第七章-半导体器件

第七章半导体器件基础7.1PN结PN结的制备方法突变结和缓变结PN结7.1.1PN结的制备方法合金法扩散法生长法离子注入法合金法n型SiAl块Al液体铝硅合金结P型硅n型Sin型Si扩散法N型硅氧化SiO2光刻扩散P型硅N型硅N型硅生长法离子注入法7.1.2突变结N型区中施主杂质浓度为ND，均匀分布P型区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布在交界面，杂质浓度由NA突变为ND具有这种杂质浓度分布的PN结称为突变结突变结,(),()jAjDxxNxNxxNxNNxNANDxjx缓变结缓变结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的,,jADjADxxNNxxNNNxNANDxjx7.1.3PN结P，N型半导体接触前后PN结能带图P，N型半导体未接触前++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层P，N半导体接触后少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层漂移电流和扩散电流1.漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。2.扩散运动半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动。几个概念空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。热平衡－－动态平衡多子扩散运动扩散电流少子漂流运动漂移电流动态平衡时，PN结总电流为零，形成一个稳定的空间电荷区。空间电荷区内只有不能移动的离子，是载流子不能停留的区域或载流子耗尽的区域，故又称耗尽层。PN结能带图7.1.4总电子电流密度总电子电流密度等于电子的漂移速度加上电子的扩散电流nndnJJJEqDdxn漂移扩散=nq0nnKTDq补充：0(ln)nKTdJnqExqdxn000exp()lnln1(ln)()()FiiFiiiFiEEnnKTEEnnKTdEdEdndxKTdxdxdEdVxqqEdxdx电子电流密度FnndEJndx空穴电流密度FppdEJpdx总电流密度0npJJJ空间层势垒平衡PN结的空间电荷区两端间的电势差VD，称为PN结的接触电势差或者内建电势差qVD称为PN结的势垒高度势垒高度正好补偿了n区和p区的费米能级之差DFnFpqVEE0000000020exp()exp()exp()(ln)(ln)FiiFniniFpipiFnFpnDADpiEEnnKTEEnnKTEEnnKTEEkTnkTNNVqqnqn接触电势差和PN结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度等有关在一定的温度下，突变结两边掺杂浓度越高，接触电势差越大禁带宽度越大，ni越小，Vd也越大硅PN结的电势差比锗的大势垒UO硅0.5V锗0.1V理想PN结模型符合以下假设：小注入条件，注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多突变耗尽层条件，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生和复合玻耳兹曼边界条件，在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布肖克莱方程式0exp()1sqVJJKT结论PN结具有单向导通性，在正向偏压下，正向电流密度呈指数关系变化；在反向偏压下，J＝－Js，为常数，与外加电压无关温度对电流密度影响很大，Js随着温度的变化迅速增加7.1.5PN结击穿当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PlN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VBR表示。反向击穿可分为雪崩击穿、齐纳击穿和热点击穿三类。雪崩击穿当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的“电子一空穴对”。这些新的“电子一空穴对”，又被强电场加速再去碰撞其他原子，产生更多的“电子一空穴对”。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。齐纳击穿齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压(5v以下)，结层中的电场却很强。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成“电子一空穴对”，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。一般地：击穿电压UBR6V的属于齐纳击穿击穿电压UBR6V的属于雪崩击穿热电击穿当PN结施加反向电压时，流过PN结的反向电流要引起热损耗，将产生大量的热能，引起结温上升；随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速上升，进而又导致结温上升。如此反复循环，最后使Js无限增大而发生击穿这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。