微电子器件原理总结

三种管子的工作原理、符号、结构、电流电压方程、电导、跨导、频率然后还有集边效应，二次击穿双极型晶体管：IIuIeqVkT0发射极电流集边效应：（1）定义：由于p-n结电流与结电压的指数关系，发射结偏压越高，发射极边缘处的电流较中间部位的电流越大（2）原因：基区体电阻的存在引起横向压降所造成的（3）影响：增大了发射结边缘处的电流密度，使之更容易产生大注入效应或有效基区扩展效应，同时使发射结面积不能充分利用（4）限制：限制发射区宽度，定义发射极中心到边缘处的横向压降为kT/q时所对应的发射极条宽为发射极有效宽度，记为2Sff。Sff称为有效半宽度。ffeffwkTf1.辺丽J）］12其中J（o）是发射结中心电流密度E发射极有效长度：（1） 定义：沿极条长度方向，电极端部至根部之间压降为kT/q时所对应的发射极长度称为发射极有效长度（2） 作用：类似于基极电阻自偏压效应，但沿Z方向，作用在结的发射区侧耗散功率PC与最大耗散功率PCM:P=TJm-Ta其中：T为最高允许结温CM R jMtR（热阻）=~（电路中）p—=—（片状材料）R=3A=丄（热路中）t I AoA TPkAcP（T）=P-TjM-T（环境温度为T时）C CMT—TjMA二次击穿和安全工作区：（1）现象：当晶体管集电结反偏增加到一定值时，发生雪崩击穿，电流急剧上升。当集电结反偏继续升高，电流/c增大到某一值后,cb结上压降突然降低而/c却继续上升，即出现负阻效应。（2）分类：基极正偏二次击穿（/b>0）、零偏二次击穿和（/b=0）、反偏二次击穿（/b<o）。b b b（3） 过程：①在击穿或转折电压下产生电流不稳定性；从高电压区转至低电压区，即结上电压崩落，该击穿点的电阻急剧下降；低压大电流范围：此时半导体处于高温下，击穿点附近的半导体是本征型的；电流继续增大，击穿点熔化，造成永久性损坏。（4）指标：在二次击穿触发时间td时间内，消耗在晶体管中的能量E二卩IVdt称为二次击穿触发能量（二次击d SB0穿耐量）。晶体管的ESB（二次击穿触发功率PSB）越大，其抗二次击穿能力越强。SB SB（5）改善措施：1、电流集中二次击穿由于晶体管内部出现电流局部集中，形成"过热点”，导致该处发生局部热击穿。导致电流局部集中的原因：大电流下Ie的高度集边。e原材料或工艺过程造成的缺陷和不均匀性。在缺陷处杂质扩散快，造成结不平坦、基区宽度Wb不均匀等。b发射极条、基极条间由于光刻、制版等原因造成各部位尺寸不均匀而引起的电位分配不均匀。4•总的I在各小单元发射区上分配不均匀，边缘处散热能力强，中心处散热能力差，造成中心部位T.较高，Ej故二次击穿后熔融点多在中心部位。由于烧结不良形成空洞而造成的局部热阻过大，使该处结温升高，电流增大。晶体管的结面积越大，存在不均匀性的危险也越大，越易发生二次击穿。改善及预防措施：降低rb，以改善发射极电流集边效应；提高材料及工艺水平，尽可能消除不均勾性。改善管芯与底座间的散热均匀性，消除出于接触不良而形成的“过热点”。采用发射极镇流电阻。2、雪崩注入二次击穿由集电结内的电场分布及雪崩倍增区随I变化，倍增多子反向注入势垒区而引起C改善及预防措施：增加外延层厚度，使W>BV/Em。但这会使集电区串联电阻r增大，影响其输出功率。cceoM cs采用双层集电区结构增大外延层掺杂浓度，以增大雪崩二次击穿临界电流密度J。co采用钳位二极管。镇流电阻Re可以防止正偏二次击穿，钳位二极管D可以防止反偏二次击穿。（6）安全工作区：1、 定义：晶体管能够安全工作的范围。一般用SOAR或SOA表示。由最大集电极电流ICM、雪崩击穿电压BVceo、最大耗散功率PCM及二次击穿触发功率PsB参数包围而成。CM SB2、 拓展方法：脉冲工作条件拓宽了晶体管的安全工作区，且随脉宽减小而扩大。脉冲信号的占空比越大，PsB越小，占空比V5%时就不易损坏。SB固定占空比时，脉冲宽度越窄，PsB越大。而当脉宽V100ms后,安全工作区已不再受二次击穿功率Psb的限制。SB SB当脉宽>ls时，其测量结果与直流情况无异。结型场效应晶体管：一、工作原理：通过改变垂直于导电沟道的电场强度(栅极电压)来控制沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单极型场效应晶体管”(s—源极、G—(s—源极、G—栅极、D—漏极)三、结构：二、符号：四、分类：结型栅场效应晶体管(缩写JFET、体内场效应器件)肖特基栅场效应晶体管——金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET、体内场效应器件)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET、表面场效应器件)薄膜场效应晶体管(缩写TFT、表面场效应器件)五、 特点：体积小，重量轻FET是一种通过输入电压的改变控制输出电流的电压控制器件。FET的直流输入阻抗很高，一般可达109—1015QFET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可以采用直接耦合的形式。噪声低，特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合。热稳定性好。抗辐射能力强。相对于双极晶体管，制作工序少、工艺简单，有利于提高产品合格率、降低成本。