.跨导与器件的结面积的大小无关。半导体器件混合模型-2输入电导g输出电导go半导体器件混合模型-3反馈电导g半导体器件混合模型-4现代高晶体管0g半导体器件完整的混合模型等效电路半导体器件特征频率和截止频率特征频率fT和截止频率f是根据hFE随频率的变化关系定义的半导体器件特征频率和截止频率-1半导体器件特征频率和截止频率-2半导体器件特征频率和截止频率-3截止频率的定义半导体器件特征频率和截止频率-4当时，1半导体器件最高振荡频率和高频优值PEBiBicRcEcNNUincbTMpmcbTpmbciccbbiCrffGfCrfGrRPPGpRiPriP818220202半导体器件提高特征频率的措施基区渡越时间发射结势垒电容集电结势垒电容提高fT的方法减小基区宽度减小发射结面积减小集电结面积半导体器件晶体管的噪声半导体器件晶体管的噪声信噪比信号功率与噪声功率之比噪声系数NF输入信噪比/输出信噪比晶体管的噪声来源热噪声，rB散粒噪声,少子的影响大1/f噪声半导体器件晶体管的开关特性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：半导体器件瞬态响应-1饱和深度（过驱动因子）关态阻抗开态阻抗过驱动电流半导体器件开关时间开启时间关断时间半导体器件瞬态开启特性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延迟过程：dtdvCdtdqdtdvCdtdqdtdqdtdqIBCTCTCBETETETCTEB1半导体器件延迟过程0101'101BEccccBEVVVVBCTCVVBETEttBdvCdvCdtI)])[()1()1(')1()()1()(111101110101100cccccccmccmcccBTCmBJCmcBTEmBJEddmBJCBCTCBCTEmBJEBETEBETEVVVmICVVmICVttttVvCvCVvCvC半导体器件上升过程BJT始终在正向放大区工作状态dtdqdtdqdtdqqITCTEFBFFB1dtdidtdigCdtdqdtdigdtdididvdtdvdtdvCdtdqcTEcmTE