《《微电子学概论》02-半导体物理和器件物理基础.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微电子学概论》02-半导体物理和器件物理基础.ppt（69页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用半导体物理和器件物理基础半导体物理和器件物理基础北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用固体材料：超导体固体材料：超导体: 大于大于106( cm)-1 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1什么是半导体？什么是半导体？北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成
2、电路及应用原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键晶体结构：晶体结构： 构构 成成 一一 个正四面体，具个正四面体，具有有金刚石晶体结构金刚石晶体结构1、半导体的结构、半导体的结构北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用半导体的结合和晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用2. 半导体中
3、的载流子半导体中的载流子本征半导体：本征半导体：n=p=ni北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机
4、与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键态、反键态原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路
5、及应用价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：带隙：导带底与价带顶之间的能量差导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及
6、应用中大规模集成电路及应用施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的中掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用本征载流子浓度：本征载流子浓度： n
7、=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征载流子本征半导体：本征半导体：没有掺杂的半导体没有掺杂的半导体本征载流子：本征载流子：本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子载流子浓度：载流子浓度： 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n北京工商大学北京
8、工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用7. 电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na北京工商大学北京工商大学
9、计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用n型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成
10、立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率mq单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引
11、入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（晶格散射（ 热热 运运 动动 引引 起）起） 电离杂质散射电离杂质散射北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用扩散电流扩散电流电子扩散电
12、流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外种，另外还有还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格半导体器
13、件物理基础半导体器件物理基础北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用1. PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子缺少载流子自建电场自建电场E北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用2. 平衡的平衡的PN结：结：没有外加偏压没有外加偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势形成自建场和自建势北京工商大学北京工商大学 计
14、算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用3.正向偏置的正向偏置的PN结结 100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjjN区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴：P区区N区区扩散扩散漂移漂移NP北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用4.
15、PN结的反向特性结的反向特性N区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴：P区区N区区扩散扩散漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjjNP北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用5. PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性： 正向导通正向导通 反向截至反向截至正向导通，多数载流子扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压：正向导通电压：Vbi0.7V(Si)北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大
16、规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用6. PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿隧道击穿隧道击穿反向击穿电压反向击穿电压Vrb北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用7. PN结电容结电容VQCTdVdQCTmsTXSC0北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用8. 二极管的特性参数二极管的特性参数正向压降正向压降 VF正向电流正向电流 IF击穿电压击穿电压 VBR反向（漏）电流反向（漏）电流 IR结电容结电容 CD反向恢复时间反向恢复时间 trr北京工
17、商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用二极管特性参数的应用二极管特性参数的应用正向电压正向电压 VF正向电流正向电流 IF击穿电压击穿电压 VBRABC1.00.720.8513304080现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负，负载最大功率载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。明理由。北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用双极晶体管双极晶体管发
18、射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用NPN晶体管工作时的偏置情况晶体管工作时的偏置情况北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用NPN晶体管的电流输运机
19、制晶体管的电流输运机制北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用NPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态共基极共基极共发射极共发射极共收集极共收集极NNP晶体管的共收集极接法晶体管的共收集极接法cbe北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性晶体
20、管的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性晶体管的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性晶体管的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的直流特性晶体管的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数ecII00001c
21、ecIIIecii1bcII0bcii北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特
22、性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用21晶体管的特性参数晶体管的特性参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用BJT晶体管的特点晶体管的特点垂直结构垂直结构与输运时
23、间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路优点：优点：北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用输入电容由输入电容由扩散电容决扩散电
24、容决定定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载流子密度高跨导高跨导优点：优点：北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电饱和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程
25、学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOS场效应晶体管场效应晶体管北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOS晶体管的结构晶体管的结构衬底衬底B源极源极S漏极漏极D栅氧化层栅氧化层栅极栅极G沟道长度沟道长度L沟道宽度沟道宽度W“金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管”北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOS管的管的MIS结构结构“金属金属-绝缘层绝缘层-半导体（半导体（MIS）结构）结构”北京工商大学北京工商大学
26、计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用反型层的形成反型层的形成表面空间电表面空间电荷区荷区反型层反型层阈值电压阈值电压N沟道沟道弱反型弱反型强反型强反型北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用P沟道沟道北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOSFET的偏置的偏置截止截止导通导通开启电压开启电压北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOS
27、FET的电流的电流-电压关系电压关系线性区线性区饱和区饱和区击穿区击穿区亚阈区亚阈区衬底偏置效应衬底偏置效应北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOSFET的直流特性的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOSFET的直流特性的直流特性北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOSFET的分类的分类增强型增强型nMOS耗尽型耗尽型nMOS增强型增强型pMOS耗尽型耗尽型p
28、MOS北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOSFET的分类的分类增强型增强型nMOS耗尽型耗尽型nMOS增强型增强型pMOS耗尽型耗尽型pMOS北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用MOS电容电容反型电荷反型电荷Qi耗尽区体电荷耗尽区体电荷QB栅极电荷栅极电荷QGCGB，CGD，CGSPN结电荷结电荷北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用重点重点 半导体、本征半导体、非本征半导
29、体 载流子、电子、空穴 掺杂、施主、受主、N型半导体、P型半导体 多子、少子 产生、复合、扩散、漂移 载流子浓度的热平衡条件与电中性条件 PN结的形成及工作原理，二极管的特性参数 双极晶体管的工作原理、直流特性与特性参数 MOSFET的结构、工作原理、分类、转移特性曲线 MOS电容北京工商大学北京工商大学 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院中大规模集成电路及应用中大规模集成电路及应用作业题作业题21.载流子的输运有哪些模式，这些输运模式分别在什么情况下形成？2.简要描述PN结的形成过程。3.写出半导体中载流子浓度的热平衡条件与电中性条件。4.用图形描述NPN双极晶体管正常工作时载流子的输运和浓度分布情况。5.画出nMOSFET的结构示意图，并在图中标出其主要组成部分的名称。6.画出4种MOS管的转移特性曲线