半导体器件物理 课件

半导体器件物理

PhysicsofSemiconductorDevicesS.M.Sze1ContentsPart1SemiconductPhysicsPart2BipolarDevicesPart3UnibipolarDevicesPart4SpecialMicrowaveDevicesPart5PhotonicDevices2课程地位承上-半导体物理等知识的结晶启下-集成电路、新型器件发展基础要求：物理概念，物理过程，物理图象3Ch1

半导体物理和性质一、晶体结构1、常用半导体材料结构金刚石结构SiGe闪锌矿结构GaAs6H-SiCGaN纤锌矿结构GaN4H-SiC452、晶列与晶面a、格点-晶体最小重复性单元(又称基元、原胞)。特征：每一格点周围的格点分布相同。b、晶格-格点构成的网格。特征：表征晶体结构。c、晶列-格点构成的一系列直线。

特征：同一格点可引出无限晶列；平行晶列构成族。d、晶面-格点构成的一系列平面。特征：平行晶面格点分布相同，称同一族晶面。

6晶胞：格点为顶点，格点常数为边长的平行六面体a、晶列的表征-晶向

三个轴上互质整数表示。一列用[abc]表示，如：[100]

[110]

[111]

一族用<abc>表示，如：<100>

<110>

<111>

b、晶面的表征三个轴上截距倒数的互质整数表示。某晶面用(abc)表示，如：(100)

(110)

(111)一族用{abc}表示，如：{100}{110}{111}等效性：(110)(101)(011)(110)(011)---3、晶列与晶面表征7a、单晶（体）：原子分布长程有序。b、多晶（体）：单晶粒组成，粒间取向无规则，单晶粒度<10μm。c、非晶（体）：原子排列长程无序，短程有序。*

材料性质取决于其短程序同一材料的非晶、多晶性质与单晶相同。4、晶体类型8二、能带1、共有化运动原子的电子壳层交叠；子壳层间电子相互转移运动。2、能带形成泡利不相容原理，子壳层能级分裂。如，N个原子晶体：s能级分裂成N个能级，容纳2N个电子；p能级三个子能级分裂成3N个能级，容纳6N个电子；-----*能级杂化-部分晶体能带不与子能级对应：如，Si、Ge原子有4个价电子，s、p各2个。形成晶体，上下能带各有2N个能级，可容纳4N电子，电子填满下能带。

93、导带、价带(满带)和禁带a、导带—激发态形成的能带；电子未填满或空带；电子在电场作用下形成电流。b、价带—价电子形成的带；满带不具有导电作用。c、禁带—导带与价带间的能量间隔。导带禁带价带EVEcEcEV104、Si、Ge、GaAs能带图*间接带隙半导体直接带隙半导体Ge111、载流子：电子(n)空穴(p)？2、材料类型：本征半导体？掺杂半导体n型半导体？p型半导体？三、半导体材料类型123、半导体掺杂(Si为例)

本征半导体n型半导体

p型半导体n=p施主杂质受主杂质SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi

pSiSi

pSiSiSiSiSiSiSiSiSi

BSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi

BSiSi++EVEC++-EVEC+++++0.04~0.05eVEVEC-----0.016~0.065eVn≈ND离化正电荷p≈NA离化负电荷4、杂质补偿作用Nd=ND-NANa=NA-ND13

1、载流子分布几率电子分布几率空穴分布几率

四、载流子统计分布费米分布函数EF？14

2、费米能级物理意义T=0K时：

E<EF,f(E)≈1

E>EF

,f(E)≈0T>0K时：

E<EF

,

f(E)>1/2

E<EF

,

f(E)=1/2

E>EF

,f(E)<

1/2物理意义：标志电子占据能级水平F(E)EEf01/21T15

3、热平衡态载流子浓度b、价带空穴浓度a、导带电子浓度16

4、本征载流子浓度温度与禁带宽度函数17

5、半导体载流子浓度积6、掺杂半导体载流子浓度a、n型半导体(室温下)b、p型半导体(室温下)多数载流子-多子

少数载流子-少子7、载流子浓度用本征载流子浓度表征18五、费米能级1、本征半导体-本征费米能级导带禁带价带EVEc192、n型半导体费米能级导带价带EVEcEfn3、p型半导体费米能级导带价带EVEcEfp4、简并半导体20六、载流子输运1、迁移率单位电场、单位时间载流子运动速度机理-散射：电离杂质散射；晶格振动散射；中性杂质散射；位错散射；-----212、非平衡载流子a、平衡载流子(平衡多子、平衡少子)b、非平衡载流子(非平衡多子、非平衡少子)c、非平衡少子复合d、非平衡少子寿命3、非平衡载流子输运a、平衡载流子漂移运动b、非平衡载流子扩散运动c、扩散长度复合：载流子密度高于平衡值，必然复合；产生：载流子密度低于平衡值，必然复合。22

基本概念

晶向晶面导带价带禁带间接带隙半导体直接带隙半导体载流子电子空穴本征半导体

n型半导体p型半导体

施主受主杂质补偿热平衡态载流子浓度费米能级本征载流子浓度半导体载流子浓度积简并半导体漂移运动扩散运动平衡多子平衡少子非平衡多子非平衡少子非平衡少子复合非平衡少子寿命23PartⅡBipolarDevicesCh2pn结二极管