7.2金属-半导体接触功函数的概念接触电势差金属的功函数金属功函数的定义:真空中静止电子的能量E0与金属的EF能量之差，即0EmWEF0()mFmWEEWm越大,金属对电子的束缚越强半导体的功函数半导体功函数的定义:真空中静止电子的能量E0与半导体的EF能量之差，即sFsEEW)(0E0ECEFEVWs电子的亲合能CEE0金属-半导体接触前EvWssFE)(mW0ECEnEmFE)(smWW金属半导体金属-半导体接触后FEnSqCEVEnEqVD讨论：金属和n型半导体接触时有两种情况a：b：WmWsWmWs金属的功函数小于半导体的功函数金属的功函数大于半导体的功函数1）WmWs金属和半导体接触时，电子将从金属流向半导体；在半导体表面形成负的空间电荷区；电场方向由表面指向体内；半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。反阻挡层（WmWs）EcEvEFWs-Wm-Wm金属和n型半导体接触能带图反阻挡层薄,高电导,对接触电阻影响小2）WmWs金属和半导体接触时，电子将从半导体流向金属；在半导体表面形成正的空间电荷区；电场方向由体内指向表面；半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，形成表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，称为阻挡层。阻挡层（WmWs）金属和n型半导体接触能带图阻挡层厚,高阻,对接触电阻影响很大EcEvPSqsmDWWqVFE形成n型和p型阻挡层的条件WmWsWmWsn型p型阻挡层反阻挡层阻挡层反阻挡层7.2晶体二极管晶体二极管具有单向导通性正向偏置：P区接正电源，N区接负反向偏置：N区接正，P区接负正向偏置正向偏置内电场削弱势垒降低阻挡层变窄扩散电流增加漂流电流变小正向导通RUNP++++++++++++++++----------------UφUiD++__反向偏置NP++++++++++++++++----------------RUUiRUφNP++++++++++++++++----------------++__反向偏置内电场加强势垒升高阻挡层变宽漂移电流增加扩散电流变小反向不导通反向漂移电流是少数载流子漂移形成的电流，而少数载流子浓度很低，故反向电流可以忽略。晶体二极管的伏安特性SiiR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR)1.0iDuDSiGe7.3晶体三极管结型晶体管异质结双极晶体管场效应晶体管MOSFETHEMT7.3.1结型晶体管由两个PN结组成的晶体管，所引出的三个电极分别记为发射级（E），基级（B）和集电极（C）。结型晶体管具有放大作用又可分为NPN型和PNP型三极管1）NPN型三极管集电结发射结集电区基区发射区发射极（e）基极（b)集电极（c）NPNebcV2）PNP型三极管集电结发射结集电区基区发射区发射极（e）基极（b)集电极（c）PNPebcV1、平面对着自己。2、三极管的三个管脚朝下。3、从左往右三极管的管脚依次是e、b、c。基区很薄，且掺杂浓度低；发射区掺杂浓度比基区和集电区高得多；(3)集电结的面积比发射结大。三极管的电流放大作用晶体管的特性参数(1)IE=IC+IB，且ICIB(2)基极电流IB增大时,集电极电流IC也随之增大(3)当IB有微小变化时，IC即有较大的变化。即β值一般较大BCII三极管的工作状态：截止、放大和饱和放大状态的条件：发射结正偏和集电结反偏。放大区的特征：IC由IB决定，具有恒流的特性。截止状态条件：基极开路或发射结反偏。当三极管截止时，c、e之间的电压基本上等于UCC，而IC≈0，故三极管呈现出高电阻，c、e之间相当于断路。饱和状态：发射结、集电结都正偏。当三极管饱和时，无放大作用。基极电流的变化不会再引起集电极电流的改变。7.3.2异质结双极晶体管（HBT）异质结双极晶体管是指发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管；异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同，前者的发射极材料不同于衬底材料，后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器件。异质结双极晶体管的发射极效率主要由禁带宽度差决定，几乎不受掺杂比的限制。这就大大地增加了晶体管设计的灵活性。SiGeHBT1998年10月IBM首次量产锗硅异质结双极晶体管（SiGeHBT）。由于SiGeHBT具有GaAs的性能，而与硅工艺的兼容性又使其具有硅的低价格，因此SiGe技术获得了长足的进展,SiGeHBT技术已成为RF集成电路市场的主流技术之一，并对现代通信技术的发展产生了深远的影响。HBT基的射频集成电路（RFIC）已在蜂窝移动电话末级功率放大器、基站驱动级、有线电视的光纤线路驱动器上获得成功，证明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。HBT的优点1.提高器件的电流增益E级带隙大于B级就形成了对B级载流子的势垒，阻止了它在B-E结正向偏置时向E级区的注入，提高了晶体管的发射级注入效率从而提高了器件的电流增益。2.提高器件的工作频率采用轻掺杂E级和重掺杂B级，B级的厚度可以很薄，可以减少E-B级间渡跃时间，提高器件的工作频率。重要的HBT器件SiGe/Si；GaAlAs/GaAs；InGaAs/InP7.3.3场效应晶体管（FET）一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶体管；而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。FET应用范围很广,但不能说现在普及的双极型晶体管都可以用FET替代。然而，由于FET的特性与双极型晶体管的特性完全不同，能构成技术性能非常好的电路。场效应晶体管的类型1.结型FET（JFET）2.肖特基势垒栅（MESFET）3.绝缘栅FET（IGFET）JFET基本结构JFET示意图通过Gate来调节Channel电流的