半導體器件物理第1章半導體特性.ppt第2章PN結.ppt第3章雙極型晶體管及其特性.ppt第4章半導體的表面特性.ppt第5章MOS型場效應晶體管.ppt第6章其他常用半導體器件.ppt全套可編輯PPT課件微電子技術專業(yè)第1章半導體特性第1章半導體特性本章要點半導體的晶體結構半導體中的電子狀態(tài)雜質與缺陷熱平衡載流子非平衡載流子載流子的運動1.1半導體的晶體結構物質按導電能力分類導體絕緣體半導體半導體在電性能上的重要性質熱敏特性摻雜特性光敏特性1.1.1晶體的結構1.固體分類晶體非晶體單晶多晶2.晶胞

晶胞是晶體結構中最小的周期性重復的單元。晶胞的邊長稱為晶格常數(shù)，通常用a表示。

1.1半導體的晶體結構3.幾種常見的晶格結構簡單立方面心立方體心立方

1.1半導體的晶體結構

在器件和集成電路制造中使用的一些重要的半導體具有屬于四面體的金剛石或閃鋅礦結構。

1.1半導體的晶體結構1.1.2晶面與晶向

晶列的取向稱為晶向，為表示晶向，從一個格點O沿某個晶向到另一格點P作位移矢量R，則

R=l1a+l2b+l3c

若l1：l2：l3不是互質的，則要通過l1：l2：l3=m：n：p化為互質整數(shù)，mnp

就稱為晶列指數(shù)，寫作[mnp]，用來表示某個晶向。1.晶向1.1半導體的晶體結構XYZaXYZa2.晶面：

晶格中的所有格點也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族，通常我們用晶面指數(shù)（也稱為密勒指數(shù)）來表示晶面的不同取向。1.1半導體的晶體結構（1）首先確定該晶面在晶軸上的三個截距，并以晶格常數(shù)為單位表示截距值。（2）然后取截距的倒數(shù)，并約簡為3個沒有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡成最簡單的整數(shù)比。（3）最后將此結果以“(hkl)”表示，即為此平面的密勒指數(shù)。

【例】如圖的平面，試求其密勒指數(shù)3.密勒指數(shù)計算1.1半導體的晶體結構XYZaXYZa[100](100)4.三個重要的晶面與晶向

立方晶格中晶列指數(shù)和晶面指數(shù)相同的晶列和晶向是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。

1.1半導體的晶體結構YXZaaXYZaa[111](111)1.1半導體的晶體結構XYZaaYXZaa[110](110)1.1半導體的晶體結構1.2半導體中的電子狀態(tài)1.2.1能級與能帶1.電子的共有化運動1.2半導體中的電子狀態(tài)

由于晶體中各原子靠得很近，引起各原子外層價電子的運動區(qū)域相互重疊起來，使價電子的運動區(qū)域在晶格中連成一片。電子在這一瞬間可以在甲原子周圍運動，而下一個瞬間又可通過交疊的運動區(qū)域轉到乙原子周圍運動，并以同樣的方式繼續(xù)轉移，不斷地從一個原子跑到另一個原子，從而能夠在整個晶體中運動。這就是電子的共有化運動。

1.2半導體中的電子狀態(tài)

由于一塊晶體中的電子運動狀態(tài)不能相同，因此為了容納原來屬于N個單個原子的所有價電子，原來分屬于N個單個原子的相同的價電子能級必須分裂成屬于整個晶體的N個稍有差別的能級，這些能級互相靠得很近，分布在一定的能量區(qū)域，通常就把這N個互相靠得很近的能級所占據(jù)的能量區(qū)域稱為能帶。

2.能帶的形成1.2半導體中的電子狀態(tài)允帶允帶允帶禁帶禁帶能級能帶原子軌道(有N個能級)關于能帶的名詞：1.允帶――允許電子填充的能帶，稱為允帶。2.禁帶――禁止電子填充的能量區(qū)間，稱為禁帶。3.空帶――沒有電子填充的能帶，稱為空帶。4.滿帶――完全被電子填滿的能帶，稱為滿帶。5.價帶――價電子對應能級分裂而形成的能帶，稱為價帶。6.導帶――導帶是位于價帶之上第一個能帶。在外電場作用下，該能帶里的電子能從外電場吸收能量，從而形成電流，故稱為導帶。1.2半導體中的電子狀態(tài)導帶價帶

左下圖表示具有金剛石結構的晶體的價電子填充能帶的情況，圖中的價帶是滿帶。價帶頂Ev和導帶底Ec之間的間隙稱為禁帶。價帶頂和導帶底之間的能量間隙稱為禁帶寬度，用符號Eq表示。為方便，通常用右下圖的簡化畫法。1.2半導體中的電子狀態(tài)1.2.2本征半導體的導電機制

半導體材料大部分是共價鍵晶體。如果共價鍵中的電子獲得足夠的能量，它就可以擺脫共價鍵的束縛，成為可以自由運動的電子，這時在原來的共價鍵上就留下了一個空位。因為鄰鍵上的電子隨時可以跳過來填補這個空位，從而使空位轉移到鄰鍵上去，所以，空位也是可以移動的。這種可以自由移動的空位被稱為空穴。半導體就是靠著電子和空穴的移動來導電的。因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。1.2半導體中的電子狀態(tài)導帶價帶

電子從晶格熱運動吸收能量，從價帶激發(fā)到導帶的過程稱為本征激發(fā)。

相比于絕緣體，半導體的禁帶寬度比較小，常溫常壓下，硅的Eg值約為1.12eV，鍺Eg值為0.67eV，而砷化鎵為1.42eV。在常溫下，半導體中已有不少電子吸收晶格振動能量，激發(fā)到導帶中去，所以具有一定的導電能力。

1.2半導體中的電子狀態(tài)1.3雜質與缺陷1.3.1雜質與雜質能級1.替位式雜質與間隙式雜質2.雜質能級

一個Ⅴ族雜質原子可以向半導體硅提供一個自由電子而本身成為一個帶正電的離子，這種雜質稱為施主雜質。當硅中摻有施主雜質時，主要靠施主提供的電子導電，我們把主要依靠電子導電的半導體稱為N型半導體。N型半導體中的電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；而空穴稱為少子。1.3雜質與缺陷

一個Ⅲ族雜質原子可以向半導體硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負電的離子，通常把這種雜質叫受主雜質。當硅中摻有受主雜質時，主要靠受主提供的空穴導電，我們把主要依靠空穴導電的半導體稱為P型半導體。P型半導體中的空穴是多子，電子是少子。

1.3雜質與缺陷能帶圖表示電離過程1.3雜質與缺陷

3.雜質的補償作用

如果在半導體材料中，同時存在著施主和受主雜質，他們之間具有相互抵消的作用，稱為雜質的補償作用。在能帶和雜質能級的基礎上，這個問題很容易理解。從根本上來說，補償?shù)默F(xiàn)象是因為導帶和施主能級的能量比價帶和受主能級高得多。所以，在導帶或施主能級上的電子總是要首先去填充那些空的受主或價帶能級。1.3雜質與缺陷N+硅襯底N外延層NPPN+硼磷

雜質的補償?shù)膽?/p>

在半導體器件和集成電路生產(chǎn)中，通過在N型Si外延層上特定區(qū)域摻入濃度更高的受主雜質，該區(qū)域經(jīng)過雜質補償作用就成為P型區(qū)，而在N型與P型區(qū)的交界處就形成了PN結。如果再次摻入更高濃度的施主雜質，在二次補償區(qū)域就又由P型補償為N型，從而形成雙極型器件的NPN結構。1.3雜質與缺陷1.3.2缺陷與缺陷能級弗倫克爾缺陷肖特基缺陷

間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。晶體內部產(chǎn)生空位但沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點缺陷。它們依靠熱運動不斷地產(chǎn)生和消失著，在一定的溫度下達到動態(tài)平衡，使缺陷具有一定的平衡濃度值。

1.點缺陷1.3雜質與缺陷2.線缺陷晶體的滑移現(xiàn)象3.面缺陷1.3雜質與缺陷1.4熱平衡載流子

在一定溫度下，半導體依靠本征激發(fā)和雜質電離產(chǎn)生導電電子和空穴。然而，在載流子產(chǎn)生的同時，電子也可以從高能級躍遷到低能級，并向晶格放出一定的能量。從而使導帶中的電子和價帶中的空穴不斷減少，這一過程稱為載流子的復合。在一定溫度下，單位時間內產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)等于復合掉的電子-空穴對數(shù)，稱為熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)1.4.1費米能級與載流子濃度1.費米能級的概念

