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1、第三章 半导体器件物理基础,第一节 半导体的模型 第二节 半导体中载流子的浓度与运动第三节 PN结 第四节 结型晶体管 第五节场效应晶体管,第一节 半导体的模型 1 半导体的共价键结合图1硅晶体中Si离子的示意图GaAs结构示意图 2 电子与空穴、本征激发电子空穴 3 杂质的作用 图掺有V族元素的硅、锗等半导体中的载流子即以电子为主，电子称为多数载流子，简称多子；空穴称为少数载流子，简称少子。以电子为多子的半导体，称为N型半导体，给出电子的杂质，称为“施主”.,4 能带的形成 图 核外每个电子的能量都不是任意的，而是只能取一系列分立的确定值，不同的轨道，对应不同的能量。电子的能量只能取一系列分
2、立值的这种特征，叫做电子能量“量子化”。量子化的能量值也称为“能级”能带示意图 一种晶体的各个能带，其宽度(即所占的能量范围)是一定的，与晶体内所包含的原子总数无关。能量高的能带较宽，能量低的则较窄。每一个能带里所包含的能级数目，决定于晶体内所包含的原子数。,5 能带模型中的电子与空穴 硅能带的示意图 电子自价带跃迁到导带，留下空穴 能带中的电子 带电子运动所形成的电流密度，可以表示为 电子与空穴相遇而同时消失的过程，这个过程就叫做载流子的“复合”。图能量图中，能级越高表示能量越大是针对电子来定的.图,6 杂质能级 图7 复合中心“复合中心”的作用示意图 8 多子、少子浓度间的重要关系 单位时
3、间、单位体积内复合的电子空穴对的数目为复合率。再定义产生率为：单位时间、单位体积内产生的电子空穴对数，用G代表。9 金属、半导体、绝缘体的区别 图,1 半导体中平衡载流子浓度计算计算载流子浓度的基本方法 具体的计算方法是：把导带从导带底到导带顶划分成各个不同的能量范围，先求出各个不同的能量范围内，能够容纳电子的状态数有多少，然后明确电子占据各状态的概率，二者的乘积即是在各能量范围内的电子数，最后，对各能量范围内的电子数求和，便得到导带内电子的总数。(2)函数S(E)和f(E)图T 0 K 时的费米分布函数 T=0K时金属能带被电子填充的情况(3)电子浓度和空穴浓度的计算,第二节 半导体中载流子
4、的浓度与运动,(4)费米能级的位置 本征激发的情况 杂质电离的情形 载流子浓度与温度的关系 图(5)关于费米能级的几点说明 费米能级到底标志着什么 图 费米能级与掺杂浓度和温度的关系 图 平衡状态下，整个体系的Ef应当处处相等。“简并”半导体,2 半导体中载流子的运动(1)漂移电流和迁移率带电粒子的定向运动形成电流。在外电场的作用下，带电粒子获得的定向运动，称为漂移运动，所形成的电流称作漂移电流，导体中电子的漂移电流密度为迁移率可以定义为：在单位电场强度下，载流子的平均漂移速度。(2)影响迁移率的因素 载流子在半导体内运动，将受到晶体原子、杂质、缺陷等的影响，使其运动状态发生改变，把这种作用称
5、作“散射”。电离杂质散射 图1 图2 晶格散射 图半导体晶体中原子规则排列成晶格，这些原子在其平衡位置不停地做热振动，称作晶格振动。由晶体振动引起的载流子运动状态的改变称作晶格散射。,(3)迁移率与电场强度的关系 硅中载流子漂移速度与电场强度的关系(4)载流子的扩散与扩散电流 扩散流定义为：在单位时间内，通过某一垂直扩散方向的截面的粒子数.(5)爱因斯坦关系(6)漂移与扩散同时存在的情形,在同一块半导体中，一部分呈P型，其余部分是N型，P型区与N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结。1 PN结的电流电压关系及其定性解释硅二极管的断面图PN结的电流电压关系示意图 不加外电压的情形 图(2
6、)加上外电压的情形外加正向电压外加反向电压(3)接触电势差 图,第三节 PN结,2 PN结的能带图及内建电势差 PN结的内建电势差(接触电势差)的形成 3 PN结的电流电压关系的定量分析 基本假设(2)注入少子浓度与外加电压的关系 图4 少子的复合与扩散 非平衡少数载流子的复合 图非平衡少数载流子在半导体内的扩散 图,5PN结的扩散电流PN结空间电荷区外两侧注入少子的分布 图 6 对理想情况的几点修正(1)空间电荷区的复合电流与产生电流图正向情形 每复合掉一对电子和空穴，就相当于一个电子电量流经PN结。显然，这一部分电流没有包括在前面讨论的扩散电流之内，把这一部分正向电流称为复合电流。反向情形
