尼曼 半导体物理与器件第十二章 ppt课件
半导体器件的基础知识幻灯片PPT
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
半导体物理与器件-Neamen版
饱和蒸汽密度表表中压力为绝对压力，密度单位为kg/m3温度(t)℃压力(P)MPa 密度(ρ)温度(t)℃压力(P)MPa 密度(ρ)1000.10130.59771280.2543 1.4151010.10500.61801290.2621 1.4551020.10880.63881300.2701 1.4971030.11270.66011310.2783 1.5391040.11670.68211320.2867 1.5831050.12080.70461330.2953 1.6271060.12500.72771340.3041 1.6721070.12940.75151350.3130 1.7191080.13390.77581360.3222 1.7661090.13850.80081370.3317 1.8151100.14330.82651380.3414 1.8641110.14810.85281390.3513 1.9151120.15320.87981400.3614 1.9671130.15830.90751410.3718 2.0191140.16360.93591420.3823 2.0731150.16910.96501430.3931 2.1291160.17460.99481440.4042 2.1851170.1804 1.0251450.4155 2.2421180.1863 1.0571460.4271 2.3011190.1923 1.0891470.4389 2.3611200.1985 1.1221480.4510 2.4221210.2049 1.1551490.4633 2.4841220.2114 1.1901500.4760 2.5481230.2182 1.2251510.4888 2.6131240.2250 1.2611520.5021 2.6791250.2321 1.2981530.5155 2.7471260.2393 1.3361540.5292 2.8161270.2467 1.3751550.5433 2.8861560.5577 2.958184 1.0983 5.6291570.5723 3.032185 1.1233 5.7521580.5872 3.106186 1.1487 5.8771590.6025 3.182187 1.1746 6.0031600.6181 3.260188 1.2010 6.1311610.6339 3.339189 1.2278 6.2641620.6502 3.420190 1.2551 6.3971630.6666 3.502191 1.2829 6.5531640.68353.586192 1.3111 6.6711650.7008 3.671193 1.33976.8121660.7183 3.758194 1.3690 6.955 1670.7362 3.847195 1.39877.100 1680.7544 3.937196 1.42897.248 1690.7730 4.029197 1.45967.398 1700.7920 4.123198 1.49097.551 1710.8114 4.218199 1.52257.706 1720.8310 4.316200 1.55487.864 1730.8511 4.415201 1.58768.025 1740.8716 4.515202 1.62108.188 1750.8924 4.618203 1.65488.354 1760.9137 4.723204 1.68928.522 1770.9353 4.829205 1.72428.694 1780.9573 4.937206 1.75978.868 1790.9797 5.048207 1.79599.045 180 1.0197 5.160208 1.83269.225 181 1.0259 5.274209 1.86999.408 182 1.0496 5.391210 1.90779.593 183 1.0737 5.509211 1.94629.782 212 1.98529.974231 2.849114.25 213 2.024810.17232 2.901014.52 214 2.065010.37233 2.954614.78 215 2.105910.57234 3.008515.05 216 2.147410.77235 3.063115.33 217 2.189610.98236 3.118515.61 218 2.232311.19237 3.174615.89 219 2.275711.41238 3.231616.18 220 2.319811.62239 3.289216.47 221 2.364511.84240 3.347716.76 222 2.409812.07241 3.407017.06 223 2.455912.30242 3.467017.37 224 2.502612.53243 3.527917.68 225 2.550012.76244 3.589717.99 226 2.598113.00245 3.652218.31 227 2.646913.24246 3.715518.64 228 2.696313.49247 3.779718.97 229 2.746613.74248 3.844819.30 230 2.797514.00249 3.910719.64过热蒸汽密度表过热蒸汽是对应于当时压力下的饱和温度而言的，同样压力下的蒸汽，在饱和点的温度就是饱和温度。
最新半导体器件12ppt课件
输出特性曲线
(1-27)
1.4.3 特性曲线
IB
A
RB
V UBE
IC mA
EC V UCE
EB
实验线路
(1-28)
一、输入特性
UCE=0V
80
UCE =0.5V
IB(A)
UCE 1V
60
死区电 压，硅管
40
0.5V，锗 20
管0.2V。
工作压降： 硅管 UBE0.6~0.7V,锗 管UBE0.2~0.3V。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
(1-1)
整流管
普通二极管
开关管
塑料封装小功率管 塑料封装中功率管
金属封装小功率管 金属封装大功率管
(1-20)
2.结构 三极管的核心是两个互相联系的PN结，按两个PN结的组 合方式不同，可分为NPN型和PNP型两类。
PNP型三极管
NPN型三极管
三极管内部有发射区、基区和集电区，引出电极分别为发 射极e、基极b、集电极c。发射区与基区之间的PN结称为发射 结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。
NPN管偏置电路
PNP管偏置电路
电源VCC通过偏置电阻Rb为发射结提供正向偏置， RC阻值小于Rb阻值，所以集电结处于反向偏置。
(1-25)
三、三极管的特性曲线 1．输人特性曲线
输人特性曲线是反映三极管输人回路电压和电流关系的曲线，它是在输出电压 VCE为定值时，iB与vBE对应关系的曲线。
半导体器件物理PPT课件
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
半导体与器件物理全套课件
微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
2006 0.10 1.5—2
2009 0.07 <1.5
2012 0.05 <1.0
栅介质的限制
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
随着 tgate 的缩小，栅泄 漏电流呈指数性增长
栅介质的限制
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减 少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数
在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM…
10nm ? Atomic level?