費米能級就是用來表達電子填充能帶水平高低的一個概念。費米能級反映了半導體的摻雜類型，還能反映摻雜濃度的高低。

本征半導體

輕摻雜N型

重摻雜N型

重摻雜P型

輕摻雜P型

1.4熱平衡載流子2.費米分布函數(shù)

上式表明，一定溫度下，一個能量為E的電子狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率。1、費米能級是基本上填滿和基本上空的能級的分界線。2、導帶和價帶中的載流子數(shù)目還是可以很多。

1.4熱平衡載流子3.載流子濃度其中其中討論：1、n和p隨溫度和費米能級如何變化？

2、EF在不同的位置，n和p的大小關系？1.4熱平衡載流子1.4.2本征半導體載流子濃度1、電中性條件2、本征費米能級3、本征載流子濃度4、重要關系式討論：本征半導體的載流子濃度和哪些因素有關？1.4熱平衡載流子1.4.3半導體載流子濃度1.N型半導體2.P型半導體3.雜質半導體載流子濃度表達式1.4熱平衡載流子1.5非平衡載流子1.5.1非平衡載流子的注入

如果對半導體施加外加作用，破壞了熱平衡狀態(tài)的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度將比平衡狀態(tài)時多，多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。注入非平衡載流子的方式有1.光注入、2.電注入、3.其他方式。小注入條件:

注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小得多。

1.5.2非平衡載流子的復合

在非平衡的情形下，產(chǎn)生和復合之間的相對平衡就被打破了。由于多余的非平衡載流子的存在，電子和空穴的數(shù)目比熱平衡時增多了，它們在熱運動中相互遭遇而復合的機會也將成比例地增加，因此，這時復合將要超過產(chǎn)生而造成一定的凈復合，即

凈復合=復合-產(chǎn)生

當去掉外界作用后，正是由于這種凈復合的作用，使非平衡載流子逐漸減少，以至最后消失，半導體又回到平衡狀態(tài)。1.5非平衡載流子非平衡載流子的壽命

可見，非平衡載流子的濃度隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減τ是非平衡載流濃度減小到原來的1/e所經(jīng)歷的時間常數(shù)。進一步計算表明，τ是非平衡載流子平均生存的時間，稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命是標志半導體材料質量的主要參數(shù)之一。1.5非平衡載流子1.5.3復合機制1.直接復合

直接復合就是單位體積中每個電子在單位時間里都有一定的幾率和空穴相遇而復合。從能帶角度講，就是導帶電子直接落入價帶與空穴復合，同時還存在著上述過程的逆過程，即價帶電子也有一定的幾率躍遷到導帶中去，產(chǎn)生一對電子和空穴。1.5非平衡載流子2.間接復合①②③④

雜質和缺陷在半導體禁帶中形成能級，它們不但影響半導體導電性能，還可以促進非平衡載流子的復合而影響其壽命，通常把具有促進復合作用的雜質和缺陷稱為復合中心。復合中心的存在使電子-空穴的復合可以分為兩個步驟，先是導帶電子落入復合中心能級，然后再落入價帶與空穴復合，而復合中心被騰空后又可以繼續(xù)進行上述過程，當然相反的逆過程也同時存在。1.5非平衡載流子

晶格結構在表面出現(xiàn)的不連續(xù)性在禁帶中引入了大量的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)稱為表面態(tài)；除表面態(tài)外，還存在著由于緊貼表面的層內的吸附離子、分子或機械損傷等所造成的其他缺陷。它們在禁帶形成復合中心能級，大大增加了表面區(qū)域的載流子的復合率。3.表面復合

可見，非平衡載流子的壽命值，不僅與材料種類有關，而且與雜質原子的出現(xiàn)有關，特別是鍺、硅中的深能級雜質，能形成復合中心，使壽命降低。同時，半導體的表面狀態(tài)對壽命也有顯著的影響。另外，晶體中位錯等缺陷，也能形成復合中心能級。因而嚴重地影響少數(shù)載流子的壽命。在制造器件的過程中，由于高溫處理，在材料內部增加新的缺陷，往往使壽命降低。所以，壽命值的大小在很大程度上反映了晶格的完整性，它是衡量材料質量的一個重要指標。1.5非平衡載流子1.6載流子的運動1.6.1載流子的漂移運動與遷移率1.歐姆定律的微分形式2.漂移運動和遷移率

遷移率是反映載流子在電場作用下運動難易程度的物理量。上式反映了電導率與載流子濃度和遷移率之間的關系。

電導率的計算N型半導體的電導率P型半導體的電導率本征半導體的電導率

半導體的電阻率可以用四探針直接測量讀出，所以實際工作中習慣用電阻率來討論問題，由電導率求倒數(shù)就可得到電阻率

漂移電流的計算1.6載流子的運動

學習根據(jù)雜質濃度查表求電阻率，倒過來也可以求。1.6載流子的運動1.6.2載流子的擴散運動與愛因斯坦關系1.穩(wěn)態(tài)擴散的載流子分布

費克第一定律非平衡空穴的穩(wěn)態(tài)擴散方程普遍解其中1.6載流子的運動1）當樣品足夠厚時

上式表明，非平衡空穴濃度從光照表面的Δ（p）0開始，向內部按指數(shù)衰減。Lp表示空穴在邊擴散邊復合的過程中，減少至原來值的1/e所擴散的距離。通過計算可知，Lp也是非平衡空穴平均擴散的距離，成為空穴擴散長度?？昭〝U散長度由空穴擴散系數(shù)和空穴的壽命決定。1.6載流子的運動1）當樣品厚度較薄時這時，非平衡載流子濃度在樣品內呈線性分布。1.6載流子的運動2.擴散電流和愛因斯坦關系式電子擴散電流密度

空穴擴散電流密度電子電流密度空穴電流密度1.6載流子的運動

對于均勻摻雜的半導體，如果非平衡載流子不均勻，同時又有外電場的作用，那么除了非平衡載流子的擴散運動外，載流子還要做漂移運動，電子和空穴的總電流密度可表示：愛因斯坦關系式【例】常溫下，一N型半導體中，電子濃度在0.1cm的距離中從1×1018cm-3至7×1017cm-3做線性變化，試計算擴散電流密度，已知，電子的擴散系數(shù)為22.5cm2/s

遷移率反映了在電場作用下載流子運動的難易程度，擴散系數(shù)反映了在有濃度梯度時載流子運動的難易程度，兩者存在著確定的數(shù)量關系。1.6載流子的運動第2章PN結第2章PN結本章要點平衡PN結PN結的直流特性PN結電容PN結的擊穿特性PN結的開關特性2.1平衡PN結2.1.1PN結的形成與雜質分布合金法制造PN結N-GeN-GeN-GeInIn+GeP-GeXjNA-NDOxjxP型雜質SiO2光刻窗口P-SiN-SiN-SiN-Si氧化光刻擴散Xj擴散法制造PN結NA-NDOxjx2.1平衡PN結NA-NDOxjxP-SiN-SiXj離子注入法制造PN結2.1平衡PN結2.1.2PN結的能帶圖空間電荷區(qū)自建電場P區(qū)N區(qū)平衡PN結的形成P區(qū)和N區(qū)接觸存在濃度差→擴散（復合）→出現(xiàn)空間電荷區(qū)→形成自建電場→漂移運動和擴散運動抵消→達到動態(tài)平衡2.1平衡PN結2.1平衡PN結P區(qū)N區(qū)PN結平衡PN結的能帶圖

注意到費米能級是電子填充能級水平的標志，當兩塊半導體結合形成PN結時，電子將從費米能級高的N區(qū)流向費米能級低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，直到費米能級處處相等，PN結處于平衡狀態(tài)。

P區(qū)N區(qū)2.1.3PN結的接觸電勢差與載流子分布PN結的接觸電勢差

達到平衡狀態(tài)時，如果P區(qū)和N區(qū)的電勢差為UD，則兩個區(qū)的電勢能變化量為qUD，其中UD稱為PN結的接觸電勢差，qUD就是勢壘高度。2.1平衡PN結PN結載流子濃度分布