7、 价带中电子经复合中心进入导带，产生了电子CD2空穴对，结果使反向电流加大，这部分电流称为“产生电流”。,(2)大注入情形 硅PN结的电流电压关系曲线 图a段，即相当于小电压下，复合电流占优势，n=2b段，扩散作用加强，掩盖了复合作用，n=1。c段，相当于大注入情形，n又趋于2。d段，前面未讨论，对应极大电流，不能不考虑半导体本身电阻上的电压降的情形。各段之间的过渡阶段，n在1与2之间。7 PN结的电容效应突变结与缓变结突变结的杂质分布示意图 缓变结的杂质分布示意图,(2)空间电荷区中的电荷密度 空间电荷区中正负电量总值相等 图缓变结杂质分布的线性近似 图(3)空间电荷区中电场强度与电势V的分
8、布 突变结空间电荷密度分布图 突变结空间电荷区的电荷、电场及电势的分布 图(4)突变结的势垒电容 突变结的势垒电容Ct与外加电压U的关系 图用空间电荷区的充、放电说明势垒电容的物理意义 图,(5)扩散电容的概念PN结的另一种电容效应是扩散电容，由于正向偏置下的PN结有少子注入效应，则在空间电荷区两侧，少子扩散区内，存在着电荷的积累，这一部分电荷数量也与外加电压有关，所以，也存在着 这样一种电容效应，称为扩散电容。N型区中注入的少子空穴的空间分布 8 PN结的击穿PN结的击穿有两种：一种称作雪崩击穿；一种称作齐纳(击穿，也称作隧道击穿。(1)雪崩击穿倍增现象示意图 具有足够能量的载流子与未电离的
9、中性原子相碰撞时，能使某些共价键断开，因而产生电子 空穴对，此过程称为碰撞电离。当反向电压加大到一定程度，反向电流突然增加的现象为“雪崩击穿”现象。PN结的反向特性，UB为击穿电压 图,(2)齐纳击穿 在此强电场的作用下，有可能使价带中的电子激发到导带，称此为内部场致发射。由于这种效应使反向电流大大增加，是一种不能用雪崩倍增作用来解释的击穿过程，称此为齐纳击穿，也称隧道击穿。反向偏置下的重掺杂PN结的能带图为计算隧道穿透概率重画,(3)雪崩击穿与齐纳击穿两种机理的主要区别 雪崩击穿的碰撞电离过程中，需要有一个载流子在电场下加速累积能量的过程，要求空间电荷区有一定的宽度，倍增的作用才能显著。而在
10、隧道击穿中，只要求强电场。用光照或其他方法，以增加进入空间电荷区的载流子，则这些载流子在电场的作用下，同样会产生倍增效应，使反向电流加大，因而使雪崩击穿电压降低。这样的外界影响，对隧道击穿不起作用。隧道击穿的击穿电压随温度的升高而减少，击穿电压的温度系数为负，雪崩击穿电压是随温度升高而加大。(4)击穿特性的应用稳压二极管 最简单的稳压电路,9 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)是利用金属半导体接触电势差肖特基势垒制作的二极管。金属半导体接触的几种不同的电流电压特性 图金属半导体接触的接触电势差 逸出功又称功函数，它是使电子从材料体内进入真
11、空中所必须赋予电子的能量。金属的功函数和半导体(以N型为例)的功函数 图表面电子势能比体内高，表面处的能带向上弯曲，形成一个势垒，称作表面势垒或肖特基势垒。金属半导体接触处形成的势垒 图,(2)金属半导体接触的电流电压关系 金属半导体接触加正、反向电压时的能带图与PN结相比，其又有不同之处。肖特基势垒二极管比PN结二极管具有更高的频率响应特性。对于一定的正向电压，肖特基势垒二极管的典型电流比PN结二极管的电流约大两三个数量级。肖特基势垒二极管与PN结的正向特性对比 图 当反向电压足够高时，肖特基势垒二极管也将发生雪崩击穿。金属与N型半导体接触在WmWs情况下的能带图半导体表面存在“表面能级”时
12、，表面处即已存在势垒 图,晶体管分两大类：一类为结型晶体管，或称双极型晶体管，习惯上称作晶体管；一类为场效应晶体管，或称单极型晶体管。1 晶体管的描述工作原理的定性说明 如果把一个信号加于发射结，使发射极电流随信号改变，则能在集电极的电流变化中，把这个信号重现出来。这就是晶体管的基本工作原理。PNP 晶体管的基本结构 图PNP 晶体管和 NPN 晶体管的电路符号图,第四节 结型晶体管,(2)能带图PNP晶体管的能带图 晶体管中载流子的流通图(以PNP管为例)(4)三种连接方式 晶体管的三种连接方式(以PNP管为例)图晶体管在电路中的连接共有三种方式，即共基极连接、共发射极连接和共集电极连接，但
