微电子学概论第二章半导体物理和半导体器件的原理和物理基础

1、微电子学概论第二章半导体物理和半导体器件的原理和物理基础上一章课程内容回顾第一块晶体管、IC诞生的时间IC的概念集成电路的作用集成电路的分类微电子学的特点第一章 绪论第二章 半导体物理和半导体器件物理基础第三章 大规模集成电路基础第四章 集成电路制造工艺第五章 半导体材料第六章 集成电路设计第七章 集成电路设计的CAD系统第八章 几类重要的特种微电子器件第九章 微机电系统第十章 微电子技术发展的规律和趋势第二章 半导体物理和半导体器件物理基础2.1 半导体及其导电特性2.2 PN结2.3 双极晶体管2.4 MOS场效应晶体管2.5 小结固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 10

2、6104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制2.1 半导体的导电特性电导率是电阻率的倒数 ;电导率越大则导电性能越强，反之越小 ;彼此之间的界线不是绝对的 .导体和半导体区别是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度及温度特性。半导体有以下主要特点： 在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加； 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影响较弱； 在半导体中可以实现非均匀掺杂； 光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。半导体的结合和晶体结构金

3、刚石结构 半导体分类：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS硅晶体平面结构硅晶体立体结构本征半导体特点：电子浓度空穴浓度；载流子少；导电性差；温度特性差。半导体的掺杂本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷载流子电子：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在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。 它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构硅原

4、子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子（同时产生出一个空穴），这就是本征激发。+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。 空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。 价电子填补空穴+4+4+4+4+4+4+4+4

5、N 型半导体在硅或锗的晶体中 掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。 磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子 N 型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴P型半导体在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型半导体。 +4+4硼原子填补空位+3负离子 P 型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。半导体的掺杂BAs 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提

6、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本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关*半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动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非本征半导体的载流子在非本征情形: 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 电中性

7、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正是因为电中性条件的要求，所以不管半导体中两种载流子的浓度相差如何的大，都不会出现多于的电荷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载流子的输运漂移电流迁移率电阻率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：有效质量平均弛豫时间（散射体现在：温度和掺杂浓度重 点半导体、N型半导体、P型半导体、本征

8、半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带据统计：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 超晶格大量半导体器件都是由PN结构成;PN结的性能集中的反应了半导体导电性能特点：存在两种载流子；载流子产生与复合；载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动；载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流子在浓度梯度存在的条件下从浓度高的位置向浓度低的位置运动，以达到一个动态平衡。2.2 PN 结P 区N 区 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P

9、型半导体区域 和 N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P 区N 区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 内电场方向E外电场方向RP 区N 区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷外加正向电压内电场方向E外电场方向RIP 区N 区空间电荷区变窄 扩散运动增强，形成较大的正向电流第1章 P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR外加反向电压外

10、电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。相当于开关闭合S2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。相当于开关打开PN结电容PN结电容势垒电容 扩散电容 1. 势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电

11、容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。2. 扩散电容 正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.3.1 二极管的结构和符号二极管的符号正极负极半导体二极管 正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线 面接触型二极管N型硅PN结PN结600400200050100I / mAU / V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性二极管的伏安特性反向特性死区电压I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0死区电压+ U IU=f（I）600400200 0.1 0.200.40.850100I / mAU /

12、V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性反向特性死区电压正向特性：二极管加正向电压正极负极+反向特性：二极管加反向电压正极负极+对于理想二极管锗 管正向压降0.2-0.3V硅 管正向压降0.5-0.7VPN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿二极管的主要参数1. 最大整流电流IOM2. 反向工作峰值电压URM3. 反向峰值电流IRM 二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 N型硅二氧化硅保护膜BECN+P型硅（a） 平面型N型锗ECB铟球铟球PP+（b）合金型双极晶体管NPN 型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E 三极管的结构 分

13、类和符号PECB符号集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPNPNP型三极管ECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路三极管的电流控制作用三极管具有电流控制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置 （加正向电压）；（2）集电结反向偏置（加反向电压）。EBRBIB发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子 电子流向电源正极形成 ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成 发射极电流IE 三极管的电流控制原理电源正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成 IBVCCRCVBBRBCBE 由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的

14、数量。所以： IC IB同样有: IC IB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。电流关系：IE=IB+ICECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流电流放大系数 = IC IBECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路三极管的电流控制作用三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:输出回路输入回路公共端EBRBIBIEUBE 0UBC VB VEECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路三极管的电流控制作用三极管具有电流控 制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置；（2）

15、集电结反向偏置。对于PNP型三极管应满足:输出回路输入回路公共端EBRBIBIE即 VC VB 0UBE VB VE且IC= IB对于PNP型三极管应满足: VC VB VE且IC= IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE（一）放大状态条件特征三极管在三个区的工作状态IE饱和状态 集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0 （1） IB增加时，IC基本不变， 且IC UC / RC （2） UCE 0 晶体管C、E之间相当于短路（三） 截止状态即UCE UBE （1） IB=0、 IC 0（2） UCE EC晶体管C、E之间相当于开路共发射极接法放大电路条件特征（1）发射结正向偏置；（2

16、）集电结正向偏置。条件特征RBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE三极管的主要参数 1. 电流放大系数 (1) 直流电流放大系数 (2) 交流电流放大系数 = IC IB 2. 穿透电流 ICEO 3. 集电极最大允许电流 ICM 4. 集-射反相击穿电压 U(BR)CEO 5. 集电极最大允许耗散功率 PCM极限参数使用时不允许超过! = IC IB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 ：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时对应的频率双极晶体管的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由

17、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易于小信号应用模拟电路缺点：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重点：1、三极管的三种工作状态2、电流关系： IE=IB+IC IC=IB 2.4 MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET）金属半导体场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应 晶体管（MOSFET）场效应晶体管（Field Effect Transistor, 缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为“单极”晶体管 MOSFE

18、T的基本结构金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET） （Insulated Gate Field Effect Transistor-IGFET）、MISFET SiO2结构示意图N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S栅极G漏极D 衬底引线BN+N+DBSG符号1. 结构和符号SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。工作原理(1) UGS =0P型硅衬底N+BSGD

19、。耗尽层ID = 0(2) 0 UGS UGS(th)N型导电沟道N+N+UGS4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA可变电阻区：UGS不变，ID与UDS成正比，漏源之间相当于一个可变电阻。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA饱和区：UD

20、S大于一定值，在 UGS 一定，ID几乎不变， ID 受UGS的控制。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA截止区：UDS过大，ID急剧增加。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型 NMOS 管的特性曲线 0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA转移特性： ID=f（ UGS ）| UDS=常数结构示意图

21、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S漏极D 栅极G衬底引线B耗尽层1. 结构特点和工作原理N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。432104812UGS =1V2V3V输出特性转移特性耗尽型NMOS管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V特性曲线IDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mAN型硅衬底N+BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS 、UDS的极性也与NMOS管相反。 P+P+UGSUDSIDP沟道

22、增强型绝缘栅场效应管开启电压UGS(th)为负值，UGS UGS(th) 时导通。 SGDB符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号 ID /mAUGS /V0UGS(off) 转移特性夹断电压UGS(off)为正值， UGS UGS(off)时导通。 在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。场效应管的主要参数1. 开启电压UGS(th) 指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2. 夹断电压 UGS(off) 指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正