半导体器件物理(第五章)_59230712
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(完整版)半导体物理知识点及重点习题总结
基本概念题：第一章半导体电子状态1.1 半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。
1.2能带晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。
答：能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。
通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。
单电子近似：将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似：近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法答案：克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。
由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。
从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带1.3有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的E-k关系决定。
1.4本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。
它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。
半导体物理第五章(教材)
05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时，会产生热电势差，即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应，可以制作出温差电器件，如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件，以适应体技术与其他领域（如生物、医学、环境等）的交叉融合，将 产生新的应用方向和产业机遇。
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感谢您的观看
致冷器件
利用帕尔贴效应，可以制作出致冷器 件，如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念，以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
03
半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷，具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷，具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结
第五章结•平衡态PN结；•PN结的伏安特性；•PN结的电容；•PN结的击穿特性；•PN结二极管的开关特性；•金-半肖特基接触和欧姆接触；•异质结：半导体器件的基本结构－PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡情况下净电流为零。
平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷区正负电荷相等；•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；•热平衡情况下费米能级保持水平；•空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。
在该区域：导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =正向电压下的窄势垒模型•势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平；•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费米能级。
该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
•因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区边界计算电流。
•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
•在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
VGS=0，VDS、VBS一定值时 MOSFET导通，ID≠0，耗尽型 MOSFET不导通，ID=0，增强型
29 PPT课件
30 PPT课件
五、MOSFET的电容和频率特性
MOSFET的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中 的电荷存储效应引起的。MOSFET中的存储电荷主要 包括：
• 反型层或沟道的反型电荷Qi • 沟道下面的耗尽区体电荷QB • 栅极电荷QG （QG＝Qi＋QB）
同变化对沟道的影响,见右图。
对N型沟道和P型衬底之间的PN结来讲， 结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。 靠近源端处PN结为正偏，而在靠近漏端 处的那部分PN结为反偏，因此，衬底和 沟道之间的PN结在靠近源端和靠近漏端 处的耗尽层宽度是不同的。从而，沟道 的截面积也不相等，靠源端处沟道的截 面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏 断处的沟道截面积最小。
3 PPT课件
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET
(Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET
( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET
VT
漏极电流对栅极信号电压的响应是通过载流子在沟道中的输运 实现的，载流子从源到漏的运动需要一定时间、因而栅极加了 外来信号，漏极并不立即产生输出，延迟决定了截止频率fT。
34 PPT课件
六、MOSFET的技术发展
35 PPT课件
The Ideal MOS Transistor
v衬底的变化 v栅的变化 v沟道的变化 v源漏的变化 v工作机制的
29 PPT课件
30 PPT课件
五、MOSFET的电容和频率特性
MOSFET的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中 的电荷存储效应引起的。MOSFET中的存储电荷主要 包括：
• 反型层或沟道的反型电荷Qi • 沟道下面的耗尽区体电荷QB • 栅极电荷QG （QG＝Qi＋QB）
同变化对沟道的影响,见右图。
对N型沟道和P型衬底之间的PN结来讲， 结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。 靠近源端处PN结为正偏，而在靠近漏端 处的那部分PN结为反偏，因此，衬底和 沟道之间的PN结在靠近源端和靠近漏端 处的耗尽层宽度是不同的。从而，沟道 的截面积也不相等，靠源端处沟道的截 面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏 断处的沟道截面积最小。
3 PPT课件
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET
(Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET
( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET
VT
漏极电流对栅极信号电压的响应是通过载流子在沟道中的输运 实现的，载流子从源到漏的运动需要一定时间、因而栅极加了 外来信号，漏极并不立即产生输出，延迟决定了截止频率fT。
34 PPT课件
六、MOSFET的技术发展
35 PPT课件
The Ideal MOS Transistor
v衬底的变化 v栅的变化 v沟道的变化 v源漏的变化 v工作机制的
半导体器件物理第五章 施敏 第二版
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO
ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
[物理]半导体器件物理ppt
![[物理]半导体器件物理ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/4aaa424c7375a417866f8ffb.png)
V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。 在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗 尽 时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反 型 时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型 当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0： 空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0： 平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB： 禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)．
半导体物理复习教案..
