微电子学详解演示文稿

微电子学详解演示文稿本文档共80页；当前第1页；编辑于星期三\6点50分（优选）微电子学本文档共80页；当前第2页；编辑于星期三\6点50分1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构本文档共80页；当前第3页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第4页；编辑于星期三\6点50分2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni本文档共80页；当前第5页；编辑于星期三\6点50分电子：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本文档共80页；当前第6页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第7页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第8页；编辑于星期三\6点50分价带：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本文档共80页；当前第9页；编辑于星期三\6点50分半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*本文档共80页；当前第10页；编辑于星期三\6点50分4.半导体的掺杂BAs

受主掺杂

施主掺杂本文档共80页；当前第11页；编辑于星期三\6点50分施主和受主浓度：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本文档共80页；当前第12页；编辑于星期三\6点50分施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本文档共80页；当前第13页；编辑于星期三\6点50分本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2

ni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本文档共80页；当前第14页；编辑于星期三\6点50分6.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本文档共80页；当前第15页；编辑于星期三\6点50分多子：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：电子本文档共80页；当前第16页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第17页；编辑于星期三\6点50分n型半导体：电子nNd 空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa 电子nni2/Na本文档共80页；当前第18页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第19页；编辑于星期三\6点50分9.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本文档共80页；当前第20页；编辑于星期三\6点50分影响迁移率的因素：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）电离杂质散射本文档共80页；当前第21页；编辑于星期三\6点50分扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动本文档共80页；当前第22页；编辑于星期三\6点50分过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2本文档共80页；当前第23页；编辑于星期三\6点50分描述半导体器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加本文档共80页；当前第24页；编辑于星期三\6点50分方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的－载流子（n,p)固定的－电离的施主、受主特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS＝0，静电势为常数本文档共80页；当前第25页；编辑于星期三\6点50分电流连续方程可动载流子的守恒热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴本文档共80页；当前第26页；编辑于星期三\6点50分电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中扩散项漂移项方程形式1本文档共80页；当前第27页；编辑于星期三\6点50分爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势本文档共80页；当前第28页；编辑于星期三\6点50分重点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、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、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合本文档共80页；当前第29页；编辑于星期三\6点50分作业

载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。本文档共80页；当前第30页；编辑于星期三\6点50分半导体器件物理基础

北京大学本文档共80页；当前第31页；编辑于星期三\6点50分据统计：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本文档共80页；当前第32页；编辑于星期三\6点50分PN结的结构本文档共80页；当前第33页；编辑于星期三\6点50分1.PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子本文档共80页；当前第34页；编辑于星期三\6点50分2.平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势本文档共80页；当前第35页；编辑于星期三\6点50分费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央本文档共80页；当前第36页；编辑于星期三\6点50分自建势qVbi费米能级平直平衡时的能带结构本文档共80页；当前第37页；编辑于星期三\6点50分3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP本文档共80页；当前第38页；编辑于星期三\6点50分正向的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〕本文档共80页；当前第39页；编辑于星期三\6点50分4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NP本文档共80页；当前第40页；编辑于星期三\6点50分N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散本文档共80页；当前第41页；编辑于星期三\6点50分5.PN结的特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，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)反向击穿电压Vrb本文档共80页；当前第42页；编辑于星期三\6点50分6.PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7.PN结电容本文档共80页；当前第43页；编辑于星期三\6点50分§2.4双极晶体管1.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本文档共80页；当前第44页；编辑于星期三\6点50分双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP本文档共80页；当前第45页；编辑于星期三\6点50分双极晶体管的结构和版图示意图本文档共80页；当前第46页；编辑于星期三\6点50分本文档共80页；当前第47页；编辑于星期三\6点50分2.3NPN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本文档共80页；当前第48页；编辑于星期三\6点50分NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流本文档共80页；当前第49页；编辑于星期三\6点50分2.3NPN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本文档共80页；当前第50页；编辑于星期三\6点50分3.晶体管的直流特性3.1共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区本文档共80页；当前第51页；编辑于星期三\6点50分3.晶体管的直流特性3.2共基极的直流特性曲线本文档共80页；当前第52页；编辑于星期三\6点50分4.晶体管的特性参数4.1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

、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、本文档共80页；当前第53页；编辑于星期三\6点50分4.晶体管的特性参数4.2晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流

晶体管的主要参数之一本文档共80页；当前第54页；编辑于星期三\6点50分4.晶体管的特性参数（续）4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一本文档共80页；当前第55页；编辑于星期三\6点50分4.晶体管的特性参数（续）4.4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

：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时对应的频率本文档共80页；当前第56页；编辑于星期三\6点50分5.BJT的特点优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本文档共80页；当前第57页；编辑于星期三\6点50分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本文档共80页；当前第58页；编辑于星期三\6点50分缺点：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本文档共80页；当前第59页；编辑于星期三\6点50分当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极本文档共80页；当前第60页；编辑于星期三\6点50分§2.5MOS场效应晶体管MOS电容结构MOSFET器件本文档共80页；当前第61页；编辑于星期三\6点50分1.MOS电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性本文档共80页；当前第62页；编辑于星期三\6点50分关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率直流和交流时均成立本文档共80页；当前第63页；编辑于星期三\6点50分一MOS结构交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线〕2、介质层不吸收能量本文档共80页；当前第64页；编辑于星期三\6点50分非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V本文档共80页；当前第65页；编辑于星期三\6点50分未加偏压时的MOS结构MOS