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1、1,半导体器件物理,哈尔滨工业大学微电子科学与技术系刘晓为 陈伟平(),1半导体器件物理哈尔滨工业大学,2,课程安排,内容（36学时）第一章 器件工作的基本方程第二章 特种二极管（变容二极管、PIN二极管、隧道二极管、雪崩二极管）第三章 电荷耦合器件（CCD)第四章 太阳电池第五章 电力电子器件（晶闸管、IGBT）参考书1. 王家骅 等编著 半导体器件物理 科学出版社 19832. （美）施敏 著 半导体器件与工艺 科学出版社 19923. （美）施敏 著 现代半导体器件物理 科学出版社 20014. 王志良 主编 电力电子新器件 国防出版社 1995教学方式讲授+讨论（80%）；自学（20%
2、）考试方式考试+报告+讨论(50+40+10=100),2课程安排内容（36学时）,导体、绝缘体、半导体的能带示意图,36eV,硅1.12eV锗0.67 eV砷化镓1.42 eV,第一章 半导体基本知识,导体、绝缘体、半导体的能带示意图 36eV硅1.12eV第,4,P型与N型半导体的能带示意图,4P型与N型半导体的能带示意图,un：电子迁移率 up：空穴迁移率 Jn：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度 n：电子浓度 p：空穴浓度,总电流密度J,两式相比可以得到半导体的电导率,载流子漂移,un：电子迁移率,6,基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程1、麦克斯韦方程对均匀各向同性材
3、料有 在静态或低频状态下， s和。分别为介电率和导磁率,半导体工作的基本方程,6基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程半导体,7,2、电流密度方程D和分别为载流子的扩散系数和迁移率3、连续性方程、G和U分别为载流子寿命、产生率和复合率,72、电流密度方程,PN结能带图,8,PN结能带图8,9,9,10,第二章 特种二极管,2.1变容二极管（Tuning Diode）利用p-n结电容随外加电压的非线性变化工作的半导体器件，1958年提出后，已制成Ge、Si和GaAs变容微波器件，得到了广泛的应用：微波开关、调制器；混频器；压控振荡器和参量放大器。自动调谐收音机AFC系统2.1.1
4、变容二极管的电容-电压关系理想变容二极管要求损耗小一般利用p-n结势垒电容工作，工作区反偏（0击穿电压）。,10第二章 特种二极管 2.1变容二极管（Tuning D,11,变容二极管的杂质分布p+-n结为例，低掺杂侧杂质浓度:N(x)=Bxm x0, B为常数m=1 线性缓变结m=0 单边突变结m0 超突变结由泊松方程：利用V(0)=0; V(W)=VD+Va 解出：当m=-3/2时，n=2 超突变结，变容二极管的共振频率 串联电阻的影响使得超突变结并不是最好的杂质分布。,11变容二极管的杂质分布,12,2.1.2变容二极管的结构和参数等效电路中Rj10M, C j几pF,因此简化为Cj与R
5、s的串联1. 电容变化系数越大越好。2. 品质因数存储能量/消耗能量微波频段Cj0为零偏结电容，RsQQ=1时， 为零偏截止频率,122.1.2变容二极管的结构和参数,13,3. 串联电阻RS=Rp+Rn+RB+RC非外延变容管：RSRB=（B/4rm)F 10-50外延变容管： RS 0.n-n 一般变容管杂质分布如图3.1.3 变容二极管的设计材料：迁移率大；介电常数小；禁带宽度大；杂质电离能小；导热率高。结构：外延台面管；台面小；掺杂高提高截止频率。,133. 串联电阻,14,2.2 PIN二极管PIN二极管：在p型区和n型区之间加入本征层（10-200m）I层一般为高阻区（高阻p型称为
6、PN；高阻n型称为PN）用途：大功率微波开关（速度W/2v）、微波可变衰减器（电阻控制）大功率整流器等2.2.1 PIN二极管的定性分析,142.2 PIN二极管,15,PIN二极管的能带、电荷及电场分布（以长I区为例）结构相当于：I区电阻+PI突变结+IN突变结正向工作：两个结正向导通向I区注入电荷电荷；I区电阻受到调制。,15PIN二极管的能带、电荷及电场分布（以长I区为例）,16,外电压的影响等效电路RS为接触电阻；RJ，CJ为PI和IN二极管结电阻和电容；CD为扩散电容（高频忽略）；RI（正向电荷控制）CI（未耗尽部分I区）,16外电压的影响,17,2.2.2 正偏I区电阻一维情况下，