空間電荷區(qū)中載流子濃度分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化非常顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠小于兩側的中性區(qū)域，即空間電荷區(qū)的載流子基本已被耗盡，所以空間電荷區(qū)又叫耗盡層。2.1平衡PN結2.2PN結的直流特性2.2.1PN結的正向特性1.PN結的正向注入效應

PN結加正向偏壓，在勢壘區(qū)內產(chǎn)生一個外加電場，這個外加電場與原來的自建電場方向相反，因而削弱了勢壘區(qū)中的電場強度。勢壘區(qū)寬度變窄，勢壘高度降低。

非平衡少子注入后，在邊界附近積累，形成從邊界到內部濃度梯度，并向體內擴散，同時進行復合，最終形成一個穩(wěn)態(tài)分布。

擴散區(qū)中的少子擴散電流都通過復合轉換為多子漂移電流。2.2PN結的直流特性2.正向PN結邊界少子濃度

我們看到，正向偏置的PN結邊界處的少子濃度，等于體內平衡少子濃度乘上一個指數(shù)因子。也就是說，勢壘區(qū)邊界積累的少數(shù)載流子濃度隨外加電壓按指數(shù)規(guī)律增加。2.2PN結的直流特性3.PN結正向電流電壓關系

空穴擴散電流密度

電子擴散電流密度

通過PN結的總的電流密度

2.2PN結的直流特性對于結面積為A的PN結，通過的正向電流為

通常寫成

其中

可近似為

近似為

2.2PN結的直流特性2.2.2PN結的反向特性2.PN結的反向抽取作用

PN結加反向偏壓，外加電場與自建電場方向相同，空間電荷區(qū)電場加強。勢壘區(qū)寬度變大，勢壘高度增加。2.2PN結的直流特性

反偏時漂移作用占了優(yōu)勢，因此要把P區(qū)邊界的電子拉到N區(qū)，把N區(qū)邊界的空穴拉到P區(qū)去，而在P區(qū)內部的電子和N區(qū)內部的空穴就要跑到邊界去補充，這樣就形成了反向電流，方向是從N區(qū)指向P區(qū)。上述情況就好像是P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為PN結的反向抽取作用。2.2PN結的直流特性用與正向PN結類似的方法，可以求出PN結反向電流為

隨著反向電壓的增大，反向電流將趨于一個恒定，僅與少子濃度、擴散長度、擴散系數(shù)有關，我們稱之為反向飽和電流。少數(shù)載流子濃度與本征載流子濃度平方成正比，并且隨溫度升高而快速增大，因此，反向擴散電流會隨溫度升高而快速增大。正向特性反向特性

將PN結的正向特性和反向特性組合起來，就形成PN結的伏安特性，在正向偏壓和反向偏壓作用下，曲線是不對稱的，表現(xiàn)出PN結具有單向導電性（或稱為整流效應）。2.2PN結的直流特性2.2.3影響PN結伏安特性的因素正向PN結勢壘區(qū)復合電流2.反向PN結勢壘區(qū)產(chǎn)生電流

勢壘區(qū)產(chǎn)生電流有一個明顯的特點，它不像反向擴散電流那樣會達到飽和值，而是隨著反向偏壓增大而緩慢增加。

復合電流減少了PN結中的少子注入，這是硅三極管小電流下電流放大系數(shù)下降的重要原因之一。2.2PN結的直流特性

在推導正向電流公式時，采用了小注入的假設條件，即注入擴散區(qū)的非平衡少子濃度比平衡多子濃度小得多。但是當正向偏壓較大時，注入擴散區(qū)的非平衡少子濃度可能接近或超過該區(qū)多子濃度，這就是大注入情況。肖克萊方程將偏離實際測量結果。3.大注入情況4.表面效應（1）表面復合和產(chǎn)生電流

在硅和二氧化硅交界面處，往往存在著相當數(shù)量的、位于禁帶中的能級，稱為界面態(tài)或表面態(tài)。它們與體內的雜質能級相似，能接受、放出電子，可以起復合中心的作用。這樣就引進了附加的復合和產(chǎn)生電流。2.2PN結的直流特性（2）表面溝道電流（3）表面漏電流反型層

二氧化硅層中一般都含有一定數(shù)量的正電荷，當P型襯底的雜質濃度較低，二氧化硅膜中的正電荷較多時，襯底表面將形成N型反型溝道，這相當于增大了PN結的結面積，從而導致反向電流的增加。

在PN結的生產(chǎn)過程中，硅片表面很可能沾污一些金屬離子和水汽分子，這就相當于在PN結表面并聯(lián)了一個附加的電導，從而引起表面漏電，使反向電流增加。2.2PN結的直流特性2.3PN結電容2.3.1PN結電容的成因及影響PN結上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個電容器的充放電作用相似。這種P-N結的電容效應稱為勢壘電容。勢壘電容

隨外加電壓的變化，引起電子和空穴在擴散區(qū)內的存入和取出，由此產(chǎn)生的電容效應稱為PN結的擴散電容。注意，P區(qū)和N區(qū)各有一個擴散電容。

擴散電容2.3PN結電容

因此在交流電壓的作用下，PN結的特性就不再是一個單純的電阻了，它好象是一個電阻和兩個電容的并聯(lián)。所以，由于電容具有高通低阻的特性，如果給PN結外加一個交流電，在交變頻率很低的時候，PN結有整流作用。如果逐步提高交變頻率，PN結就失去了整流的作用。PN結電容的影響2.3PN結電容微分電容

實驗發(fā)現(xiàn)，PN結的勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓而變化，表明它們是可變電容。為此，引入微分電容的概念來表示PN結的電容。PN結的直流偏壓數(shù)值不同，微分電容也不同2.3PN結電容2.3PN結電容2.3.2突變結的勢壘電容突變結勢壘區(qū)的電場和寬度根據(jù)勢壘區(qū)正、負電荷總量相等

上式表明，勢壘區(qū)內正負空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜質濃度成反比。雜質濃度高的一邊寬度小，雜質濃度低的一邊寬度大。如果兩邊雜質濃度差異很大，勢壘區(qū)主要是向雜質濃度較低的那一面擴散，這種PN結我們稱之為單邊突變結。

2.3PN結電容

根據(jù)電學中的高斯定理，容易證明，從兩個邊界到交界面上，電場強度是線性變化的，交界面上的最大電場強度。可以算出勢壘區(qū)寬度為：

NB表示輕摻雜一側的雜質濃度

2.3PN結電容2.突變結的勢壘電容可以改寫為

對于單邊突變結又可簡化為

從式中可以看出：①減小結面積、降低輕摻雜一側的雜質濃度減小結電容的途徑。②勢壘電容隨外加電壓而變化，可利用這一特性制作變容器件。

2.3PN結電容2.3.3擴散電容

上式只近似適用于低頻情況，進一步分析表明，擴散電容隨頻率的增大而減小。擴散電容隨正向偏壓按指數(shù)關系增加，所以在大的正向偏壓下，擴散電容起主要作用。而加反向偏壓時，擴散區(qū)中的少子濃度將低于平衡時的濃度，載流子電量隨電壓的變化很小，因此反偏時的擴散電容可以忽略。2.4PN結的擊穿特性

在PN結上加反向電壓時，反向電流是隨著反向電壓的增大而微小地增加的，然后趨于飽和，這時的電流稱為反向飽和電流。反向電壓繼續(xù)增大到某一定值時，反向電流就會劇增，這種現(xiàn)象叫做反向擊穿。擊穿特性2.4.1擊穿機理1.雪崩擊穿

空間電荷區(qū)上存在著很強的電場。在勢壘區(qū)里的電子和空穴都要受到電場的加速，具有很大的能量。這些高速運動的載流子在與硅晶格結點上的原子發(fā)生碰撞時，會破壞一個共價鍵，撞擊一個出電子，同時產(chǎn)生一個空穴。由于倍增效應，引起載流子在數(shù)量上的大大增加，使反向電流猛然增加，引起PN結的擊穿，這種擊穿叫做雪崩擊穿。

2.4PN結的擊穿特性2.隧道擊穿

隧道擊穿是在強電場作用下，由于隧道效應（P區(qū)價帶中的電子有一定的幾率直接穿透禁帶而到達N區(qū)導帶中），使大量電子從價帶進到導帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。因為最初齊納用這種現(xiàn)象解釋電介質的擊穿，故又稱齊納擊穿。2.4PN結的擊穿特性3.熱擊穿PN結工作時的熱量不能及時傳遞出去，將引起結溫上升，而結溫上升又導致反向電流和熱損耗的增加。若沒有采取有效措施，就會形成惡性循環(huán)，一直到PN結被燒毀。這種熱不穩(wěn)定性引起的擊穿稱為熱擊穿或熱電擊穿。