第一章
1.2 硅和锗的能带结构
--- 硅的能带结构
Eg(300K)=1.12eV 间接带隙结构 禁带宽度随温度增加而减小
QUST 半导半体导物理体物理
第一章
--- 锗的能带结构
Eg(300K)=0.67eV 间接带隙结构 禁带宽度随温度增加而减小
QUST 半导半体导物理体物理
第一章
--- 砷化镓的能带结构
第三章
Ef~ ND（强电离，室温） －费米能级：反应半导体导电类型和掺杂水平
QUST 半导半体导物理体物理
ND高 强n 型
ND低 弱n 型
ND≈NA 本征型
NA低 弱P 型
NA高 强P 型
QUST 半导半体导物理体物理
3.4简并半导体
3.4.1 简并半导体的载流子浓度 －单一杂质，n 型半导体，处于强电离区（饱和区）
Semiconductor Physics
4.3.2 电阻率与温度的关系
杂质半导体
载流子来源 迁移率因素
QUST 半导半体导物理体物理
杂质电离1 本征激发2 电离杂质散射3 晶格散射4
思考题
QUST 半导半体导物理体物理
什么是迁移率？迁移率的影响因素有哪些？
第一章
QUST 半导半体导物理体物理
QUST 半导半体导物理体物理
引进有效质量的概念后，电子在外电场作用下的表现和自由 电子相似，都符合牛顿第二定律描述 3.1.4 有效质量的意义 －半导体中的电子需要同时响应内部势场和外加场的作用，
有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，使得在 解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不 涉及到半导体内部势场的作用。
价带有效状态密度 电子浓度和空穴浓度满足：
1.2 硅和锗的能带结构
--- 硅的能带结构
Eg(300K)=1.12eV 间接带隙结构 禁带宽度随温度增加而减小
QUST 半导半体导物理体物理
第一章
--- 锗的能带结构
Eg(300K)=0.67eV 间接带隙结构 禁带宽度随温度增加而减小
QUST 半导半体导物理体物理
第一章
--- 砷化镓的能带结构
第三章
Ef~ ND（强电离，室温） －费米能级：反应半导体导电类型和掺杂水平
QUST 半导半体导物理体物理
ND高 强n 型
ND低 弱n 型
ND≈NA 本征型
NA低 弱P 型
NA高 强P 型
QUST 半导半体导物理体物理
3.4简并半导体
3.4.1 简并半导体的载流子浓度 －单一杂质，n 型半导体，处于强电离区（饱和区）
Semiconductor Physics
4.3.2 电阻率与温度的关系
杂质半导体
载流子来源 迁移率因素
QUST 半导半体导物理体物理
杂质电离1 本征激发2 电离杂质散射3 晶格散射4
思考题
QUST 半导半体导物理体物理
什么是迁移率？迁移率的影响因素有哪些？
第一章
QUST 半导半体导物理体物理
QUST 半导半体导物理体物理
引进有效质量的概念后，电子在外电场作用下的表现和自由 电子相似，都符合牛顿第二定律描述 3.1.4 有效质量的意义 －半导体中的电子需要同时响应内部势场和外加场的作用，
有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，使得在 解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不 涉及到半导体内部势场的作用。
价带有效状态密度 电子浓度和空穴浓度满足：
半导体器件物理PPT课件
8
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
a 3/2
例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
3
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
二）杂质原子取代晶格 替位式杂质 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。
41
两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所 以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质
原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它 们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与 Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。
例1
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 例2 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
a 3/2
例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
3
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
二）杂质原子取代晶格 替位式杂质 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。
41
两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所 以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质