7、设：I层，恒定；电子和空穴，相同；I层n(x)=p(-x)，即电中性PI只有空穴电流、NI只有电子电流。I区中：I区正偏时，E0，p,nni，稳态：n,p与t无关，令方程简化为： 方程解与边界条件： 解得：,172.2.2 正偏I区电阻,18,由（8）作图可见W越小， 越大，载流子浓度越平坦。（x)=2qn(x), I区电阻：带入n(x)得到：当WL时，可见RF1/IF受到电流IF的调制;,18由（8）作图可见W越小， 越大，,19,2.2.3反偏电阻： 、电容和击穿电压反偏电阻：反偏下，I区为耗尽区，但从0偏到反偏有一个I区串联电阻降低为近似0的过程。因此曲线有相应的变化。电容和击穿电压电容
8、：反偏下，PIN二极管为平行板电容CJ=.rA/W击穿电压：VBEmW因为I区为本征材料，Em很高，且W也可较大，所以PIN二极管可以达到高击穿电压。PIN二极管作为微波开关应用时要求Ron小，Roff大。反向阻抗：RS+CJ的串联Roff=RS+1/(CJ)= RS+W/(.rA)， -1要提高Roff，应增加W和 ,192.2.3反偏电阻： 、电容和击穿电压,20,2.2.4 PIN二极管的开关时间,PIN二极管相当于电容器：正向导通存储电荷，反向释放电荷达到截止状态。开关时间主要取决于反向恢复时间：减少存储电荷将增加通态电阻，只能减少电荷的抽取时间。关断时：极端情况：IR=0, 可见减小
9、寿命可减小关断时间；忽略复合：IR大，可有效减小关断时间，实际上一般采用大反向脉冲电流的措施。,202.2.4 PIN二极管的开关时间PIN二极管相当于电容,21,2.3 隧道二极管1957年江崎铃实验发现在重掺杂p-n结正向特性中的负阻现象，1958年用量子隧穿理论解释了这种反常现象。隧道二极管具有超高速、低噪声特点，在小功率微波放大、开关、振荡和频率锁定电路中应用。2.3.1 隧道二极管的定性分析由重掺杂（简并）的p+和n+ 区组成的二极管，Vp和Vn为数kT; Xd100,212.3 隧道二极管,22,掺杂浓度1019-1020/cm3。下图定性说明隧道二极管电流电压特性。,22掺杂浓度
10、1019-1020/cm3。下图定性说明隧道二极,23,直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体）由于动量守恒要求，间接隧穿要有声子辅助，因此，直接隧穿几率大于间接隧穿。,23直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体）,24,2.3.2 隧道几率和隧道电流1. 隧道几率由量子力学的WKB（文策耳-克莱默-布里渊法）近似，隧穿几率可见P取决于Eg和x掺杂浓度。 K=1.33 K=2.0 K=1.59,242.3.2 隧道几率和隧道电流,25,2.隧道电流假设：1）小电压下，P为常数；2）状态密度函数（E-EC)1/2和(EV-E)1/2;3）qVn和qVp2kT；分布函数
11、线性近似正向隧道电流2.3.3 过量电流VVp+Vn，隧道电流应为0过量电流：谷电流+指数过量电流,252.隧道电流,26,谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势垒变窄，隧道电流加强。对隧道二极管，重掺杂是必要条件，因此谷电流不可避免。,26谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势,27,指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，这种隧道电流Ix随V电压指数上升。,27指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，,28,2.3.4 等效电路等效电路如图所示，RS为串联电阻包括欧姆接触、引线和材料的扩展电阻；LS为串联电阻电感；C为突变