13、在实际使用中要使它们具有放大作用，三种连接方式均需使发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。,2 与载流子的传输过程有关的几个参数(1)注入效率发射极电流中，空穴电流成分与总电流之比，称为注入效率(2)传输系数定义：即集电极电流Ic中的空穴成分与发射极电流Ie 中的空穴成分之比。有效基区宽度示意图(3)共基极直流电流放大系数 ICBO定义为：发射极与基极间开路时，基极与集电极之间的反向饱和电流(或称反向漏电流)。它是由集电结两侧的少子集电区的电子和基区的空穴组成。(4)共发射极直流电流放大系数R的作用将使 CE 间的电流小于I CEO 图,3 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线是晶体管内部所发生的物
14、理过程的反映，表征了晶体管性能的优劣。输入端与公共端之间的电流CD*2电压关系，称作输入特性；输出端与公共端之间的电流电压关系，称作输出特性。把特性用曲线的形式来表示，即得特性曲线。(1)共基极连接的特性曲线 输入特性 共基极连接输入特性曲线 图基区宽度调制效应示意图 图 输出特性 把特性曲线分为四个区，分别标明“放大区”、“截止区”、“饱和区”、“击穿区”晶体管共基极连接输出特性曲线 图随|Ucb|增大Ic微微向上倾斜 图,(2)共发射极连接的特性曲线 共发射极连接的输入、输出特性曲线 图 输入特性 输出特性 有效基区宽度变窄少子浓度梯度加大 图晶体管的输出特性曲线族 图,4 晶体管的运用特
15、性描述晶体管频率特性的参数 晶体管的频率特性，、与f的关系曲线 图 共基极交流短路电流放大系数 的截止频率(或称共基极截止频率)f。共发射极交流短路电流放大系数 及其 的截止频率(或称共发射极截止频率)f。特征频率f T 最高振荡频率fm(2)晶体管频率特性的定性解释,(3)响应晶体管频率特性的几个因素 发射结势垒电容时间常数e 基区渡越时间常数b 基区积累电荷的计算(图示)图 集电结空间电荷区渡越时间常数d 集电结势垒电容时间常数c 晶体管的总延迟时间,(4)晶体管的大电流特性及安全工作区晶体管的与IC的关系曲线图 晶体管的大电流特性。晶体管的最大耗散功率Pcm和安全工作区 晶体管安全工作区
16、的示意图 图(5)晶体管的开关特性 PN结的开关特性。PN结的偏置电压由正突变为负时，结电流电压随时间的瞬变过程 图反向瞬变过程的产生，是由正向导通时电荷的累积引起的，这种累积现象称作电荷储存效应。电荷储存效应 图瞬态过程中，N型区少子空穴分布的变化 图,晶体管的开关运用 晶体管作为开关运用的电路图 图 饱和区的解释 饱和区的特点是发射结和集电结均为正向偏置 开关运用情况下的三个区中少子分布图 图 瞬变过程及开关时间 晶体管的瞬变过程 图,场效应晶体管又分成两大类：一类称结型场效应晶体管(JFET)；另一类称绝缘栅型场效应晶体管(IGFET)1 JFET的基本结构与工作原理JFET的基本结构J
17、FET 的物理结构示意图 图（2)器件的沟道电导(3)器件的类型和代表符号 场效应器件除了有N沟和P沟的区分外，按零栅压时器件的工作状态，又可分为耗尽型(常开)和增强型(常关)两大类。JFET和MESFET总共可分成N沟耗尽型、增强型；P沟耗尽型、增强型四大类 JFET和MESFET的电气图形符号 图(4)工作原理,第五节 场效应晶体管,2 JFET 的源 漏极间电流 电压关系的定性说明 JFET的结构及偏置电路示意图 图Ugs=0的情形 JFET的IU关系的定性说明 图Id-Uds曲线 图(2)Ugs0的情形 N沟JFET Ugs0时与Ugs=0时的电流电压特性曲线的区别 图沟道夹断示意图