一、引言-pn结定义二、基本工艺与结构三、耗尽区和耗尽区电容(pn结基本物理特性)四、pn结电流-电压特性五、pn结击穿六、瞬态特性和噪声七、端功能(pn结二极管)pn结基本电学特性24二、基本工艺与结构

1、pn结基本工艺合金法；扩散法；离子注入法；---。

●离子注入、扩散技术

氧化

光刻或注入施主p-SiP-Sin-Sipn结P-Sin-Sipn结二极管注：横向扩散是纵向0.8倍P-Si扩散

●化学气相淀积技术（ChemicalVaporDeposition--CVD)

p-SiAPCVD（常压汽相外延）MBE（分子束外延），等

p-Si

p-Sin型

●硅片直接键合技术(SiliconDirectBonding--SDB)

p-Si

n-Si

p-Si

n-Si

化学处理

高温处理25

2、杂质分布形式及函数

○均匀分布：p型和n型区杂质浓度分布均匀—突变结

○缓变分布：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高—

缓变结

分布函数a、高斯函数分布-有限源扩散

c、余误差函数分布-恒定表面源扩散进入单位面积的杂质面密度表面处杂质密度衬底杂质密度衬底杂质密度均匀分布缓变分布pn263、常用概念

○pn结结深--pn结材料表面到pn结界面的距离，用xj表示。○线性缓变结--结深附近杂质浓度分布梯度可用线性近似-线性缓变结，即dN(x)/dx|x=xj=C

突变结近似--dN(x)/dx|x=xj=|C|○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。

★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。线性缓变结突变结变结近似27三、pn结基本物理特性

（一）平衡pn结不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。1、基本特征及要点：

空间电荷区(耗尽层)，自建电场，接触电势差，能带结构，载流子分布。Vbipn28ppnpnnpn2、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例)

1）pp

(NA)＞＞pn，nn(ND)＞＞np；2）p区和n区多子分别向对方扩散；3）界面p区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区。4）正--负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5）自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6）随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7）电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形成稳定分布。8）电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。

x29

3、自建电场与接触电位差(以突变结为例)

A.自建电场:

空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则有自建电场

Jpµ-空穴漂移流密度；JpD-空穴扩散流密度；

µp-空穴迁移率；Dp-空穴扩散系数；p(x)-空间电荷区内空穴浓度分布。那么自建电场

利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式:

30

B.接触电位差（扩散势，内建电场）(以突变结为例)

自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用Ｖbi表示。在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到接触电位差31

C.能带结构

孤立p区和n区能带结构如下图

空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为ψ(x)，那么ψ(x)、能带结构如图示EFnEFpEipEinψ(x)Vbi-xp-xnEi(x)EF?p区n区32

D.费米能级:

费米能级位置确定，能带结构确定设ψ(-xp)=0，有

Ei(x)=Eip―qψ(x)式中Eip为中性p区本征费米能级，对上式微分有

上式及代入有即ψ(x)p区n区qVbiVbi-xp-xnEi(x)EipEin33平衡pn结费米能级处处相等

则平衡pn结能带结构：34E.空间电荷区载流子分布

空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布分别为

利用：Ei(x)=Eip―qψ(x)35上式相乘，有平衡pn结：空间电荷区内及边界电子和空穴浓度的积与中性区一样，仍为本征载流子浓度的平方。

边界处：36F.耗尽层近似

认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零；在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。空间电荷区存在势垒，又被称为势垒区。

据此空间电荷区又被称为

空间电荷区=耗尽区=耗尽层=势垒区37（二）非平衡pn结定义：施加偏压的np结。此时pn结处于非平衡状态，称非平衡pn结。正向偏置：偏置电压为p区电位高于n区电位

反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位特征--与平衡pn结相比：

空间电荷区内电场发生变化--破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡

空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化；产生新的物理现象--形成电流：

正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流---称为正向电流。

反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流---称为反向电流。381、空间电荷区电场分布和空间电荷区宽度

１）突变结A.电场分布

电场分布由泊松方程描述。正、负空间电荷区内泊松方程(耗尽层近似)分别为:

―xp<x<0

0<x<xn39边界条件：Ε(-xp）=ε(xn)=0有―xp<x<00<x<xn在x=0,即界面处有最高电场强度：可见:突变结空间电荷区电场线性分布。40B.空间电荷区宽度

设:pn结外加偏压为VA：VA>0为正偏，VA<0为反偏。

那么,空间电荷区二侧边界间电位差:

(VD一VA)

将电场积分式中xm=xn+xp，为空间电荷区总宽度，解上式有

*

(正偏)<(反偏);

掺杂浓度越低，空间电荷区越宽;

正偏时空间电荷区变窄，并且正偏越高空间电荷区越窄;

反偏时空间电荷区变宽，反偏越负空间电荷区越宽;

空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧—单边突变结定义的物理意义。NA>>ND412）线性缓变结