12、结电容。负阻区开始点的斜率为最小负阻，近似为：Rmin2Vp/Ip,282.3.4 等效电路,29,隧道二极管阻抗：令电阻部分为0，得电阻截止频率令电抗部分等于0，得电抗截止频率,29隧道二极管阻抗：,30,2.3.5 反向二极管 当p区和n区掺杂浓度达到弱简并状态，但费米能级未进入导带或价带。能带如下图所示：,302.3.5 反向二极管,31,但因高掺杂效应使得势垒区宽度Xd很小，正向特性无隧道电流发射条件，无负阻或很小负阻效应；反向特性因薄势垒，存在很大隧道电流。问题：为什么图（b）存在正向负阻现象？反向二极管，在零偏附近特性曲线有较大的曲率，比点接触二极管检波和混频特性更好，常用于小信号
13、微波检波和混频。,31但因高掺杂效应使得势垒区宽度Xd很小，正向特性无隧道电流,32,2.4 雪崩二极管IMPATTD(IMPact Avalanche Transit Time Diode) 雪崩二极管利用p-n结的雪崩倍增和载流子的渡越效应产生负阻效应，能够产生微波震荡，雪崩二极管主要用于大功率微波振荡器。优点是结构电路简单、输出功率大、效率高、高频特性好。缺点是噪声大，电压高。1958年 Read 提出N+-P-I-P+结构可产生微波震荡；1965年 Johnston观察到p-n结的微波震荡效应；同年Lee制成了Read二极管；1966年 Misawa证明任何杂质分布的p-n结都可产生碰
14、撞电离、雪崩渡越时间决定的微波震荡；1967年Prager和K. N. Chang 发现了俘越模式的雪崩二极管。雪崩二极管采用Si、Ge和GaAs制作。,322.4 雪崩二极管,33,（2）P+NN+型：单边突变（N+PP+型）微波震荡、放大（3）PIN型：大频宽、高效、脉冲应用（图与Read二极管相似）（4）P+PNN+型：双漂移型，高效率、高功率,33（2）P+NN+型：单边突变（N+PP+型）微波震荡、放,34,（5） P+N1N2N+ ：高-低结型，低噪声（势垒注入渡越时间二极管）（6）P+N1-NN2-N+和MN1N2N3型：低-高-低结型，高效率,34,35,2.4.2 负阻概念普
15、通电阻: R=V/I 电压与电流同相，R0，为正阻。电阻消耗的能量P=I2R P0，为耗能元件。负阻R负: R负=-V/I=-R 电压与电流反相，R负0，为负阻。负阻消耗的能量P负=-I2R P负0，为能量供给元件。,352.4.2 负阻概念,36,正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加；而负阻特性电压增加，电流减小。负阻的作用：交流振荡：如图所示，i(t)与v(t)反相，直流能量I0V0i(t)v(t)交流振荡；交流放大：若RRL，则Av1，产生放大。,36正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加；,37,2.4.3 崩越振荡机理以Read二极管为例，负阻特性是由于雪崩倍增过程和载流子
16、的渡越时间所造成的电流和电压的相移而产生的。假设：载流子的电离率相等n=p=，发生雪崩击穿，雪崩区0 xA：临界直流电压VD+射频电压v(t)， v(t)正半周，雪崩击穿； v(t)负半周，雪崩停止。漂移区xAxA+W：雪崩产生的载流子进入漂移区以饱和速度通过漂移区，渡越时间=W/vd。,372.4.3 崩越振荡机理,38,波形分析：雪崩区：射频电压v正半周时，0/2，N+P结开始发生击穿，积累电子空穴对，形成Ia ；/2 范围，继续雪崩过程积累电子空穴对，Ia增加； 3 /2，雪崩击穿结束，雪崩区积累的载流子（空穴）进入漂移区， Ia继续存在，但不断减小； Ia 相对于v落后/2相位，这就是
17、雪崩区延迟。漂移区：漂移区电场低于击穿临界电场，载流子数量不变，以饱和速度渡越通过漂移区。这个恒定的匀速空穴电荷流，将在外电路产生脉冲电流Ic。设：x=0，雪崩倍增产生空穴电流 I0(t)流入漂移区，任意点x，t时刻的空穴电流I(x, t)=I0(0, t-x/v)=I0(t-x/v)，则外电路电流,38波形分析：,39,其基波相对于Ia相位延迟了/2，上述分析中忽略了对相移无贡献的外电路对N+P结势垒的充电电流。设IaI的频率为f，Ic相对与Ia落后的相位为（注入相位） 令= /2，则有可见f与W成反比，上式确定的f为漂移频率。令渡越角为： =， 0，出现负阻， = 时，负阻最大。,39其基