2.4PN結的擊穿特性2.4.2雪崩擊穿電壓

如圖給出了突變結的雪崩擊穿電壓與低摻雜一側雜質濃度的關系曲線，對N型和P型的材料都適用。雜質濃度決定了材料的電阻率，所以為了獲得所需的擊穿電壓，原材料的電阻率要注意選擇合適的數(shù)值。突變結擊穿電壓2.4PN結的擊穿特性突變結擊穿電壓

雪崩擊穿電壓不光跟低摻雜區(qū)的雜質濃度或雜質濃度梯度有關，還跟材料的禁帶寬度有關。在相同的條件下，禁帶寬度大的材料，雪崩擊穿電壓高。

2.4PN結的擊穿特性2.4.3影響雪崩擊穿電壓的因素雜質濃度的影響2.外延層厚度的影響

如果外延層厚度小于PN擊穿時的勢壘區(qū)寬度，反向擊穿電壓將降低。2.4PN結的擊穿特性

柱面結和球面結區(qū)域都會發(fā)生電場集中效應，其電場強度要比平面結區(qū)域大，所以在這些區(qū)域首先會發(fā)生擊穿，從而使PN結的擊穿電壓降低。這種效應在擴散結結深較小時，比較嚴重，因為結深越小，柱面和球面的曲率半徑越小，結面彎曲越明顯，電場強度更集中，更容易發(fā)生擊穿。

3.擴散結結深的影響2.5PN結的開關特性2.5.1PN結的開關作用負脈沖輸入0關態(tài)正脈沖輸入0開態(tài)

PN結具有單向導電性，我們可利用其正反向電流相差懸殊這一特點，把它作為開關來使用。

2.5PN結的開關特性

當二極管的電壓突然從正變到負時，電流將從正向的ID先變到一個很大的反向電流IR，然后再逐漸趨向反向漏電流IO。這稱為反向恢復過程。

如果二極管是一個理想的開關，那么當正向電壓變?yōu)榉聪螂妷簳r，流過二極管的電流就應當從正向比較大的數(shù)值ID突然變到很小的反向漏電流IO。2.5PN結的開關特性

當二極管上的正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖時，正向時積累在P區(qū)和N區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，如左圖所示。所以在開始的瞬間，反向電流很大，經(jīng)過一段時間后，原本積累的少數(shù)載流子一部分被復合掉，一部分回流到原來的區(qū)域，少子分布就從右圖的實線變成虛線所示的情況，反向電流也恢復到正常情況下的反向漏電流值。這種正向導通時少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫電荷儲存效應。二極管的反向恢復過程就是由電荷儲存效應引起的。

第3章雙極型晶體管及其特性第3章雙極型晶體管及其特性本章要點晶體管結構與工作原理晶體管的直流特性晶體管的頻率特性晶體管的功率特性晶體管的開關特性晶體管的版圖和工藝流程3.1晶體管結構與工作原理3.1.1晶體管的基本結構與雜質分布晶體管的基本結構與符號集電極集電區(qū)集電結發(fā)射極發(fā)射區(qū)發(fā)射結基極基區(qū)集電極集電區(qū)集電結發(fā)射極發(fā)射區(qū)發(fā)射結基極基區(qū)1.合金管

合金結三個區(qū)的雜質分布是均勻的，其發(fā)射結和集電結都是突變結，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的雜質濃度遠遠大于基區(qū)的雜質濃度。3.1晶體管結構與工作原理2.平面管

三個區(qū)域的雜質分布是不均勻的。由于此晶體管的基區(qū)和發(fā)射區(qū)是由兩次擴散工藝形成的，因此稱為雙擴散管。3.1晶體管結構與工作原理3.1晶體管結構與工作原理3.1.2晶體管的電流傳輸1.晶體管的載流子分布2.晶體管的載流子傳輸1.發(fā)射區(qū)注入2.基區(qū)輸運3.集電結收集3.1晶體管結構與工作原理3.1晶體管結構與工作原理三極電流關系

對于NPN晶體管，電子電流是主要成分。電子從發(fā)射極出發(fā)，通過發(fā)射區(qū)到達發(fā)射結，由發(fā)射結注入到基區(qū)，再由基區(qū)輸運到集電結邊界，然后又集電結收集到集電區(qū)并到達集電極，最終稱為集電極電流。這就是晶體管內部載流子的傳輸過程。

電子電流在傳輸過程中有兩次損失：一是在發(fā)射區(qū)，與從基區(qū)注入過來的空穴復合損失；而是在基區(qū)體內和空穴的復合損失。因此

3.1晶體管結構與工作原理3.1.3晶體管的直流電流放大系數(shù)

1.電流放大系數(shù)定義和電流放大能力

α0反映出發(fā)射極輸入電流IE中有多大比例傳輸?shù)郊姌O成為輸出電流IC，或者說由發(fā)射極發(fā)射的電子有多大比例傳輸?shù)郊姌O。由于前面講到的傳輸過程中的兩次損失，α0總是小于1。

（1）共基極直流電流放大系數(shù)α0

要提高發(fā)射效率，就是要使發(fā)射區(qū)雜質濃度比基區(qū)雜質濃度高得多，這樣發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流就遠遠大于基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流，發(fā)射效率很接近于1。發(fā)射效率γ0基區(qū)輸運系數(shù)

可見，減小基區(qū)體內復合電流IVR是提高基區(qū)輸運系數(shù)的有效途徑，而主要措施是減薄基區(qū)寬度W，使基區(qū)寬度遠小于電子在基區(qū)的擴散長度。3.1晶體管結構與工作原理3.1晶體管結構與工作原理

雖然共基極接法的晶體管不能放大電流，但是由于集電極可以接入阻抗較大的負載，所以仍然能夠進行電壓放大和功率放大。（2）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)（3）α0和β0的關系（4）晶體管的放大能力和具備放大能力的條件

β0一般在20-200之間，所以IB的微小變化將引起IC的很大變化，也就是說晶體管具有電流放大能力。

晶體管要具有放大能力，必須具有哪些條件？3.1晶體管結構與工作原理1）發(fā)射區(qū)雜質濃度比基區(qū)雜質濃度高得多，以保證發(fā)射效率γ0很接近于1.2）基區(qū)寬度Wb遠小于LnB，保證基區(qū)輸運系數(shù)很接近于1。3）發(fā)射結正偏，使電子從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)；集電極反偏，將電子從基區(qū)收集到集電區(qū)。

3.1晶體管結構與工作原理3.1晶體管結構與工作原理2.緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)（1）基區(qū)晶體管中存在的自建電場等效正電荷區(qū)等效負電荷區(qū)

基區(qū)存在雜質濃度梯度，同時基區(qū)多數(shù)載流子空穴也存在濃度梯度，因此就要往濃度低的方向擴散，其結果破壞了基區(qū)的電中性條件，使基區(qū)靠近發(fā)射區(qū)的一側帶負電，靠近集電區(qū)的一側帶正電，這樣就形成一個自右向左的電場。

平衡時該電場作用下的空穴漂移電流和空穴擴散電流大小相等、方向相反，相互抵消，這種平衡時的基區(qū)電場稱為自建電場。

（2）緩變基區(qū)晶體管的電流密度3.1晶體管結構與工作原理（3）緩變基區(qū)晶體管的發(fā)射效率方塊電阻的概念

它的大小決定于單位面積薄層中所含的雜質總量。若薄層內雜質分布不均勻：

3.1晶體管結構與工作原理發(fā)射效率3.1晶體管結構與工作原理（4）緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)輸運系數(shù)（5）緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)

可見，提高電流放大系數(shù)的途徑是減小基區(qū)平均摻雜濃度、減薄基區(qū)寬度Wb以提高RsB，提高發(fā)射區(qū)平均摻雜濃度以減小RsE。另外，提高基區(qū)雜質濃度梯度，加快載流子傳輸，減少復合；提高基區(qū)載流子的壽命和遷移率，以增大載流子的擴散長度，都可以提高電流放大系數(shù)。3.2晶體管的直流特性3.2.1晶體管的伏安特性曲線共基極輸入特性曲線