特征：正、负空间电荷区宽度相等,有xp=xn=xm。A.电场分布线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为式中为杂质浓度分布梯度。在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为泊松方程描述为NxNxxxj42边界条件：有：最大电场P区侧N区侧#电场抛物线分布43B.空间电荷区宽度

xm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。解有*越小，xm越大；#耗尽近似误差修正：44

反偏：空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动；载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值；中性区平衡少子向空间电荷区内扩散；使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值；载流子低于平衡值就要有产生；扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏载流子达稳定分布。A.非平衡pn结载流子分布定性解释:正偏：空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移；载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；边界处非平衡少数载流子向体内扩散；边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。p区n区p区n区少子扩散长度2、非平衡pn结载流子分布和能带结构45

B.能带结构

正向偏置--电压为VF：中性n区能带相对p区上移，势垒高度下降qVF---q(Vbi-VF)。

反向偏置--电压为VR(VR<0)：中性n区能带相对p区下降，势垒高度上升q|VR|---q(Vbi-VR)。46准费米能级：空间电荷区内费米能级不再连续,电子和空穴没有统一费米能级。通常分别用准费米能级EnF和EpF表示。正偏反偏

∴EnF=

EpF+qVA-xpxnxn-xp47

空间电荷区内载流子浓度分布：（-xp）处少子电子浓度：仍设pn结外加偏压为VA，VA>0为正偏，VA<0为反偏

空间电荷区边界载流子浓度：

因为EnF=

EpF+qVA，Ei(-xp)=Eip—中性p区本征费米能级

所以（xn）处少子空穴浓度，同理可得：48空间电荷内及其边界电子与空穴浓度的积：

a.非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴浓度的积相等，且是偏置电压的e指数函数。b.非平衡pn结空间电荷区边界少子浓度为平衡少子浓度与偏置电压e指数函数的积。49#1.空间电荷区载流子对电场的影响：

将表达式中的VD用（VD―2KT/q)代替即可2.反型区单边突变结中在低参杂侧存在反型区50四、pn结基本电学特性（一）、直流特性

1、载流子输运即电流形成过程：正偏---电场被削弱载流子扩散运动大于漂移运动;空间电荷区内及其边界电子和空穴浓度高于平衡值;电子向p区扩散，空穴向n区扩散---称为非平衡少子注入;非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。被复合多子从外电极提供，构成---正向（扩散）电流

。

#少子扩散区：非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区。p区n区自建外xm+Ln扩散区Ln扩散区Ln扩散区Lp扩散区51反偏---电场被加强p区n区自建外xm+载流子漂移运动大于扩散运动；空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值；扩散长度范围内少子向xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方；扩散长度内少子浓度低于平衡值；扩散长度内产生电子---空穴对；产生的多子漂移向电极；产生的少子向xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极---形成反向（漂移）电流。

#载流子的产生区也称为少子扩散区。Ln扩散区Lp扩散区522、电流-电压特性方程

1）思路：假设：电压降在势垒区；小注入；略势垒区产生流。A.空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度相等，即为pn结的总电流；

B.分别求出任一截面空穴流和电子流密度，二者之和则构成pn结电流密度。C.忽略空间电荷区内载流子的产生和复合，即空间电荷区二侧边界处电子流密度与空穴流密度各自分别相等；

pn结电流则可用p区侧边界电子流与n区侧边界空穴流密度之和表示。

D.分别求解少子电子和少子空穴在其扩散区的载流子连续性方程，可得到非平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数;根据扩散流方程，即可求得空间电荷区p区侧边界处的电子流密度，n区侧边界处处空穴流密度。

532）空穴在其扩散区内连续性方程：

边界条件：pn(∞)=pn0p(xn)=pn0exp(qVA/KT)xnxND上式的解为：54那么同理Jn、Jp：等效为即扩散长度内线性分布LPLn553）pn结电流密度（伏安特性方程）：方程对正偏、反偏pn结都成立。若反偏时∣VA∣>>KT/q，那么---称为反向饱和电流，Js表示。

伏安特性方程又可表示为：56上述电流-电压方程是在Wp>>Ln，Wn>>Lp条件下获得的，Wp和Wn分别为p区和n区宽度。若Wp<<Ln，Wn<<Lp，那么非平衡少子在扩散区的复合可以忽略，同时由于在电极接触处载流子复合速度极高，非平衡载流子浓度近似为零，因此非平衡少子浓度近似线性分布。伏安特性方程成为WPWnpn0np0571

4）注入电流比

注入电流比主要取决于p区与n区掺杂浓度比；NA>>ND（

p+n）,电流主要是空穴流；ND>>NA（

n+p），电流主要是电子流。

58伏安特性理论曲线Si-pn结理论曲线与和实验曲线的示意图595）影响因素分析反偏：

空间电荷区载流子浓度低于平衡值；产生率高于复合率，有净产生流；反向电流是反向扩散流与产生流之和。Si(和GaAs)等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。Ｇe本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符合较好。

正偏小电流：

空间电荷区内载流子浓度高于平衡值；载流子的复合高于产生，有净的复合流；正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。

Si和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略;随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。

Gepn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理论曲线与实验数量符合较好。603、大注入效应：非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏；

扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累；非平衡多子扩散形成电场；

该电场对外加电压形成分压。中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。n区小电流密度时，对外加电压分压可忽略—小注入；大电流密度时，对外加电压分压不可忽略，使空间电荷区内的压降低于外加偏压，因此实验曲线偏离理论曲线—大注入效应#正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与产生电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随温度的升高而增大。P区非平衡多子电子非平衡多子空穴电场扩散扩散电场614、pn结电容和等效电路1）势垒电容（耗尽层电容）

空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化---体现为电容效应，称为pn结势垒电容。pn结单位面积势垒电容用CT表示。

突变结：单位面结正、负电荷量为单位面结电容对单边突变结有低掺杂侧由（1/C2~V）曲线图：斜率可有NB；1/C2=0，可有Vbior(Vbi-2kT/2)62线性缓变结：势垒电容：单位面结电荷量：#反偏势垒电容小于正偏势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小；正偏越高，势垒电容越大；突变结掺杂浓变越低，缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；势垒电容是在载流子耗尽近似下导出---势垒电容又称耗尽层电容。632）扩散电容扩散区积累的非平衡少子电荷随外加偏置电压的变化而变化，体现为电容效应，该电容发生在扩散区---称为扩散电容，用ＣＤ表示。设n区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为ＱP：那么同理64单位面积扩散电容：※反偏：非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。

正偏：扩散电容随偏压增大指数增加，可表示为由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。P区n区P(x)n(x)653）等效电路

势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容与扩散电容相并联；中性区及与外电极接触处存在电阻。

※势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。

本征等效电路66五、pn结击穿

定义：反向电压增大到某一值ＶＢ时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。相应反偏电压ＶＢ称为pn结击穿电压。击穿是pn的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。击穿机制：

热击穿；隧道击穿；雪崩击穿---常见的主要击穿机制。67

1）热击穿

pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；扩散流正比于ni２：

Pc|ＶR|TjIRniIR反向偏压功耗结温ni２∝T3exp(-Eg0/KT)击穿反向电流密切依赖于本征载流子浓度。产生电流正比于ni特征：负温度系数,软击穿。682）隧道击穿

隧道效应---电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。隧道击穿---pn结反偏下，p区价带顶可以高于n区导带低，那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压达到ＶＢ时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。

特征：负温度系数,软击穿。693）雪崩击穿

碰撞电离---反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电离。

雪崩倍增效应---产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。

雪崩击穿---由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。特征：正温度系数,硬击穿.70VB

>6Ｅg/q，通常为雪崩击穿；VB

<4Ｅg/q，通常为隧道击穿；4Ｅg/q<VB

<6Ｅg/q二种击穿机制共存。

常见击穿为雪崩击穿。击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。71六、pn结二极管

介绍若干有代表性的pn结二极管。1、整流二极管2、变容二极管3、开关二极管4、pin二极管5、江崎二极管6、异质结二极管721、整流二极管定义:

允许电流从一个方向通过，而另一个方向呈现高阻阻断状态的器件。这种器件应用了pn最基本的正反向电流-电压特性，即正反向动态电阻小的特性。对偏压微分，得pn结电导:

pn结的电流-电压方程:73正偏pn结电导gF和动态电阻rF:反偏pn电导gR和动态电阻rR:正反向动态电阻之比:

电阻之比极高---整流特性。

74#稳压二极管利用pn结击穿特性而稳定工作电压的器件。稳定工作电压依据击穿电压设计。752、变容二极管(可变电抗器)定义：利用pn结势垒电容随外加偏置电压非线性变化特性而工作的器件。一般工作于反偏。Ｂ—某一常数；m=0--均匀分布，为单边突变结；m=1--单边线性缓变结；m>1--单边指数缓变结;m<0--称为超突变结。-5/31）基本掺杂结构：势垒电容随偏压变化的速率与掺杂浓度及分布有关。p＋n结n区一侧掺杂分布为:应用：混频、检波、电压调谐，等，希望dC/dV大762）基本特性:

pn结单位面势垒电容为（解泊松方程）电容随偏压的变化---超突变结最大;突变结次之;缓变结最小。77fc---储存能量与消耗能量相等时的频率。截止频率越高，品质因数越大，且工作频率越高。

3）特性参数a.品质因数:结电容容抗与寄生串联电阻之比，用Q表示Q---变容二极管储存能量与消耗能量之比b.截止频率：品质因数下降为１时的工作频率，用fc表示Rs小，Q与fc高783、开关二极管定义:作开关应用的pn结称为开关二极管。开关二极管是运用了pn结正向电流大，反向电流小的特性。主要电特性参数为开关响应时间。#主要掌握开关过程、机理。79t<0:输入电压Ｖ２(Ｖ２<０)，电流为反向饱和电流IＲ。t=0:输入电压Ｖ１(Ｖ１>０),达稳定状态时正向电流为

