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1、1,平衡情况下的PN结,耗尽区 准中性区,2,正向偏置的PN结情形,正向偏置时的能带图,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,电子和空穴扩散电流相加,导通电压后，电流指数增加,非平衡情况下的PN结,3,4,PN结的反向特性,反向偏置时的能带图,反向偏置时，漂移大于扩散,5,N区中空穴、P区中的电子在耗尽区边界被反向抽取,少子运动：电流小； 边界处少子变化量不超过平衡少子浓度：电流趋于饱和,6,反向电流,边界少子注入很多 光照: 光电二极管（光电探测）,7,PN结的I-V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
2、电流 反向截止，少数载流子漂移电流,正向导通电压Vbi0.7V(Si),反向击穿电压Vrb,8,PN结的击穿：击穿电压：PN结承受的反向偏压的上限,雪崩击穿： 空间电荷区电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，产生电子空穴对 碰撞电离 载流子倍增,齐纳/隧穿击穿：电场,9,光照的影响：不影响隧穿击穿；影响雪崩击穿 温度的影响：隧穿击穿负温度系数（温度增加，禁带宽度减小）；雪崩击穿正温度系数,10,PN结电容: 1. 耗尽层电容,平行板电容器：电容不随电压V变化 PN结势垒电容是偏压V的函数 ：微分电容,varactor,+,-,V,P+,N,xd,V变化，电荷量变化： 电荷在空间电荷区两边变
3、化，距离Xm 类似电容器,多数载流子快速地流入或流出受影响的区域,11,2. 扩散电容：正向时显著 与少子扩散区中过剩载流子存储有关 当二极管处于正向偏置时，在邻近耗尽层的准中性区内出现了明显的少数载流子积累现象。随着交流信号的变化，少数载流子电荷的涨落引起额外的电容 少数载流子是否能够跟上信号的变化？ 扩散电容、电导的频率相关性,12,二 双极晶体管,双极晶体管（BJT）的基本结构 工作原理：电流输运特性 基本特性 直流特性 频率特性 双极晶体管的特点 目前BJT的结构,在高速电路，模拟电路，功率电路占主导地位，尤其在高速电路领域,13,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,
4、分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,14,15,二 双极晶体管,双极晶体管（BJT）的基本结构 工作原理：电流输运特性 基本特性 直流特性 频率特性 双极晶体管的特点 目前BJT的结构,16,正常使用条件下，晶体管的发射结加正向小电压，正向偏置，收集结加反向大电压，反向偏置,工作机制 NPN管,工作基础,非平衡少子扩散运动,17,NPN晶体管的电流输运,Ine= Ic+ Irb,In(X2)= In(X1)+ Irb,Ie= Ine+ Ipe,Ib= Ipe+ Irb,Ine Ipe,Ic Irb,Ie= Ib+ Ic,18,NPN晶体管的几种组态,共基极: 共发射极
5、共收集极,共基极电流放大系数,共发射极电流放大系数,19,二 双极晶体管,双极晶体管（BJT）的基本结构 工作原理：电流输运特性 基本特性 直流特性 频率特性 双极晶体管的特点 目前BJT的结构,20,晶体管的直流特性,共基极的直流特性曲线,共基极运用:无电流放大 但收集极可接阻抗较大的负载：电压放大和功率放大,21,晶体管的直流特性,共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,共发射极电流放大系数,与共基极特性曲线可以转换,BE结 BC结 截止 反偏 反偏 放大 （正向） 正偏 反偏 饱和 正偏 正偏,22,求解集电极电流IC 均匀材料、均匀掺杂 主要是扩散作用 考虑非均匀掺
6、杂带来的自建电场 漂移作用,23,非均匀基区掺杂情况,基区复合电流,发射区空穴注入电流,24,提高电流放大系数,主要因素 发射结注入效率 降低基区向发射区注入的空穴 降低基区掺杂浓度，提高发射区的浓度很高 能带工程 基区输运系数* 薄基区 提高基区载流子寿命,25,晶体管的特性参数,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 电流放大系数,Iceo(o+1)Icbo,26,晶体管的击穿电压,Bvcbo：集电结反向击穿电压：Icbo趋向无穷大时所对应的
7、电压 Bvceo：集电极-发射极反向击穿电压：共发射极运用时，收集极-发射极间所能承受的最大反向电压 Bvebo：发射结反向击穿电压,BVeeo晶体管的重要直流参数之一,27,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： 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,增加ft主要途径：降低电阻，提高IC（提高电流增益），降低电容,28,二 双极晶体管,双极晶体管（BJT）的基本结构 工作原理：电流输运特性 基本特性 直流特性 频率特性 双极晶体管的特点 目前BJT的结构,29,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸用扩散、