共基極輸入特性曲線實際就是正向PN結的特性曲線，由于基區(qū)寬變效應，輸入特性曲線隨UCB增大而右移1.共基極晶體管特性曲線共基極輸出特性曲線1.共發(fā)射極晶體管特性曲線共發(fā)射極輸入特性曲線

輸入特性曲線與正向PN結伏安特性相似。當集電結處于反偏時，由于基區(qū)寬度減小，基區(qū)內載流子的復合損失減少，IB也就減少。所以，特性曲線隨VCE的增加而右移。3.2晶體管的直流特性共發(fā)射極輸出特性曲線

注意：基區(qū)寬變效應使輸出特性曲線微微上翹。3.2晶體管的直流特性3.2晶體管的直流特性3.2.2晶體管的反向電流1.ICBO和IEBO

ICBO和IEBO與第二章討論的PN結反向飽和電流沒什么區(qū)別，理論上由反向擴散電流和反向勢壘產(chǎn)生電流兩部分組成。但是，實際上晶體管的反向擴散電流和反向勢壘產(chǎn)生電流都很小，引起反向電流過大的原因往往是表面漏電流太大。3.2晶體管的直流特性2.ICEO

式中的β是集電極電流為ICEO時的小電流放大系數(shù)，比正常工作時的β要小得多。因此，一般來講ICEO比ICBO大不了多少。3.2晶體管的直流特性3.2.3晶體管的擊穿電壓1.BUCBO和BUEBOBUEBO是集電極開路時，發(fā)射極與基極間的擊穿電壓，他由發(fā)射結的雪崩擊穿電壓決定。對于平面管來說，由于發(fā)射結由兩次擴散形成，表面處結兩邊雜質濃度最高，因此雪崩擊穿電壓在結側面最低。

BUCBO是發(fā)射極開路時，集電極與基極間的擊穿電壓，一般為集電結雪崩擊穿電壓。如果是外延平面管，當外延層厚度小于在擊穿電壓下的勢壘區(qū)寬度時，擊穿電壓將降低。則外延層總厚度至少應為：

3.2晶體管的直流特性2.BUCEO

式中n為常數(shù)。集電結低摻雜區(qū)為N型時，硅管n=4，鍺管n=3。集電結低摻雜區(qū)為P型時，硅管n=2，鍺管n=6。

BUCEO是基極開路時，集電極與發(fā)射極間的擊穿電壓，有下列關系式：

3.2.4晶體管的穿通電壓

當有些晶體管b、c之間加了太高的反向電壓，雖然還沒有引起它的擊穿，但會引起勢壘穿通現(xiàn)象，這時電流IC也會突然增大，特性曲線會顯示出和擊穿時差不多的圖形。

隨著集電結反向電壓的升高，它的勢壘向兩邊擴展，使基區(qū)有效寬度減小。在一般雙擴散型晶體管中，因為基區(qū)雜質濃度比集電區(qū)高，集電結勢壘區(qū)主要向集電區(qū)擴展，而向基區(qū)擴展的比較少，不容易和發(fā)射結勢壘區(qū)相連。但是，由于材料缺陷或者工藝不良等原因，發(fā)射結結面會出現(xiàn)尖峰，該處的基區(qū)寬度較小，這樣局部穿通就有可能發(fā)生。

3.2晶體管的直流特性3.3晶體管的頻率特性3.3.1晶體管的頻率特性和高頻等效電路1.晶體管的頻率特性和頻率參數(shù)

當晶體管工作頻率高到一定程度時，電流放大系數(shù)將隨工作頻率的升高而下降，同時也發(fā)生了相移。如圖為幅頻特性曲線的示意圖，反映了晶體管的放大倍數(shù)隨頻率變化的大致情況。

為了表示晶體管頻率特性的這種區(qū)別，在生產(chǎn)和應用中采用了一系列的“頻率參數(shù)”：α截止頻率fα，β截止頻率fβ，特征頻率fT，最高振蕩頻率fm。3.3晶體管的頻率特性2.共基極高頻等效電路

為分析問題方便，常常用電阻、電容、恒流源構成的線性電路來等效晶體管的放大與輸入、輸出特性。應當注意，用線性電路來表示非線性的晶體管，只有在晶體管的輸入、輸出信號都比較小的條件下才成立。

3.3晶體管的頻率特性3.3.2高頻時晶體管電流放大系數(shù)下降的原因1.發(fā)射結勢壘電容充放電效應對電流放大系數(shù)的影響

發(fā)射極延遲時間交流發(fā)射效率

2．發(fā)射結擴散電容充放電效應對電流放大系數(shù)的影響3.3晶體管的頻率特性發(fā)射結擴散電容的充放電時間常數(shù)

τb也可稱為基區(qū)渡越時間，意思就是電子穿越基區(qū)所用的時間，τb和基區(qū)寬度以及電子在基區(qū)的擴散速度有關。

交流基區(qū)輸運系數(shù)β*的分析計算的方法和交流發(fā)射效率γ完全一樣3.3晶體管的頻率特性3．集電結勢壘區(qū)渡越過程對電流放大系數(shù)的影響集電結空間電荷區(qū)輸運系數(shù)：集電結空間電荷區(qū)延遲時間載流子以極限速度穿過集電結勢壘區(qū)所需的時間為3.3晶體管的頻率特性4.集電結勢壘電容充放電效應對電流放大系數(shù)的影響集電區(qū)衰減因子集電極延遲時間3.3晶體管的頻率特性3.3.3晶體管的電流放大系數(shù)

1.共基極交流電流放大系數(shù)特征頻率3.3晶體管的頻率特性2.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)直流情況下的關系式

近似成立

可見，共基極電路比共發(fā)射極電路頻帶更寬，常見于寬頻和高頻電路中。

3.3晶體管的頻率特性3.3.4晶體管的極限頻率參數(shù)1.特征頻率

當工作頻率遠大于fβ時，工作頻率和電流放大系數(shù)的乘積是一個常數(shù)。可以作為選用晶體管的一個重要參數(shù)，也可以用于測量。

增益帶寬積3.3晶體管的頻率特性2.提高特征頻率的途徑？3.3晶體管的頻率特性3.最高振蕩頻率

為了能準確的描述晶體管的功率放大能力隨頻率的變化，我們定義晶體管的最佳功率增益Gpm,它是指晶體管向負載輸出的最大輸出功率與晶體管獲得的最大輸入功率之比。可以證明，晶體管在高頻工作時的最佳功率增益為:

當頻率很高時，發(fā)射極引線電感對功率增益的影響不可忽略，晶體管的功率增益的表達式修正為:

3.3晶體管的頻率特性

可見，晶體管的最高振蕩頻率主要決定于其內部參數(shù)，即晶體管的輸入阻抗、輸出電容、引線電感及特征頻率等。

當晶體管工作頻率f等于最高振蕩頻率fm時

Gpmf2稱為功率增益-帶寬積。對于特定的晶體管，要想獲得較高的功率增益，頻帶寬度必然減小，要想獲得較大的頻帶寬度，功率增益必然降低。高頻優(yōu)值全面反映了晶體管的頻率和功率性能，而且只與晶體管本身的參數(shù)有關。因此，高頻優(yōu)值是設計和制造高頻功率晶體管的重要依據(jù)之一。

3.4晶體管的功率特性3.4.1大電流工作時產(chǎn)生的三個效應1．基區(qū)電導調制效應

特征頻率在大注入情況下，注入到基區(qū)的電子濃度已經(jīng)接近或大于空穴的平衡濃度，這時為了維持基區(qū)電中性，就必須在基區(qū)建立起與注入電子有同樣的濃度梯度的空穴濃度分布。在這種情況下，基區(qū)空穴濃度將顯著增加，從而使基區(qū)電阻率明顯下降，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)電導調制效應。

基區(qū)電阻率的下降會造成發(fā)射效率降低，電流放大系數(shù)因此下降。

3.4晶體管的功率特性2．基區(qū)擴展效應

當通過集電極的電流增大時，通過集電結空間電荷區(qū)的電子濃度也增大，它的存在，使集電結勢壘區(qū)的負空間電荷濃度增加了，正空間電荷濃度減少了。如果集電極壓降不變，靠基區(qū)一側的負空間電荷區(qū)將縮小，而靠集電區(qū)一側的正空間電荷區(qū)將往襯底方向擴大。3.4晶體管的功率特性