(Ｖ１>>Vj

)t=t1:输入电压跃变为Ｖ２,电流瞬时反向,并在ts时间内近似不变，为

1.基本开关特性

基本开关电路输入输出波形图802.开关特性分析t<0:输入电压Ｖ２(Ｖ２<０)，电流为反向饱和电流IＲ。t=0时:输入电压跳变为Ｖ１(Ｖ１>０),但由于pn结电容效应，电容二端的反向电压Ｖ２不能突变，所以此刻，正向电流跳变为t≥0时:随电容充电，pn结电压逐渐上升。稳定时达Vj,正向电流为CTCDV2<0RLV1+__+P区n区81t=t1时：电压跃变为Ｖ２,输入电压反向，pn结电容的压降仍为Vj。此时反向电流跳变为t≥t1时：势垒电容和扩散电容的放电,Vj逐渐下降到零，之后pn结进入反偏状态，随载流子的释放电流迅速下降，逐渐达到反向饱和电流IR0t1t2CTCDVj>0RLV2+_+_P区n区823.基本开关参数ts=t2-t1---储存时间tf(>t2)---下降时间机理：pn结空间电荷区电荷和扩散区非平衡少子电荷再分布过程所用的时间。pn载流子消失途径：1.抽取；2.复合ts+tf称反向恢复时间；若ts+tf大于负脉冲宽度，二极管不能有效关断减小ts+tf

措施：减小QS:降低正偏，减小少子寿命；加速QS消失：增大I2，减小少子寿命。0t1t2834、pin二级管1).基本结构

pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层（i区）的二极管。本征层很难实现，通常用高阻p-型层或高阻n-型层代替：

pp-n---pπn;

pn-n---pνn图(b)---杂质分布;(c)---空间电荷分布;

(d)---电场分布。

842).空间电荷区电荷分布pin:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧pp-n---pπn:负电荷在p区侧和p-，正电荷在n区侧pn-n---pνn:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧和n-3).空间电荷区电场分布853).基本特性

单位面积势垒电容近似常数：击穿电压高：储存时间（电荷消失时间）短：εm--临界击穿电场

τ—少数载流子寿命

(IR>If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0865、江崎二级管定义：简并p型半导体与简并n型半导体构成的pn结IpIVVpVVVI伏安特性(经验公式)：Ip：峰值电流；Iv：谷值电流；Vp:峰值电压；Vn:谷值电压。IS87机理：电流逐渐增大正偏：电流达最大电流逐渐减小电流达最小正偏扩散电流IpIVVpVVVI反偏：能带特征：势垒区窄，载流子隧穿几率高（扩散流IV）正偏电流：隧穿电流与扩散流886、异质结二极管异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。类型：异型异质结---导电类型不同的两种材料形成的结(异质pn结)；同型异质结---导电类型相同的两种材料形成的结(n-n结)(p-p结)。异质pn结应用：

微电子器件---提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。光电子器件---提高器件效率等。主要异质结材料：

关注的主要有ＧaAs基材料，如AlxGa1―xAs/GaAs、InxGa1―xAs/GaAs；Si1―xGex/Si，等。式中x表示该元素的百分比组分。改变x可实现禁带宽度的调控。本节介绍异型异质结（异质pn结，简称异质结）主要物理特性和电学特性。

89一、平衡异质结能带结构△EV△Ec特征：载流子进入对方的势垒不同△EC90二、基本物理特性1.电场分布设：掺杂浓度分别为ＮＡ和ＮＤ；介电常数分别为εpS和εnS。耗尽层近似条件下，由泊松方程很容易得到：–xp<x<0：0<x<xn：特征：场线性分布；电场在界面处不连续；电位移失量连续。

912.接触电位差--ＶD表示空间电荷区p区侧--ＶＤP

n区侧--ＶＤn正、负空间电荷区电位差与掺杂浓度间的关系：VDp/VDn=εnsND/εpsNA923.

空间电荷区宽度

联解上述方程

非平衡异质pn结---将上式中ＶＤ用（ＶＤ－ＶＡ）替换，则是非平衡异质pn结各相应的物理参数。

ＶＡ＞０---表示；ＶＡ＜０---反偏。

P区侧：N区侧：934.势垒电容

将xmp与xmn分别乘离化电荷密度qND和qND，并将式中ＶＤ用（ＶＤ－ＶＡ）替换，则有空间电荷区正的或负的电荷量:那么，单位面积势垒电容

其与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同94空穴从p区到n区跨越势垒高度仍为（qVD＋ΔEＶ）。三、电流-电压特性1.异质pn结基本能带结构形式(n区宽带p区窄带为例)：

2.载流子势垒图a)和(c)所示异质结：电子从n区导带渡越到p区导带跨越的势垒高度为（qVD-ΔEC）；空穴从p区价带到n区价带跨越的势垒高度为（qVD+ΔEv）。图(b)所示异质结：电子从n区导带到p区导带跨越势垒高度为qVDn；

3.特征:电子从n区到p区渡越的势垒低于空穴从p区到n区的势垒;电子流与空穴流的注入比可以远大于同质结。低势垒异质结高势垒异质结缓变异质结VDn954.电流-电压特性(a)所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结:

形式与同质pn结相同，但少子密度项表示有差别96

(b)所示的高势垒异质结:975.注入电流比(a)所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结:

(b)所示的高势垒异质结:同质结：异质结注入电流比高与同质结98作业：某二极管p区掺杂浓度为NA，n区掺杂浓度为ND，且NA=ND。t0时刻以前为正向偏压VF，t0时刻突变到反偏VR（|VR|>>0）。若设：该二极管面积为A;空间电荷区总宽度增加量为d；p区、n区少子扩散长度分别为Ln、Lp;正偏和反偏时少子都近似为线性分布；反向抽取电流为IR，忽略其复合。试求其反向恢复时间：t=?（注：t=tS+tf）几个概念：tS、tf期间载流子消失量；Xm~ND、NA关系;少子复合；正偏、反偏少子分布；99pn结二极管是一个大家族，基于pn结基本物理特性的二极管还有稳压管、快恢复二极管、阶跃恢复二极管等。基于载流子其它输运形式，还有雪崩电离渡越时间二极管等微波负阻器件。借助光子与载流子间的转换，还有应用广泛、发展迅速的pn结太阳电池，pn结光电探测器，发光二极管和二极管激光器等。这些内容将在后续章节讨论。结束语100CH3双极型晶体管(同质结)

一、基本原理与结构二、静态特性（直流特性）三、微波晶体管（频率特性）四、功率晶体管（功率特性）五、开关晶体管（开关特性）六、相关器件结构双极型器件？双极型晶体管？

重点--载流子分布、载流子输运物理过程、物理图像、特性产生机理101一、基本原理与结构1、基本原理Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)In–IVB+IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In+IpI2=Ip+IVB-IRI3=In–IVB+IRa.基本原理载流子输运过程:a.n区电子注入p区，边扩散边复合-IVB；b.n区注入p的电子扩散至反偏结空间电荷区边界被反偏电场抽至n区，形成电流-InC；c.p空穴注入n区，边扩散边复合-Ip；d.反偏结反向电流-IR。VfpnnVR(Ip+In)(Ip+In)InIpIp=IRIn=IRp102Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)In–IVB+IRnVRIpIn=IRI1I3I2I1=In+IpI2=Ip+IVB-IRI3=In–IVB+

IR若：IVB<<In，Ip<<In则：△I2<<△I3

若：I2作为输入，I3作为输出，则：实现电流放大b.实现电流放大条件a.实现上述载流子输运：一个结反偏一个结正偏b.实现IVB<<In:Wp<<LnC.实现Ip<<In：Nn1>>Np1032、基本结构Vfpn(Ip+In)(Ip+IVB)In–IVB+IRnVRIpIn=IRI1I3I2发射区NE

WE基区NBWB

收集区NC

WC发射极收集极基极发射结收集结

(npn)(pnp）b.结构条件1）发射结正偏；收集结反偏2）WB<<LnB3）NE>>NBa.基本结构pnpnpn1043、端电流关系发射区NE

WE基区NBWB

收集区NC

WCIEICIBInCVBEpnnVCBIEIBIpEICInEIVBICBOIE=InE+IpE=IB+ICIB=IpE+IVB–ICBO

IVB=InE-InC

IC=InC+

ICBO=IE-IB

1054、能带结构EBC平衡EBC放大状态1065、基本工艺结构与掺杂分布A.平面工艺结构缓变基区晶体管(漂移(型)晶体管)

均匀基区晶体管(扩散(型)晶体管)

xjexjcB.CVD等技术CEBBn-n+pn+107二、静态特性（直流特性-均匀基区为例）1、

伏安特性方程假设:1）空间电荷区没有载流子产生-复合;2）外加电压主要降在势垒区；3）注入少子远低于平衡多子--小注入；4）晶体管的发射结和集电结偏置电压分别为ＶE和ＶC。

IE=?IC=?ＶE和ＶC满足各种偏置不同偏置载流子分布示意图108InE扩散流方程nb(x)基区连续性方程InCIpE扩散流方程pe(x)发射区连续性方程IpC扩散流方程pc(x)集电区连续性方程思路：IC=InC+IpCIpCInCInEIpEIE=IpE+InEnpn少子扩散运动1091)基区少子浓度及电流分布

a.nb(x):边界条件基区发射结侧非平衡少子基区集电结侧非平衡少子110b.电流密度:

111pe(x)∣x=∞=

pe(∞)

=pne2)发射区少子浓度及电流分布

a.pe(x)边界条件b.电流密度:

1123)集电区少子浓度及电流分布

与发射区同样过程，有：1134)电流-电压方程

(适合于各种偏置)#IE和IC皆与VE、VC有关—电流叠加考虑电流实际反向有：114#特性方程物理意义：一般满足：Wb<<Lnb当(Wb/Lnb)<<1时：Sh(Wb/Lnb)X，Ch(Wb/Lnb)1有：发射结电流项（集电结偏压为零）集电结注入基区发射结侧电子电流项（发射结偏压为零）115发射结注入基区集电结侧电流项（集电结偏压为零）集电结电流项（发射结偏压为零）基区中电子流物理意义？前述方程中出现双曲函数的原因？#特性方程物理意义：(Wb/Lnb)<<1，Sh(Wb/Lnb)X，Ch(Wb/Lnb)11162、电流放大能力分析用电流放大系数(电流增益)表征。通常有共基极和共射极电流放大系数。1)共基极电流放大系数---α0表示a.发射效率-γ：b.基区输运系数-β*