18、图JFET的特性曲线族及参数 FET输出特性 图转移特性曲线 图 输出电阻(或称沟道电阻)rd定义 输出曲线倾斜 图 跨导gm定义,4 MESFET的特性 MESFET的结构示意图 图两种MESFET的特性比较 图JFET和MESFET与双极型晶体管相比，它主要具有 的特点,MIS结构的电场效应 MIS结构示意图 图MIS结构中空间电荷区产生的说明 图结构的空间电荷区中电场强度及电位的分布 图金属、绝缘体层和半导体(N型)的能带图 图 MOS结构，UGS=0的情形 图UGS=0，MOS系统各部分的费米能级在同一水平上(2)MOS结构，UGS0的情形 图MOS系统在UGS0的情况下的能带图及电荷
19、分布图(3)MOS结构，UGS0的情形 图MOS系统在UGS0的情况下的能带图及电荷分布图(4)MOS结构，UGS0的情形 图MOS系统中半导体的反型层的形成,6MOSFET的工作原理 MOS场效应晶体管结构示意图 图MOS场效应晶体管中P型半导体强反型的能带与电荷分布图 图MOS场效应晶体管工作原理的说明 图MOS场效应晶体管的电流电压特性曲线 图MOS场效应晶体管的曲线族 图,7 MOSFET的特性及参数(1)MOSFET的种类四种MOSFET的特性综述 图(2)简单的电流电压方程(3)MOSFET的转移特性 增强型N沟MOS场效应晶体管的特性曲线族及转移特性图8 MOSFET的电容 MO
20、S场效应晶体管的电容效应 图,金刚石结构,四面体,共价键,返回,返回,返回,返回,(a)键上电子一旦自由，一定留下空位；(b)键上空位的转移,返回,杂质磷原子的未成键电子的自由化 杂质硼原子的键上空位空穴,返回,硅原子的能级示意图,返回,返回,返回,(a)导带中电子导电示意图；(b)满带中电子无导电能力,返回,返回,返回,(a)施主能级在禁带中的位置(b)受主能级在禁带中的位置,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)电子与电离施主散射；(b)空穴与电离施主散射,返回,载流子热运动的速度影响，电离杂质散射造成的运动轨迹偏转,返回,硅中电子迁移率随温度的变化,返回
21、,返回,返回,返回,PN结的空间电荷区中的电场,返回,PN结的空间电荷区中的电势及载流子势能随位置的变化,返回,返回,返回,返回,非平衡少子的扩散长度反映少子在中性区中深入的程度,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)零偏压；(b)反向偏置；(c)正向偏置,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)平衡状态；(b)加正向电压；(c)加反向电压,返回,返回,(a)接触前；(b)紧密接触后,返回,返回,返回,返回,返回,(a)共基极；(b)共发射极；(c)共集电极,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)输入特性；(b)输出特性,返
22、回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)t=0，输入电压由正突变为负；(b)突变后，结电流随时间的变化；(c)突变后结电压随时间的变化,返回,(a)正向时，N型区少子空穴的分布(b)反向时，N型区少子空穴的分布,返回,返回,(a)电路图；(b)输出特性及负载线,返回,返回,(a)基极输入脉冲电压波形；(b)基极电流变化波形；(c)集电极电流随时间的变化,返回,返回,返回,返回,(a)无外加电压的情形(b)Uds0，电流从D到S，IU关系是线性的(c)Uds增加，D端沟道变窄电阻加大，IU关系曲线斜率减小；(d)沟道“截断”，沟道电流饱和IU特性曲线变平；(e)Uds继续增加，沟道夹断区扩大，但电流仍维持不变,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)N沟耗尽型；(b)N沟增强型,返回,返回,返回,返回,(a)金属；(b)绝缘体层；(c)半导体（N型）,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,(a)反型层已形成(b)漏端沟道变窄(c)漏端沟道夹断(d)漏端沟道夹断点向源端移动，L出现,返回,返回,返回,返回,返回,返回,