18、波相对于Ia相位延迟了/2，上述分析中忽略了对相移,40,雪崩二极管振荡：器件结构如图雪崩二极管，雪崩二极管置于微波谐振腔中，反偏到雪崩击穿点附近，绝缘的活塞可以上下活动改变谐振频率，使f=1/(2)时，能产生频率为f的微波振荡，从耦合口输出。振荡产生过程：自激振荡、热起伏、微扰等形成广谱噪声振荡，频率为f的振荡谐振加强形成射频电压输出，负阻效应随振幅的增加而减小，电源提供的能量等于腔体的消耗时，达到稳定振荡。,40雪崩二极管振荡：,41,能量转换：直流电场将能量注入或转换成交变电场,41能量转换：,42,2.4.4 崩越二极管的等效电路 崩越二极管的等效电路出自其交流小信号分析结果。过程繁杂
19、（忽略）模型：雪崩区等效电路,422.4.4 崩越二极管的等效电路,43,崩越二极管总阻抗Z是雪崩区阻抗ZA、漂移区阻抗Zd和无源区电阻RS之和。当/4时，上式简化为C=A/W耗尽层电容第一项为有源电阻，当r时，为负阻。,43崩越二极管总阻抗Z是雪崩区阻抗ZA、漂移区阻抗Zd和无源,44,小渡越角崩越二极管的等效电路第三项是电抗性的，由等效电路图可见相当于二极管电容与电感并联的谐振电路。r 时， 0电感；r时， 0电容。,44小渡越角崩越二极管的等效电路,45,崩越二极管的交流导纳YG为导纳的实部；B为导纳的虚部。,45崩越二极管的交流导纳Y,46,2.4.5 崩越二极管的特性 1. 崩越二极
20、管的效率定义：交流输出功率Pa/直流功率Pd为崩越二极管的效率为注入相位延迟，Si: m=1/2; GaAs: m=1对理想Read二极管的尖峰脉冲近似下，Va/Vd1/2; Ia/Id 2/，因此效率大于1/ ，超过30%。实际崩越二极管的效率只达到20%以下，影响因素包括：空间电荷效应、反向饱和电流效应、少子注入电流效应、趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻效应等。,462.4.5 崩越二极管的特性,47,空间电荷效应图（a）雪崩电荷之间的电场与外电场相反可造关闭雪崩过程，减少了相位延迟。图（b）改变了电场和端电流分布，降低了效率。反向饱和电流效应反向饱和电流会使雪崩过程建立太快，从而引起雪崩相
21、位延迟减小。少子注入电流也会引起这种效应加剧。趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻会使得有效输出功率下降从而减小效率。,47空间电荷效应,48,2.崩越二极管的噪声噪声大是崩越二极管的致命缺点，其噪声电平高达20-40db。然而在微波频段崩越二极管可作为噪声源。崩越二极管的噪声可分为调幅（AM）和调频（FM），包含三部分：雪崩噪声雪崩倍增过程中的固有的扰动引起载流子电流的起伏，包括载流子电离率的起伏和载流子电离离化时间间隔的杂乱起伏。频率转换噪声主要是低频噪声经过器件的非线性变频而转换的近载波频率的噪声。热噪声器件内部的热噪声+偏置电路的热噪声，与雪崩噪声相比，热噪声可忽略。,482.崩越二极管的噪
22、声,49,崩越二极管的噪声调幅（AM）调频（FM）显然噪声特性调速管优于GaAs崩越二极管优于Si崩越二极管。,49崩越二极管的噪声调幅（AM）调频（FM）,50,3.崩越二极管的小信号Q值定义：单位时间内，储存能量和损耗能量值比与角频率的乘积为Q值（品质因数）。Wd是器件所存储的电场能，在一个振荡周期中的平均值dWd/dt是功耗，其平均值为,503.崩越二极管的小信号Q值,51,崩越二极管小信号Q值与偏置电流的关系Q0，Q绝对值越小越好，对于固定偏流，低频Q值较好；对于固定频率，较高电流Q值较好。,51崩越二极管小信号Q值与偏置电流的关系,52,4. 崩越二极管的输出功率器件的输出功率受两方
23、面限制即电学和热学限制。电学限制：Pmax=VmaxImax=(EmW)(qnvsA)式中W为器件长度；A为器件面积，由上式可见GaAs比Si器件好，上式可得到以下形式：其中XC=1/2fC，为器件的电抗；XC不变情况下，Pmax 1/f2。高频下电学限制是器件的主要限制因素。热学限制：低频下，连续工作的限制因素是器件的最大耗散功率P，稳定条件下，有上式可见减小热阻能够有效的提高功率，P与f成反比表明频率增加将减小输出功率。,524. 崩越二极管的输出功率,2.5 IMPATT制造工艺,高的载流子饱和漂移速度宽的禁带宽度低而稳定的电离率高热导,53,6. 双漂移二极管、势越二极管、俘越二极管、转移电子器件,2.5 IMPATT制造工艺高的载流子饱和漂移速度536,54,2.6 应用,542.6 应用,