：

<1IpE/InENB<<NEWb<<Lnb1172)共射极电流放大系数---β0表示or>11183)其它电流与增益关系a.根据定义

有共基极IC=α0IE+ICBO

当IB=0(即共射极基极开路)，有

IC=（1+β0）ICBO=ICEO？？有共射极IC=β0IB+（1+β0）ICBO令（1+β0）ICBO=ICEO则：IC=β0IB+（1+β0）ICBO=β0IB

+ICEOb.利用IE=IC+IB及α0与β0关系：{IC=α0IE+ICBO=α0（IC+IB）+ICBOIC=α0IB/(1-α0)+ICBO/(1-α0)}1193、晶体管其它工作状态

a.发射结反偏，集电结反偏--

截止状态b.发射结反偏，集电结正偏--

反向放大状态。？？c.发射结正偏，集电极正偏—饱和状态(电流方向)?

β0△IB>△IC

(IB=IpE+IVB+IpC)(IC=InC-IpC)d.发射结正偏，集电结零偏--临界饱和状态

β0△

IB=△IC载流子分布？放大能力？120A.晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件：

ＮE(x)＞＞ＮB(x)---使发射效率γ尽可能接近于１；

wb<<Lnb---使基区输运系数β*接近于１；

发射结正偏，集电结反偏---使载流子从发射区渡越至收集区B.晶体管共基极电流放大系数α0（可以）接近于１;C.共射极电流放大系数β0一般远大于１；D.输入阻抗低，输出阻抗高，有足够大的电压和功率放大能力。#小结ex:

1.试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？2.画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态β0△IB>△IC机理。1214、均匀基区晶体管输出短路电流放大系数▼考虑集电结零偏，即输出短路电流放大系数；▼要求：明确电流放大系数与结构参数的关系；▼集电结反偏时的情况后续讨论。正偏零偏pnnWb1221)发射效率γ

wb<<Lnb

th(wb/Lnb)≈wb/Lnb

Ｒ□=ρ[1/1·W]Ｒ□bＲ□e方块电阻—单位面积下，从平行于表面二侧呈现的电阻电阻μpe/μnb≈μpb/μne

-1W123#方块电阻物理意义Ｒ□bＲ□eLLＲ□=ρ[L/L·W]1242)基区输运系数β*

wb<<Lnbsech(x)=1-x2/2!

3)输出短路电流放大系数

(NE/NB)>102、Wb/Lnb1255、缓变基区晶体管直流放大系数1）缓变基区晶体管特征基区自建电场、发射区自建电场

减速场(可略)--加速基区少子渡越--IVBJnc；--阻止少子扩散，JpE缓变基区晶体管直流放大系数高b.作用a.特征-自建电场n+pnn+XN1262)基区自建电场-

基区净空穴流4.发射区自建电场-

减速场(可略)电场因子设：NB(x)＃127

3)发射效率

JnE:JpE:wE<<Lpe,Jpe(x)=JpE=Cwb<<Lnb，=JnE=C128取：μpe=μpb，μnb=μne

与均匀基区晶体管结果相同，其物理意义也相同。1294)基区输运系数少子渡越基区时间

基区少子寿命

复合几率

η=0时,1/λ=1/2,即为均匀基区晶体管≒JnE∵∴1305)输出短路电流放大系数

均匀基区与缓变基区晶体管电流放大系数表征公式相似，物理意义相同。提高晶体管电流放大系数：1.提高NE／NB之比，为保证电流放大系数足够大，一般(NE／NB)>102；2.减小基区宽度wb；3.提高基区电场因子；4.提高基区少子寿命和迁移率。

1316、晶体管直流放大特性分析

集电结内自建电场减弱；集电结处少子浓度提高，Jnc减小，Jc减小。EBC1）晶体管特性曲线

a.共基极:IC=α0IE+ICBO正偏JnCJpC|VCB|WbJnEJEXmCnb(0)=CICBO饱和区截止区放大区132b.共射极:VCEVBE时IC下降，机理与前同~IC=β0IB+ICEOCEBVBEVCEVBE<导通电压IB=IpE+IVB-ICBO

VCEWbIVBIBxmcVBE<导通电压VCE=0:二只并联二极管ICEO饱和区133输出特性曲线二个特征:

▼IE与IB较小或较大时，α0和β0较小，而且IC越大或越小α0和β0越小;

▼随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反映出α0和β0增大。7.电流放大系数与电流关系：IB=Iiβ50100IC/mA5101520134Early(厄利)电压

机理分析定义：晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压变化而变化的现象，称为晶体管基区宽度效应，又称Early(厄利)效应。a.基区宽变效应(