當n=NC時電離施主的正電荷恰好為電子所帶負電荷所抵消，此時，集電區(qū)外延層不能形成正空間電荷區(qū)，正空間電荷區(qū)將移到襯底區(qū)靠外延層交界處的薄層內同時，基區(qū)一側的負空間電荷區(qū)也將進一步縮小。這樣，正、負空間電荷將位于集電區(qū)外延層的兩端，而集電區(qū)外延層內則沒有凈空間電荷，電場強度分布均勻。我們將此時的集電區(qū)電流密度稱為集電區(qū)臨界電流密度Jcr

3.4晶體管的功率特性

基區(qū)縱向擴展效應認為，隨著IC進一步增大，集電結的電流密度大于Jcr，集電結空間電荷區(qū)將向襯底方向移動，使有效基區(qū)寬度增大。

基區(qū)橫向擴展效應認為，集電結的電流密度不能大于Jcr,IC的增加是靠增加電流通道的有效面積來實現(xiàn)的。注入基區(qū)的電子流將沿著基區(qū)橫向散開，這使得一部分電子通過基區(qū)的路程加長了，相當于有效基區(qū)寬度增大。基區(qū)縱向擴展效應基區(qū)橫向擴展效應3.4晶體管的功率特性

無論基區(qū)是橫向還是縱向擴展，最終結果是使有效基區(qū)寬度增大。根據(jù)：

顯然，直流電流放大系數(shù)和特征頻率都將下降。因此，Jcr是防止基區(qū)出現(xiàn)擴展效應的最大集電結電流密度，也是一般平面晶體管的最大電流密度限制。

強場條件下3.4晶體管的功率特性3．發(fā)射結電流集邊效應

基區(qū)存在一定的電阻，當電流流過基區(qū)時，將產(chǎn)生平行于結面的橫向壓降，使發(fā)射結偏壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射結電流密度也會從邊緣到中心逐漸減小。

對于大功率晶體管來說，通常基極電流比較大，所以基極橫向壓降比較大。因此，發(fā)射極電流集邊現(xiàn)象就更為顯著。由于電流集邊效應會使晶體管發(fā)射結有效面積變小，從而使得在較小的發(fā)射極電流下，通過集電區(qū)的電流密度就有可能達到了臨界電流密度，出現(xiàn)電流放大系數(shù)和特征頻率下降的現(xiàn)象?？朔呅年P鍵在于減小發(fā)射結下面的基區(qū)（內基區(qū)）電阻。

發(fā)射極單位周長的電容量發(fā)射極有效半寬度3.4晶體管的功率特性3.4晶體管的功率特性3.4.2晶體管的最大耗散功率和熱阻耗散功率散熱

當單位時間內管芯上產(chǎn)生的熱量和散發(fā)出去的熱量相等時，管芯溫度就達到穩(wěn)定值。考慮到散熱速度與發(fā)熱物體和周圍環(huán)境的溫差成正比，此時有：

最大允許耗散功率式中K為一個常數(shù)，稱為熱導，由晶體管散熱能力而定。

熱阻3.4晶體管的功率特性3.4.3功率晶體管的安全工作區(qū)1.集電極最大工作電流

通常規(guī)定，共發(fā)射極電流放大系數(shù)β0下降到最大值β0的一半時所對應的集電極電流為集電極最大工作電流ICM。

3.4晶體管的功率特性2．晶體管的二次擊穿一次擊穿二次擊穿

當集電結反向偏壓增大到某一值時，集電結電流急劇增加，這時出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象就稱為一次擊穿。如圖，當集電結反向偏壓進一步增大,IC增大到某一個臨界值時，晶體管上的壓降突然降低，而電流繼續(xù)增長，這個現(xiàn)象稱為二次擊穿。

二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿機理

對于二次擊穿的機理，一般分為熱型（又稱熱不穩(wěn)定型）和電流型（又稱雪崩注入型）兩種。3.4晶體管的功率特性晶體管的安全工作區(qū)熱型二次擊穿臨界線電流型二次擊穿臨界線最大耗散功率線ⅠⅤⅡⅢⅣ

安全工作區(qū)是由最大耗散功率線、熱不穩(wěn)定二次擊穿臨界線、雪崩注入二次擊穿臨界線與電流極限線、電壓極限線所限度的區(qū)域。

擴大安全工作區(qū)的方法主要是：改善器件的二次擊穿特性；通過選擇合適的材料和正確的設計，進一步提高器件的耐壓和工作的最大電流；降低熱阻，提高晶體管的耗散功率。

3.5晶體管的開關特性3.5.1晶體管的開關作用正脈沖輸入零電平

當晶體管輸入是正脈沖或正電平時，基極就有了注入電流，將引起了很大的集電極電流，可近似看作是短路。此時晶體管的作用相當于一個接通的開關S。

當輸入是負脈沖或零電平，那么基極沒有注入電流，集電極只有很小的漏電流，可近似看作是斷路。此時晶體管的作用就好象是一個被切斷的開關。

3.5晶體管的開關特性3.5.2開關晶體管的工作狀態(tài)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)1.飽和區(qū)臨界飽和集電極電流臨界飽和基極電流過驅動電流3.5晶體管的開關特性

過驅動基極電流造成空穴在基區(qū)中積累。為保持基區(qū)的電中性，存儲在基區(qū)中的電子也要相應的增加積累，于是電子密度的分布曲線上移。由于集電結正偏，過驅動基極電流提供的空穴同時注入到集電區(qū)，在集電區(qū)形成空穴的積累。

基區(qū)復合電流隨著超量存儲電荷的增加而上升。當過驅動電流正好補充超量存儲電荷因復合而消失的空穴數(shù)時，晶體管進入穩(wěn)定的深度飽和狀態(tài)。3.5晶體管的開關特性2.截止區(qū)

當基極輸入負電壓時，晶體管處于截止態(tài)，發(fā)射結和集電結都反偏，基極電流為零，集電極電流很小，少子分布如圖。3.5晶體管的開關特性3.5.3晶體管的開關過程1.理想晶體管和實際晶體管的開關波形分析過程抓住兩點：1）發(fā)射結、集電結勢壘電容充放電情況，兩個結的偏置情況。2）基區(qū)、集電區(qū)電荷儲存情況。1）延遲時間2）上升時間3）儲存時間4）下降時間3.5晶體管的開關特性

給發(fā)射結勢壘電容充電，發(fā)射結由反偏變正偏。

基區(qū)有電子積累，濃度分布由“1”變?yōu)椤?”，集電結電流由0增大0.1ICS到。減小延遲時間的途徑？（1）延遲過程3.5晶體管的開關特性（2）上升過程

基區(qū)電子濃度梯度增大，集電極電流逐漸增大0.9ICS，晶體管達到臨界飽和狀態(tài)。

給發(fā)射結勢壘電容充電，發(fā)射結正偏電壓逐漸增大到0.7V。

給集電結勢壘電容充電，集電結由反偏變?yōu)榱闫?/p>

上升結束，若晶體管處于過驅動狀態(tài)，集電結將正偏，基區(qū)、集電區(qū)將出現(xiàn)超量存儲電荷。減小上升時間的途徑？3.5晶體管的開關特性（3）超量儲存電荷消失過程

在較大的基極反向電流作用下，基區(qū)和集電區(qū)的超量存儲電荷被抽走（減少的另一途徑是體內復合），在超量存儲電荷被抽完之前，發(fā)射結集電結仍處于正偏，集電極電流維持不變，在超量存儲電荷抽完后，集電極電流開始下降到0.9ICS。晶體管回到臨界飽和狀態(tài)，集電結零偏。減小儲存時間的途徑？3.5晶體管的開關特性（4）下降時間

基區(qū)中積累的電子和空穴繼續(xù)減少，集電極電流逐步下降到0.1ICS。載流子的復合作用延緩了上升時間，加速了下降時間。

發(fā)射結、集電結勢壘電容放電，集電結由零偏變?yōu)榉雌?，發(fā)射結正向偏壓由0.7V開始下降。3.5晶體管的開關特性減小開關時間的途徑：（1）摻金（2）減小發(fā)射結和集電結的面積（3）減小基區(qū)寬度（4）減薄外延層厚度，降低外延層的電阻率3.6晶體管的版圖與工藝流程1.梳狀結構3.6.1晶體管的圖形結構

梳狀結構能減弱電流集邊效應，同時還能降低基極電阻,以及硅片自身的熱阻，這些都有助于高頻大功率性能的改善。但是，線寬受到工藝水平限制，如果圖形設計脫離實際，發(fā)射區(qū)分割得過細，超越了目前技術允許的限制，則成品率將很低，造成浪費。3.6晶體管的版圖與工藝流程3.6晶體管的版圖與工藝流程2.覆蓋結構