原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它 们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与 Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。
例1
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 例2 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）
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下页图中曲线所示为依据上述关系在不同P 型基
区宽度W 的条件下，P 型区中归一化的过剩少数载流
子电子浓度的分布情况。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
PN结正向注入时P型区中过剩少子电子的浓度分布：
W＝基区宽度 L＝少子扩散长度
（W＝∞）
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
从图中可见，P 型基区宽度W 越窄，基区中过剩
如图所示，当VCE < VBE 时，器件的收集结也处于 正偏状态，晶体管处于饱和区，此时收集极电流可近
似为正偏发射结电流与正偏收集结电流之差（忽略基
极电流），因此当VCE不断增大时，晶体管逐渐退出 饱和区（收集结正偏状态），晶体管的收集极电流也
不断增大。
而当VCE > VBE 时，器件的收集结处于反偏状态， 晶体管处于非饱和区（正向放大区），此时由发射区
和收集结均处于正偏状态； （2）非饱和区：VCE >VBE 此时器件的发射结处于正偏
状态，而器件的收集结则处
于反偏状态。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
理想双极型晶体管的输出电流－电压特性：
虚线所示为饱和区与非饱和区 的分界点，该处VCE=VBE 。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
流增益β ，但这也会增大控制薄基区宽度WB的难度。
其次是关于器件基区的设计，要尽可能减小基区
结深，以缩小基区宽度，增大电流增益，同时减少收
集结正偏时的基区存储电荷QB ，提高双极型晶体管 的开关性能；至于基区的掺杂浓度则可以适当提高，
以减小基区的串联电阻，这样既可以提高双极型晶体
管的高频性能，又可以提高器件的 Early 电压，减小
级（电子的准费米势Φn和空穴的准费米势Φp）的概
念，且满足：
[ ( ) ] pn = ni2 exp q φp −φn kT
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在有载流子正向注入的情况下，PN结耗尽层两侧 的过剩载流子浓度分别由下面两式给出，即N型区一
侧势垒区边界处的过剩电子浓度为：
( ) np
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当收集极电流密度很大时，有效基区宽度会扩展
至整个基区甚至收集区，由此导致大电流下双极型晶
体管电流增益的下降，器件的高频特性和速度性能也
明显下降，如下图所示。通常我们把器件fT 或β 下降
到最大值0.7
fT ，tpd
倍时的电流密度称为临界电流密度JC0
。
左图所示为大
β ，可见在很宽的电流范围内， β 基本保持恒定。
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在右图所示的Gummel曲
线中，虚线所示为通过理
论模型计算得到的IC 和IB 随VBE 变化的理想结果， 从图中可见，实测的IC 仅 在VBE 较大时和理论模型 的计算结果有一定的偏
离，而实测的IB 则在VBE 较小和较大时均和理论模
型的计算结果有所偏离，
这分别起因于小注入时发
射结耗尽层中的复合电流
和大电流时的串联电阻效
应。
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如图所示为一个NPN型双极晶体管的电路符号及 其不同电极之间的电压表示方法。
根据双极型晶体管不同
电极之间的电压关系，我们
可以将其工作状态划分为两
个不同区域： （1）饱和区：VCE < VBE 此时双极型晶体管的发射结
注入到基区的电子均被收集区所收集，且没有电子由
收集区注入到基区，因此收集极电流保持恒定，不随
VCE 的变化而改变。此时晶体管的电流增益 β 也保
持恒定，图中恒定 IB 的输出电流－电压特性曲线族 是由等步长变化的基极电流决定的。
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上图所示为正偏PN结的能带图，此时PN结处于 非平衡状态，根据第三章的分析，必须引入准费米能
0)
=
np0
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞（PN结正向少子注入）
np (x = W ) = np0
（欧姆接触区）
由此得到上述少子扩散方程的解为：
np
−
np0
=
np0 ⎢⎣⎡exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