Early效应)-曲线倾斜机理VCB或VCEXmcWbα0、β0

VCEVCBXmcWbα0、β0

dnb(x)/dxJnE、

JncIB=CIB=Cdnb(x)/dxJnE、

Jncwb1wb2|VCB|α0、β0??135b.发射结空间电荷区复合-小电流放大系数低的机理

载流子在发射结空间电荷区内的复合是小电流时放大系数小的主要原因。

IE=InE+IpE+IER

IER小电流(低VE)时，势垒区复合电流所占比例大，随电流(VE)增大，复合电流影响逐渐减小,α0、β0增大小电流？其他因素：发射区重掺杂效应--禁带变窄；俄隙复合136c.大注入效应-大电流电流放大系数下降的机理大注入：发射区注入基区的非平衡少子浓度nb(x)接近甚至超过基区多子浓度的现象。大注入效应：大注入下，晶体管内产生三种物理现象，即三个效应(实际为二个效应)，分别称为

1)基区电导调制效应；2)有效基区扩展效应；3)发射结电流集边效应。它们都将造成晶体管电流放大系数的下降。这里将它们统称为大注入效应。大注入效应通常发生在工作电流密度高的功率晶体管中。1371）基区电导调制效应

基区多子浓度：pb(x)=

[NB(x)+nb(x)]

σ=1/ρb=qμpbpb(x)=qμpb[NB(x)+nb(x)]

Ｒ□b定义：基区电导随注入基区少子浓度增大而增大(电阻率减小)的现象。设：Wb=Cpb(x)1382）有效基区扩展效应

定义：大电流密度下，晶体管有效基区宽度随注入基区电流(载流子)密度的增大而展宽，这种现象称为晶体管有效基区扩展效应，又称kirk效应。

nc=JnC/qVSLxmC(集电区侧)

(基区侧)

设：VCB=C，即：电场曲线下所围面积不变基区少子分布斜率下降|ε(x)|基区电导调制效应、基区扩展效应同时发生139基区扩展效应nc=JnC/qVSLxmC(集电区侧)

(基区侧)；

CNN+EBNPWbJnc-----+++++电场曲线下所围面积不变=VCB1403）发射结电流集边效应

定义：发射结电流密度从发射结（横向）中心到发射结边缘逐渐增大的现象。基区横向压降：基极电流在基区体电阻上产生的从发射结中心到边缘逐渐增大的压降---用V(x)表示。发射区横向等电位。影响：1.发射结有效面积减小;2.中心区域结面产生反向电流及存在势垒电容；3.导致基区电导调制效应或基区扩展效应在发射结边缘发生，造成电流放大系数下降。

机理：141※发射结电流根部集中效应

发射结电流沿发射区金属电极条纵向流向外电极引线；金属电极层较薄，电阻不可忽略，发射极电流在金属电极层产生纵向压降；纵向压降造成外引线端侧发射区电位低于另一端；基区在纵向等电位；引起发射结正偏向引线端逐渐升高，电流密度逐渐增大。定义：发射结电流密度在纵向沿发射区向外电极引线处逐渐升高的现象。结果：根部集中效应和电流集边效应使发射结电流密度在在引线端发射结的二个弯角处最高，首先发生前二个效应，电流放大系数下降。142※三个效应关系基区电导调制效应和基区扩展效应是电流放大系数下降的物理原因；电流集边效应与根部集中效应促使电导调制效应和基区扩展效应首先在发射结边缘发生；基区电导调制效应和基区扩展效应一般同时存在。

※大注入效应的控制：1.限定控制电导调制效应和基区扩展效应所允许的最大电流密度。取二个效应中最大电流密度的较小者作为控制大注入效应临界电流密度。2.为控制电流集边效应，规定发射区有效宽度。考虑发射极根部集中效应，规定了发射区的有效长度。发射区有效宽度和有效长度分别是以它们的横向或纵向压降等于KT／q时的值来确定。143五、大注入效应控制1.基区电导调制效应：2.基区扩展效应3.发射区有效条宽4.发射区有效条长*线电流密度线性放大：I0<0.05mA/m;一般放大：I0=0.05~0.15mA/m144※大注入自建电场定义：基区非平衡多子扩散形成引起电场，称为大注入自建电场。大注入自建电场对渡越基区的少子产生加速作用，但该作用效果被基区扩展效应所屏蔽；缓变基区晶体管，基区自建电场是基区掺杂和非平衡载流子引起的电场迭加；注入基区的非平衡载流子浓度远高于掺杂浓度时，基区自建电场将主要由非平衡载流子决定。在这样条件下，缓变基区晶体管与均匀基区晶体管基区自建电场趋于相同，它们的特性也趋于一致。ε(x)145作业:1.发射效率、基区输运系数的物理意义；2.放大状态晶体管内部载流子的输运过程；3.晶体管电流放大系数与其结构参数的关系；4.晶体管电流放大系数与工作电流间的曲线。5.试解释（npn）：

共基极-输出特性曲线中，VCB接近零偏到正偏时IC迅速下降机理；-输入特性曲线中，VBE=C时IE随VCB增大而增大机理。共射极-输出特性曲线中，VCE接近零偏时IC迅速下降机理；-输入特性曲线中，VBE=C时IB随VCE增大而减小机理。6.对npn晶体管，若Wb<<Lnb,WE<<LpE试写出：IE=?IC=?146三、微波晶体管（晶体管频率特性）1、晶体管交流电流放大系数与工