覆蓋結構發(fā)射極金屬條的寬度，不象梳狀結構那樣是由發(fā)射極條的寬度所決定，而是由小發(fā)射極條長度所決定。同時，覆蓋結構利用兩小發(fā)射極條間的高雜質濃度基區(qū)作為部分基區(qū)的引出線，這就縮小了小發(fā)射極間距。由于覆蓋結構的發(fā)射極金屬電極寬度較大，所以它解決了梳狀結構金屬電極引出的困難。3.6晶體管的版圖與工藝流程3.6晶體管的版圖與工藝流程1.襯底制備2.外延3.一次氧化4.基區(qū)光刻5.硼擴散（二次氧化）6.發(fā)射區(qū)光刻3.6.1雙極型晶體管的工藝流程3.6晶體管的版圖與工藝流程7.磷擴散（三次氧化）8.引線孔光刻9.蒸鋁10.反刻鋁及合金3.6晶體管的版圖與工藝流程1.基區(qū)光刻2.發(fā)射區(qū)光刻3.引線孔光刻4.鋁反刻光刻版圖形微電子技術專業(yè)第4章半導體的表面特性第4章半導體的表面特性本章要點半導體的表面與Si-SiO2系統(tǒng)的特性表面空間電荷區(qū)的狀態(tài)和表面勢的概念MOS結構的閾值電壓MOS結構的C-V特性金屬與半導體接觸4.1半導體表面與Si-SiO2系統(tǒng)半導體表面懸掛鍵Si原子4.1.1理想的半導體表面

所謂理想的半導體表面是指原子完全有規(guī)則的排列且終止于同一平面上。但顯而易見的是，由于表面處晶格原子排列的終止，故表面處的原子存在不飽和共價鍵，被稱為懸掛鍵。一般地，一個懸掛鍵對應一個電子狀態(tài)，將稱其為表面態(tài)。Si襯底SiO2層4.1半導體表面與Si-SiO2系統(tǒng)在制作晶體管和集成電路之前，半導體Si晶體表面需經(jīng)過仔細研磨、拋光和清潔處理，并確保其良好的平整度。硅（Si）還是一種較活潑的化學元素，其氧化物SiO2在半導體制備中有著特殊的功用，主要用作為：①絕緣介質層，用于分隔金屬膜及其他導電材料；②掩蔽層，用于雜質元素的選擇性摻雜；③鈍化，保護器件和晶圓免受外來物質與離子的沾污。Si襯底SiO2可動離子固定電荷界面態(tài)輻射電離陷阱4.1.2Si-SiO2系統(tǒng)及其特性4.1半導體表面與Si-SiO2系統(tǒng)在Si-SiO2系統(tǒng)中，至少存在四種因素影響其電學性能的穩(wěn)定，它們分別是：①可動離子，以鈉離子（Na+)為主要對象；②固定電荷，通常是一些過剩的硅離子Si+；③輻射電離陷阱；④界面態(tài)，即前述的表面態(tài)。4.1半導體表面與Si-SiO2系統(tǒng)界面態(tài)Si-SiO2界面圖中顯示了Si晶圓經(jīng)氧化以后，Si-SiO2界面的結構情形。實驗表明，界面態(tài)面密度與晶圓的晶向、氧化爐溫、退火工藝等因素有關。根據(jù)所制備的器件不同，理想的情形是將面密度控制在<1010/cm2·eV以下。MOS晶體管電極或金屬互連線SiO2層源、漏區(qū)或襯底Si4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢MOS結構是半導體器件結構中兩種最基本的結構之一。圖中①顯示了它構成MOS晶體管的核心結構；②顯示了由于金屬布線而廣泛存在于集成電路中的寄生MOS結構。柵介質(SiO2)柵電極4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢4.2.1表面空間電荷區(qū)對于不同的柵壓VG，表面空間電荷區(qū)存在四種狀態(tài)：a.VG=0V平帶狀態(tài)；b.VG<0V多子積累狀態(tài)；c.VG>0V耗盡狀態(tài)；d.VG>>0V反型或強反型狀態(tài)。理想MOS結構的條件：①Si-SiO2系統(tǒng)中不存在前述的三種性質的電荷及界面態(tài)；②金屬柵與襯底半導體材料之間的功函數(shù)相等。4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢a.VG=0V平帶狀態(tài)電荷分布MOS結構兩端的電壓為0，此時襯底Si表面不受任何電場作用，故不存在空間電荷區(qū)，因此體電荷密度分布ρ(x)=0,半導體表面能帶是平直的。電荷分布空穴4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢b.VG<0V多子積累狀態(tài)此時，受負柵壓的作用，P-Si襯底的多數(shù)載流子——空穴趨于流向表面，形成一薄層空穴積累層。由于襯底基準電位為0，故表面勢φs<0，表面處能帶將向上彎曲，電荷分布見圖。受到正柵壓的作用，半導體表面處的空穴趨于流向襯底，從而導致留下一層受主負離子，并構成空間電荷區(qū)，此時表面勢φs>0，表面處能帶向下彎曲，電荷分布見圖。耗盡層電荷分布4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢c.VG>0V耗盡狀態(tài)電子反型層電荷分布耗盡層4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢d.VG>>0V反型或強反型狀態(tài)當柵極電壓VG進一步提高并使得表面勢φS滿足φS>2φFP，半導體表面吸引了更多數(shù)量的電子并形成電子反型層，空間電荷區(qū)厚度達到最大值Xdmax,表面處能帶彎曲如圖所示。4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢半導體材料的費米勢——φFSi材料費米勢φF的定義：對P-Si和N-Si材料，它們的費米勢φFP和φFN分別為：室溫下：kT/q=0.026V4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢4.2.2表面勢表面勢是指半導體表面與半導體襯底之間的電勢差，用φS表示。它表征了空間電荷區(qū)電荷的變化情況以及表面處能帶的彎曲情況。根據(jù)泊松方程其中可以得到如下表達式4.2表面空間電荷區(qū)與表面勢

另外，表面空間電荷區(qū)的電場和電勢分布如圖所示，它們的表達式分別為：

而表面空間電荷區(qū)的電荷面密度QSC可表達為：P-Si襯底N-Si襯底4.3MOS結構的閾值電壓4.3.1理想MOS結構的閾值電壓（以P-Si襯底的MOS結構為例）定義：當P型Si半導體表面達到強反型，且反型層電子濃度等于襯底空穴（多子）濃度時，這時所施加的柵極電壓VG稱作MOS結構的閾值電壓，也稱開啟電壓，用VT表示。VT表達式為（P-Si襯底）：同理，對N-Si襯底，有真空能級E0金屬或半導體材料真空電子電子4.3MOS結構的閾值電壓1.金屬與半導體的功函數(shù)W4.3.2實際MOS結構的閾值電壓定義：功函數(shù)W是指一個能量位于費米能級EF處的電子從金屬或半導體內部逸出到真空中所需要給予它的最小能量。定義式為：N型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.99Si材料在不同摻雜濃度下的功函數(shù)WS（單位：eV）4.3MOS結構的閾值電壓2.金屬與半導體功函數(shù)差對VT的影響圖（a）所示是一個普通MOS結構的能帶圖。當用金屬鋁來做柵極時，由于鋁的功函數(shù)較小，約為WAl=4.13eV,通常小于半導體的功函數(shù)，如圖。因此，即使不施加柵壓，柵極也會與半導體襯底發(fā)生電子交換，見圖（b）。(a)(b)4.3MOS結構的閾值電壓(c)(d)