⎤ −1⎥
⎦
sinh
⎜⎜⎝⎛
W− Ln
sinh⎜⎜⎝⎛
W Ln
x ⎟⎟⎠⎞
⎟⎟⎠⎞
出相应的PN结隔离区或介质隔离区，以实现不同晶
体管之间的电学隔离。
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器件的基区通常采 双极型晶体管基区/发射区
用扩散或离子注入方式
的版图与剖面图结构
形成，基区与发射区之
间的基本结构有1E2B形
式，如右图所示，也有
相反的2E1B形式。其中
1E2B结构有利于减小器
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关于基区宽度扩展效应：
VBE=0 VBE>0
如图所示，当
发射区注入的电子 流过收集结时，如 果电子的浓度为n 的话，则收集结耗 尽区中靠近基区一 侧的负电荷密度将 增大nq ，而靠近 收集区一侧的正电 荷密度将减少nq， 假设收集结上的外 加电压不变，则负 电荷密度区的宽度 将变窄。
x = −xp
=
ni2 Na
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
而P型区一侧势垒区边界处的过剩空穴浓度为：
pn (x
=
xn ) =
ni2 Nd
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
由此可见，在双极型晶体管中，收集极电流与基区的
掺杂浓度成反比，而基极电流则与发射区的掺杂浓度
成反比。过剩少数载流子在PN结势垒区两侧一边扩
基区宽度调制效应，避免出现基区穿通效应。
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最后是关于收集区的设计，通常收集区掺杂浓度
NC 最低，这样既可以提高器件的收集结击穿电压， 又可以减小收集结的势垒电容；但是NC 的取值又不 能过低，否则既会带来较大的收集区串联电阻，又容
易加剧基区扩展效应。因此需要对收集区的掺杂浓度
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对于双极型晶体管的优化设计来说，可以分别从
发射区、基区以及收集区的设计来加以考虑。
首先是发射区的设计，要尽可能提高发射区的掺
杂浓度NE ，以提高发射结的注入效率γ，增大器件
的电流增益β ，同时减小发射区的串联电阻；此外
还可适当增大发射区的结深，以进一步增大器件的电
散，一边不断地与多数载流子复合，最终形成一个稳
定的少数载流子浓度分布。
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以P型区中的电子为例， PN结发生稳定的正向注
入效应时，过剩少数载流子电子的浓度分布满足下述
方程：
∂n ∂t
=
1 q
∂J n ∂x
−
Rn
+ Gn
=
0
Jn
=
−qnμn
⎜⎜⎝⎛
dψ
dx
− kT qn
双极型晶体管有两种常用的器件结构，一种是横
向器件结构，另一种是纵向器件结构。目前在各种实 际的超高速双极型集成电路中使用的BJT器件无一例 外都是纵向NPN型双极晶体管。我们在本章中也以这 种类型的双极型器件为例来进行分析讨论。
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双极型晶体管的组成结构、偏置条件及能带示意图：
晶体管的电流增益 β 定义为： β = IC
IB
下页图中曲线所示为双极型晶体管收集极电流IC 及基极电流IB 随发射结电压VBE 的变化关系，该曲线 通常称为Gummel曲线，从图中可见，随着发射结电 压VBE 的增大，器件的收集极电流IC 和基极电流IB 均 按指数形式增大，二者之比即为器件的电流增益
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根据单边突变N+P结势垒区宽度的公式：
( ) Wd =
2ε Si ψ bi ± Vapp
qN a
可知：为了避免薄基区条件下的基区穿通效应，可适
当增大双极型晶体管基区的掺杂浓度NB 。
左图所示为 发生基区穿 通效应前后 双极型晶体 管的能带示 意图
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半导体器件
物理进展
第五章 双极型晶体管的优化设计及 性能因子
Bipolar Device Design Optimization and Performance Factors
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本章内容提要：
双极型晶体管（BJT）基础 双极型器件的设计优化 双极型器件的等效电路及其性能因子 SiGe HBT 的原理与优势 双极型器件与CMOS器件之对比
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1. 双极型晶体管（BJT）基础
尽管CMOS器件目前在各类微电子产品中已经占 据了绝对优势，但是双极型晶体管仍然没有完全退出
历史舞台，原因在于其固有的超高速特性和优越的模 拟信号处理能力。双极型晶体管可分为NPN型和PNP 型两大类，前者是N型掺杂的发射区和收集区之间夹 着一个P型掺杂的基区，后者则是P型掺杂的发射区 和收集区之间夹着一个N型掺杂的基区。
NC 及其宽度进行全面的优化，一个折衷的选择是在 低掺杂浓度的收集区下方再设置一个高掺杂浓度的收