六、 特性(1)直流特性JFET沟道夹断前的电流-电压方程n其中，Gn其中，G三2叫“化0饱和区电流-电压方程2a3Wpq2N2 3h2 2h3, 「“ “V-V、_V-V、,Dsatn6££L0D[1—―+ ]=I[1—3( GS)+2( GSDsatn6££L0a2a3DSS V ”p0夹断电压Vpo:沟道厚度因栅P+-N结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅结上的外加反向偏压VGS使P+-N结耗尽层厚度等于沟道厚度一半(壯a)时，整个沟道被夹断，此时的喰称为JFET的夹断电压GS288(V—V)1x=x=[ 0D L]2=anm qN本征夹断电压"yo=yy表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p-n结上的电压降0D最大饱和漏极电流IDSSyGS=yD时的漏极电流，又称最大漏源饱和电流。GSDr2aW“ 2a3Wyq2N2I= ・ ・ ・V= nDdss3pLP0 688L所以可以通过增大起始沟道厚度和沟道宽长比，减小沟道电阻率，增大JFET的最大饱和漏极电流。通过控制A准确控制IDDS。DDS⑥栅源击穿电压bvgsGS表示栅源之间所能承受的栅p-n结最大反向电压。％S=°时，此电压决定于n型沟道区杂质浓度。％s>°时，漏端n区电位的升高使该处p-n结实际承受的反向电压增大，所以实测的BVGs值还与VDs区电位的升高使该处p-n结实际承受的反向电压增大，所以实测的BVGs值还与VDs有关。GS DS⑦漏源击穿电压bvds表示在沟道夹断条件下，漏源间所能承受的最大电压。BV|DSVgs=°=BV|GSVds=0=BVBVDSVGS<0=BV-VIGSVds=0 GS输出功率Poo⑧输出功率P0P正比于器件所能容许的最大漏极电流ID和器件所能承受的最高漏源峰值电压(BVDS-VDt),其中ID工IDo Dmax DSDsat DmaxDss(2)交流小信号参数①跨导gm定义：g=型时=G[1-(VD-VGS)2](饱和区)=G(丄)2[(V+V—V)2-(V—V)2](非饱和区)mQV 0 V 0V DSDGS DGS为漏源电压VDS一定时，漏极电流的微分增量与栅极电压的微分增量之比特性：饱和区跨导随栅压幅度减小而增大，VGS=VD时达到最大值G0。GSD 0跨导的单位是西门子S(1S=1A/V)。器件的跨导与沟道的宽长比W/L成正比。由于存在着沟道长度调制效应，所以L不能无限制地减小以得到好的饱和特性。通常采用多个单元器件并联扩大沟道宽度的方法增大器件的跨导。跨导随栅电压V和漏电压V而变化，当V=0,V=VDt时，跨导达最大值。GS DS GS DSDsat②漏极电导gD定义：表示漏极电流随漏源电压的变化关系dI D-dVDSVGSCont.dI D-dVDSVGSCont.V T0)DS=2卩 (2££qN)2[V2—(V+V—V)2]=G[1—(~)2](线性区,nL 0D p0 DSDGS 0 Vp0高场迁移率的影响：迁移率随场强上升而减小，导致漏极电流和跨导相对肖克莱模型减小，并随沟道场强而变化载流子达到极限漂移速度，使得漏极电流在沟道漏端夹断之前饱和，跨导趋于常数；沟道漏端形成静电偶极层，承受漏极电流饱和后增加的漏极电压，并使沟道漏端不能夹断。频率特性参数：载流子渡越时间截止频率f0 1 yV v由载流子从源端到漏端所需的渡越时间所限定的频率极限。f=九7=亢=益特征频率fT本征管的源端S与漏端短路(输出端短路)时电流放大系数等于1时所对应的频率。2f-C-u=g-unf=m—Tgsgs mgs T2兀Cgs最高振荡频率fM共源组态下，本征管在输入、输出端均共轭匹配，且输出对输入的反馈近似为零，功率增益为1时的极限频率f ff= T=M2.(R+R)g(4)功率特性参数：①最大输出功率P(4)功率特性参数：①最大输出功率PMP沁^(Vl—V)I=112RM8DSKF8FlmVDSL为沟道夹断时漏源间允许施加的最大电压VK或VKF为拐点电压；K KFIF为最大输出电流；R|为获得最大输出功率的负载电阻。lm②最大输出电流IF是沟道源端栅结空间电荷区消失时通过沟道的漏极电流。为栅结正偏电压值大小等于栅结内建电势差VD时的理论极限值。③漏源击穿电压BVDS定义：硅中、高频JFET的BVDS主要由栅空间电荷区的雪崩击穿电压决定。产生原因：漏接触电极附近的电场过强；栅电极边缘处电场过强。MOS型场效应晶体管：

一、工作原理：表面场效应——当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。GS当栅极加有电压ovvvvT时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥,GST出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流lD。二、结构所以不足以形成漏极电流lD。二、结构四、特性类型“沟MOSFETp^JMOSF^T耗斥型增强奎耗尽工増强型村底p型n型5.D区「区沟道栽流子电于空穴Vds>0<01旳方向由DYnS-D嚴值电压VT<0VT>0VT>0Vr<0JD|D|D电路符》*^B-bBs三、分类：（1）阈值电压①定义：阈值电压vt是栅极下面的半导体表面呈现强反型，从而出现导电沟道时所加的栅源电压。QBmaxC+V=-sQBmaxC+V=-sQBmaxCox其中e=kTInNFq