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在 0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发
半导体物理与器件第十二章MOSFET概念深入
2 s ( fp VDS ( sat ) ) eN a
(结反偏压 fp VDS ( sat ) )
2 s 沟道夹断后漏 衬结空间电荷区宽度 x p 2 ( fp VDS ( sat )＋VDS )(结反偏压 fp VDS ( sat )＋VDS eN a
夹断区长度ΔL x p 2 x p1
2 E s sat eN a 2
2
2 s [ fp (VDS VDS ( sat ) ) sat eN a
其中sat
7
12.1 非理想效应
沟道长度调制效应:影响因素
ID的实测值高于理论值
在饱和区，实测ID随VDS 增加而缓慢增加
ΔL
2 s [ fp (VDS VDS 源自 sat ) ) sat eN a
典型值0.03
WCox ID L
VDS
0
1 [VGS VTn V ( x)]
0
[VGS VTn V ( x)]dVx
随VGS-VTn↑而↑变缓
10
1 1 (VGS VTn VDS ) VDS ln 1 (VGS VTn )
12.1 非理想效应
沟道长度调制效应:模型2
dE ( x) dx s
夹断区横向电场满足的一维泊松方程
夹断区的电荷密度 ( x) eN （与空间座标无关） a
eNa x 夹断区内x点的电场强度 E(x) dx Esat Esat (边界条件E s 0 s
9
12.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(2)
有效迁移率：
1
尼曼 半导体物理与器件第十二章
处过剩少子浓度为零。
①基区
–稳态下，过剩少子电子浓度可通过双极输运方程得到。
–中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程
DB2n xB 2xnB B0x0
通解表示为
nBxAexpL xBBexp LB x
• 双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性 不同的载流子运动。
– 双极晶体管中有2个pn结，结电压的正负情况可以有多种 组合，导致器件有不同的工作模式。
– 是一种电压控制的电流源。 – 两种等效电路模型，适用于不同的情况。
12.1 双极晶体管的工作原理
• 三个掺杂不同的扩散区、两个pn结
– 三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C） – 相对于少子扩散长度，基区宽度很小 – 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
nB0nB0
expVVBtE
iC e D x n B A B E n B 0 e x p V V B tE 仅 考 虑 大 小 Ise x p V V B tE
集电极电流
基极和发射
极间的电压
晶体管基本工作原理：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制
• 发射极电流：
一部分电流是发射区注入基区的电子电流，即iC。
注入到基区；
B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处， 少子电子的浓度为零。
图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入 的电子会越过基区扩散到B-C结的空间 电荷区，那里的电场会把电子扫到集电 区。
为了使尽可能多的电子到达集电区，而 不是和基区多子空穴复合；与少子电子 扩散长度相比均，匀基掺区杂宽的度n必nppn须n型型很双双小极极。晶晶体体管管的的理横想截化面掺图杂浓度分布图 当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-
物理半导体器件物理PPT课件
部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．
《半导体器件》课件
总结词
高效转换，环保节能
详细描述
在新能源系统中，半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如，太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能，而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质， 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点，使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时，集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成，如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结，是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通，反向截止
详细描述
在正向偏置条件下，双极晶体管呈现低阻抗，电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下，双极晶体管呈现高阻抗， 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用，基础元件
详细描述
在电子设备中，半导体器件是最基本的元件 之一，用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如，二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输，信号处理
详细描述
在通信系统中，半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如，激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件
半导体物理基楚信息功能材料ppt课件
图1-5基本结构示意图
图1-6 p-n结的形成
12
❖ 单纯的p型或n型半导体，仅仅是导电能力增强而 已，还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时，由于p型半导体的空穴浓的高，自 由电子的浓度低；而n型半导体的自由电子浓度高， 空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。
9
3、 杂质的补偿作用
❖ 实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿 作用：
❖ 若nd na——为n型（施主） ❖ 若nd na——为p型（受主） ❖ 利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
10
综上所述
Ⅲ族元素 Ⅴ族元素
掺入半导体， 分别成为
受主杂质 施主杂质
7
❖ 1、N型半导体
❖ 四价的本征半导体 Si 、Ge等，掺入少量五价的杂质元素 （如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。
❖ 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, 杂质电离能∆ED～10-2eV，极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。
在n型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子
在禁带中引入了 新的能级，分别为
常温下，杂质都 处于离化态
