《微电子学概论》02半导体物理和器件物理基础

北京工商大学计算机与信息工程学院第二章半导体物理和器件物理基础北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用半导体物理和器件物理基础半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的载流子输运PN节与二极管BJT双极晶体管MOS场效应晶体管北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1什么是半导体？从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用原子结合形式：共价键晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构1、半导体的结构北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.半导体中的载流子本征半导体：n=p=ni北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用电子：Electron，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：Hole，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北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能带北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度：电子浓度n,空穴浓度p北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用6.非本征半导体的载流子2innppn在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用n型半导体：电子nNd空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa电子nni2/Na北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用8.过剩载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用9.载流子的输运漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率电阻率mq单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用扩散电流电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系:qkTD载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：•pn结•金属－半导体接触•MOS结构•异质结•超晶格半导体器件物理基础北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用1.PN结的形成NPXNXP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子自建电场E北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.平衡的PN结：没有外加偏压载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用3.正向偏置的PN结正向偏置时，扩散大于漂移正向电流100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjjN区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移NP北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用4.PN结的反向特性N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NP北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用5.PN结的特性单向导电性：正向导通反向截至正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压：Vbi≈0.7V(Si)北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用6.PN结的击穿雪崩击穿隧道击穿反向击穿电压Vrb北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用7.PN结电容VQCTdVdQCTmsTXSC0北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用8.二极管的特性参数正向压降VF正向电流IF击穿电压VBR反向（漏）电流IR结电容CD反向恢复时间trr北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用二极管特性参数的应用正向电压VF正向电流IF击穿电压VBRABC1.00.720.8513304080现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用双极晶体管双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用双极晶体管的两种形式：NPN和PNP北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用NPN晶体管工作时的偏置情况北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共收集极接法cbe北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性1.共发射极的直流特性曲线北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性1.共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.共基极的直流特性曲线晶体管的直流特性北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.共基极的直流特性曲线晶体管的直流特性北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数1.晶体管的电流增益（放大系数）共基极直流放大系数和交流放大系数0、ecII00001cecIII两者的关系ecii1共发射极直流放大系数交流放大系数0、bcII0bcii北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.晶体管的反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.晶体管的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用2.晶体管的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用3.晶体管的击穿电压BVcbo晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用3.晶体管的击穿电压Bvceo晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用3.晶体管的击穿电压BVebo晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用4.晶体管的频率特性截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f：21特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率晶体管的特性参数北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用BJT晶体管的特点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路优点：北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导优点：北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用MOS场效应晶体管北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用重点半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴掺杂、施主、受主、N型半导体、P型半导体多子、少子产生、复合、扩散、漂移载流子浓度的热平衡条件与电中性条件PN结的形成及工作原理，二极管的特性参数双极晶体管的工作原理、直流特性与特性参数MOSFET的结构、工作原理、分类、转移特性曲线MOS电容北京工商大学计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用作业题21.载流子的输运有哪些模式，这些输运模式分别在什么情况下形成？2.简要描述PN结的形成过程。3.写出半导体中载流子浓度的热平衡条件与电中性条件。4.用图形描述NPN双极晶体管正常工作时载流子的输运和浓度分布情况。5.画出nMOSFET的结构示意图，并在图中标出其