8、注入、外延等工艺控制，与光刻尺寸关系不大,可获得高fT,高速应用,整个发射区上有电流流过,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,开启电压Vbe与尺寸、工艺无关,涨落小，可获得小的电压摆幅，小的失调,模拟电路,IC直接由输入电压控制,直接受电压控制载流子密度的三端器件中，跨导最高,30,缺点 需要输入电流，静态功耗大 饱和工作（Vbe0、Vbc0），过剩电荷贮存，开关速度 Vt不能作为设计参数,设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,31,当代BJT结构：多晶硅发射极双极晶体管,特点： 深槽隔离： 节省面积 多晶硅发射极 多晶硅基极接触（自对准： 节省面积、降低
9、电阻,P+ poly Si,掺杂多晶硅作扩散源形成发射极和外基区，多晶硅作发射区和基区接触,32,三 MOS结构,33,MOS结构,MOS结构 MOS结构表面空间电荷层的六种基本状态 理想MOS结构的C-V特性 非理想MOS结构的C-V特性 MOS结构的应用之一varactor,34,MOS结构： MOSFET、电荷耦合器件等的核心 RF电路中的 varactor等 可以用于监测MOS工艺，预测MOS管性能,MOS 电容的结构,两个电极,35,MOS结构中的电荷和电势 电势： Vg=VOX+s+ ms 电荷平衡： Qg+Qo+Qs =0 Qg ：Vg在栅电极上引起的电荷 Qo：氧化层缺陷引起的
10、等效电荷 Qs：硅中感应的电荷,36,MOS结构,MOS结构 MOS结构表面空间电荷层的六种基本状态 理想MOS结构的C-V特性 非理想MOS结构的C-V特性 MOS结构的应用之一varactor,37,正电荷积累，屏蔽负电场，终止电力线 能带,平带 Vs=0,加偏压后表面空间电荷层的六种状态：积累、平带、耗尽、本征、反型、深耗尽: 1. 半导体表面电荷 2.能带变化,38,耗尽关键参量xd xd随s增大而增大,表面本征 Ef与Ei表面重合,39,反型,强反型条件 s=2 b,EfEi，开始反型,两部分电荷：反型层耗尽层电荷,强反型：耗尽层宽度达最大，反型层中电子浓度与表面势成 指数关系，相当
11、于屏蔽层,40,反型层中少子的来源： 空间电荷区中晶格热振动产生的电子、空穴对，产生的电子在电场作用下漂移进入反型层（2） 与界面陷阱相关产生的电子（3） 从半导体内部产生并扩散到反向偏置 的表面空间电荷区边缘，再通过漂移 进入反型层（1）,41,形成反型层所需的时间： 出现高频C-V与低频C-V特性不同的原因,0=1s， Ns=1015cm-3，t=0.2s,42,深耗尽状态：Vg以脉冲形式加上，表面处于非平衡状态,直流扫描电压变化快 10V/s 无时间建立Qinv 反型层不存在,强反型,深耗尽,43,44,MOS结构,MOS结构 MOS结构表面空间电荷层的六种基本状态 理想MOS结构的C-
12、V特性 非理想MOS结构的C-V特性 MOS结构的应用之一varactor,45,与频率相关,46,MOS电容求解,47,理想性假设： 金属栅足够厚，在交流和直流偏置条件下可以看作是一个等势区； 氧化层是一个完美绝缘体，静态偏置条件下没有电流流过氧化层； 在氧化层中或氧化层半导体界面没有电荷中心； 半导体均匀掺杂； 半导体足够厚，有中性硅体区； 半导体与器件背面金属之间处于欧姆接触； MOS电容是一维结构 MS,48,49,从积累到耗尽不是突变 Css/Ld,50,51,52,深耗尽,直流电压扫描很快10V/s 与交流电压的频率无关,频率的特性,DC平衡 AC平衡,DC平衡 AC非平衡,DC非
13、平衡 AC非平衡,54,在反型区的C-V关系与频率相关 低频C-V与高频C-V的差别来源于反型层形成的频率响应,低频 LF：Qinv的变化能跟上交流信号的变化 高频HF：Qinv的变化跟不上交流信号的变化（105Hz）,交流信号,可以从温度、光照的影响实验得到反映 温度增大，趋于低频特性 少子产生率增大 光照增大，趋于低频特性 少子产生率增大，充放电跟上变化,MOS电容有频率特性 MOSFET的反型电容不受频率限制，可在高频下工作,57,思考题,假设有如图的MOS电容的理想低频C-V特性（DC和AC平衡），请在以下情况下在原图中重画C-V曲线 1. 衬底掺杂浓度增大到原来的10倍 2. 氧化层厚度增大到原来的2倍,CG,VG,58,有一块半导体同时掺有Na和Nd, 在下列情况下画出费米能级的位置,Ec,ENd,ENa,Ei,Ev,Ec,ENd,ENa,Ei,Ev,NdNa,Nd10Na,