受主能级：比价带顶高ΔEA 施主能级：比导带底低ΔED
受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心
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B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处， 少子电子的浓度为零。
图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入 的电子会越过基区扩散到B-C结的空间 电荷区，那里的电场会把电子扫到集电 区。
为了使尽可能多的电子到达集电区，而 不是和基区多子空穴复合；与少子电子 扩散长度相比均，匀基掺区杂宽的度n必nppn须n型型很双双小极极。晶晶体体管管的的理横想截化面掺图杂浓度分布图 当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-
高等半导体物理与器件
高等半导体物理 与器件
第十二章 双极晶体管
PPT课件
0
高等半导体物理与器件
主要内容
• 双极晶体管的工作原理 • 少子的分布 • 低频共基极电流增益 • 非理想效应 • 等效电路模型 • 频率上限 • 大信号开关 • 小结
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1
高等半导体物理与器件
• 晶体管基本工作原理：在器件的两个端点之间施加 电压，从而控制第三端的电流。
高等半导体物理与器件
（2）晶体管电流的简化表达式
短基区
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理想情况下， 基区少子电子 浓度是基区宽 度的线性函数， 表明没有复合 发生。电子扩 散过基区，后 被 B-C 结 空 间 电荷区电场扫 入集电区。
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高等半导体物理与器件
• 集电极电流：扩散电流
iC
eDn ABE
dn x
dx
③B-E正偏，B-C正偏：饱和。
④ B-E反偏，B-C正偏：反向有 源区。
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高等半导体物理与器件
（4）双极晶体管放大电路
• 双极晶体管和其他元件相连， 可实现电压、电流放大。
• 正向有源区，电压增益，电压
放大器
共射
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高等半导体物理与器件
12.2 少子的分布
双极晶体管的电流是由少子的扩散决定的。
I sE
exp
VBE Vt
α称为共基极电流增益。该增益尽可能接近1。
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• 基极电流：
一部分电流iBa是B-E结电流，即iE2。
iE 2
Is2
exp
VBE Vt
另一部分是基区空穴复合电流，记为即iBb。 直接依赖于基区中少子电子的数量。
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（1）正向有源模式：B-E结正偏，B-C结反偏
• 均匀掺杂npn双极晶体管。
• 单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采用正 的坐标值。
• 中性集电区长度比集电区内少子扩散长度大得多。
• 中性发射区有限长，假设x′=xE处表面复合速率无限大，即此 处过剩少子浓度为零。
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12.1 双极晶体管的工作原理
• 三个掺杂不同的扩散区、两个pn结
– 三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C） – 相对于少子扩散长度，基区宽度很小 – 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
• pn结的结论将直接应用于双极晶体管的研究
• 双极晶体管不是对称器件，包括掺杂浓度和几 何形状
• 最基本的三种晶体管：双极晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管。
• 双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性 不同的载流子运动。
– 双极晶体管中有2个pn结，结电压的正负情况可以有多种 组合，导致器件有不同的工作模式。
– 是一种电压控制的电流源。 – 两种等效电路模型，适用于不同的情况。
iBb
exp
VBE Vt
iC 常数
iB
总的基极电流为：
iB
iE 2
iBb
exp
VBE Vt
β为共发射极电流增益，其值远大于1（数量级为100或更大）。
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（3）工作模式
共射
①B-E反偏，B-C反偏：截止。
②B-E正偏，B-C反偏：正向有 源区。
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(a)npn型(b)pnp型双极晶体管的简化结构图及电路符号
(a)集成电路中的常规npn型双极晶体管(b)氧化物隔离的npn型双极晶体管截面图
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B高-等E半结导正体偏物理，与B器-件C结反偏（正向有源模式）-共基
B（-E结1正）偏基：电本子从工发作射区原越理过发射结
x LB
边界条件：
B-E结正偏
nB
0
nB0
exp
eVBE kT
1
B-C结反偏 nB xB nB0
通过线性近似得：
nB
x
nB0 xB
exp
eVBE kT
1 xB
x
x
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• 发射极电流：
一部分电流是发射区注入基区的电子电流，即iC。
iC
Is
exp
VBE Vt
另一部分电流是正偏B-E结电流，即iE2。
iE 2
Is2
exp
VBE Vt
总的发射极电流为：
iC 常数
iE
iE
iC
iE2
E结图电中压显和示B-了C结正电向压有的源函数模。式下电子从n型发射区注入（因此称为发 两射个区结距）离和很电近子—在—互集作电用区pn被结收。 集（因此称为集电区）的截面图
(a)npn型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况(b)工作于正向有源区，npn型 双极晶体管中少子的分布(c)零偏第和十正二P章P向T双课有极件晶源体管区时，npn型双极晶体管的能带图 5
eDn ABE
nB 0 0
0 xB
nB
0
nB0
exp
ห้องสมุดไป่ตู้
VBE Vt
iC
eDn ABE xB
nB0
exp
VBE Vt
仅考虑大小I
s
exp
VBE Vt
集电极电流
基极和发射
极间的电压
晶体管基本工作原理：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制
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①基区
–稳态下，过剩少子电子浓度可通过双极输运方程得到。
–中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程
2
DB
nB x
x2
nB x 0
B0
通解表示为
nB
x
A exp
x LB
B
exp
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②发射区
–同样，使用稳态下过剩少子的双极输运方程
2
DE
pE x