圖（c）所示的是這種電子交換結束時，并且在達到新的平衡態(tài)時的能帶圖。當柵極金屬功函數(shù)較小時，半導體表面能帶通常向下彎曲。

為使半導體表面能帶變平，需要在柵極施加補償電壓VG’，如圖（d）所示。數(shù)值上，VG’=φms?？紤]φms后，VT修正為下式(P-Si)。4.3MOS結構的閾值電壓3.柵氧化層中有效表面態(tài)電荷密度QSS對VT的影響圖（e）顯示了柵氧化層中各種正電荷以及Si-SiO2界面的界面態(tài)對半導體表面的影響，圖中用有效表面態(tài)電荷密度QSS來等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一側，這樣來等效，便于問題的處理。圖（f）則顯示了半導體表面受QSS作用后能帶彎曲情形。(e)(f)4.3MOS結構的閾值電壓(g)(h)圖（g）顯示了為平衡SiO2層中有效表面態(tài)電荷密度QSS對半導體表面的影響，施加補償電壓VG’’的情形。在數(shù)值上該補償電壓需滿足VG’’=－（QSS/Cox）。一般地，由于QSS>0，因此，有VG’’<0。圖（h）則顯示了這種補償效果，這時半導體表面能帶被拉平。這時MOS結構的閾值電壓VT為：景物CCD器件透鏡4.3MOS結構的閾值電壓4.3.3MOS結構的應用——電荷耦合器件（CCD）1969年，美國貝爾實驗室的兩位科學家WillardBoyle（韋拉德·博伊爾）和GeorgeSmith（喬治·史密斯）發(fā)明了電荷耦合器件CCD——ChargeCoupledDevice。1.影像信息的采集作為一種高分辨率的圖像傳感器，CCD器件擁有許多優(yōu)異的性能。它可直接將光信號轉換為電信號，電信號再經(jīng)過放大和模數(shù)轉換，即可實現(xiàn)圖像信號的采集、存儲與傳輸。目前，它已被廣泛應用于電視攝像機、數(shù)碼相機、掃描儀及各種影像監(jiān)視儀中。光照電子-空穴對信息電荷P-Si4.3MOS結構的閾值電壓2.CCD結構單元CCD結構單元是由一系列緊密排列的MOS電容所構成的，如圖所示。景物的影像光照產(chǎn)生電子-空穴對，對應地在VG端施加一正脈沖，從而產(chǎn)生一勢阱。此時，空穴因帶正電荷而被排斥走，電子帶負電荷而被吸引進勢阱中，這些電子被稱為信息電荷，它反映了光照的強弱，并暫時被儲存在所謂的電子勢阱中。P-Si滿阱P-Si空阱4.3MOS結構的閾值電壓3.電子勢阱的形成與電荷轉移當在MOS電容的柵極突然施加一幅度較高的電壓脈沖時，空穴因帶正電荷而被迅速趕往襯底，并留下了受主負離子，由于短時間內熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量有限，此時為平衡柵極正電荷，在半導體Si表面柵極正下方產(chǎn)生一個較深的耗盡區(qū)，稱作勢阱。沒有信息電荷（電子）的勢阱稱為空阱；當勢阱里的電荷主要以自由電子為主時，我們稱其為滿阱，如圖（a）、（b）所示。(a)(b)P-SiP-Si4.3MOS結構的閾值電壓(c)(d)勢阱中信息電荷的轉移是CCD器件重要的工作機理，如圖(c)、(d)所示。a、b、c三個電極上施加有不同的電壓脈沖，且有V3>V2>V1，因此，c勢阱中的電勢能最低，當b阱中有信息電荷時，在V3脈沖的作用下，將會轉移到c阱中，實現(xiàn)信息轉移。4.4MOS結構的C-V特性4.4.1MOS電容從結構上看，MOS結構實際上構成了一個電容器，它的柵電極構成了該電容器的上電極，而下面的半導體襯底則構成了電容器的下電極。前面的分析已經(jīng)表明，當在金屬柵極上施加不同的電壓時，在半導體襯底的表面會感應出空間電荷區(qū)以及反型層或者多數(shù)載流子的積累層。另外，我們也注意到這個下電極，即半導體襯底的表面在帶電情形時與普通電容器的帶電情形存在一定的區(qū)別，這告訴我們這種MOS電容器應當與普通電容器存在一定的區(qū)別。圖示電路中的C是一個MOS電容，由于單位面積的電容量較小，MOS電容也只能制作小容量電容，一般小于100PF。MOS電容直流偏壓交流小信號信號電流P-Si4.4MOS結構的C-V特性4.4.2理想MOS電容的C-V特性由于MOS電容也是一種非線性電容，即是它的電容值是隨著施加在它上面的直流偏壓而改變的，因此實質上是一種微分電容。圖示為一種測量MOS電容的原理電路。其中V為直流偏壓，ΔV=u為測量信號。定義：或者近似4.4MOS結構的C-V特性1.柵極直流偏壓滿足VG<0（以P-Si為襯底）當柵極施加負偏壓時，P-Si表面感應出多子空穴的積累層，該空穴積累層緊靠Si表面，因此，負柵直流偏壓在一定范圍變化時，MOS電容值C(V)=Cox不變。2.柵極直流偏壓滿足0<VG<VT設VG=V，則有因此電子-空穴對產(chǎn)生4.4MOS結構的C-V特性等效電路如圖所示。CS滿足其中，εSi為硅的相對介電常數(shù)11.9，xd為表面空間電荷區(qū)厚度。3.柵極直流偏壓滿足VG>VT高頻f>1kHz低頻f<100Hz4.4MOS結構的C-V特性i)高頻情況(f>1kHz)ii)低頻情況(f<100Hz)理想C-V特性曲線4.4MOS結構的C-V特性4.4.3實際MOS電容的C-V特性1.金屬-半導體功函數(shù)差對C-V特性的影響受金屬柵極與半導體襯底材料功函數(shù)的不同，當它們之間的接觸電勢差為φms時，曲線將平移該數(shù)值，如圖所示。對于絕大部分金屬，由于φms<0，故曲線發(fā)生左移。①是理想情形；②為平移后情形。高頻C-V曲線（P-Si襯底）①②4.4MOS結構的C-V特性2.Si-SiO2系統(tǒng)中有效正電荷面密度QSS的影響受柵氧化層正電荷以及Si-SiO2界面的界面態(tài)的影響（通常用QSS來表達），實測C-V曲線通常會發(fā)生往左偏移，其偏移量為QSS/Cox。圖示①為理想曲線；②為實測曲線。高頻C-V曲線（P-Si襯底）①②考慮到上述兩因素，C-V曲線總的平移量為：Al電極SiO2層4.4MOS結構的C-V特性4.4.4MOS電容在集成電路中的應用集成電路中的MOS電容器。集成MOS電容因需占據(jù)較大面積，一般單獨占用一隔離區(qū)，并使用N型襯底。上圖是MOS電容器的剖面圖，采用PN結隔離，而下圖則是其版圖。①②4.5金屬與半導體接觸4.5.1金屬-半導體接觸金屬與半導體接觸主要是為形成半導體器件的電極系統(tǒng)和完成集成電路中的互連線（即電路的布線），使用最多的金屬是Al，其他如TiNi、Cu、Ag、Au等也較常用，如圖(a)。金屬-半導體接觸可以形成所謂的①整流接觸和②歐姆接觸，其伏安特性見圖(b)所示。(a)(b)N型半導體金屬自建電場N型半導體金屬4.5金屬與半導體接觸4.5.2肖特基勢壘與整流接觸(c)(d)設有一金屬和一N型半導體，它們未接觸前，能帶圖如圖(c)所示，并假設有Wm>Ws。當它們緊密接觸以后，所形成的能帶圖如圖(d)所示，并產(chǎn)生一勢壘，稱其為肖特基勢壘，勢壘高度為qVD=EFS-EFm。4.5金屬與半導體接觸(a)(b)(c)※

關于整流接觸的熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論認為：在一定溫度T下，總有少量位于費米能級EFm附近的電子因獲得足夠能量而逸出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。同樣地，對于半導體來說，也總會存在少量位于導帶底附近的電子因獲得足夠能量而逸出其表面的現(xiàn)象發(fā)生，見圖(a)所示。4.5金屬與半導體接觸圖(a)表明，在金屬-半導體交界面兩側，金屬中將有少量電子突破勢壘φm進入到半導體一側，而半導體中也同樣會有部分電子越過勢壘qVD進入到金屬中（注意這里φm稍大于qVD且是不變的）。當系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，金屬與半導體互相通過界面發(fā)射電子，它們各自所對應的電子電流大小相等，而方向相反，于是通過肖特基勢壘的凈電流為零。但應當注意，這種平衡是動態(tài)的，一旦施加外加偏壓，這種平衡將會被打破，從而產(chǎn)生一定的凈電流。圖(b)顯示了施加正向偏壓的情形，這時半導體向金屬發(fā)射電子數(shù)量明顯增加，形成正向電流；圖(c)顯示了施加反向偏壓的情形，這時半導體向金屬發(fā)射的電子數(shù)量極少，而金屬向半導體發(fā)射的電子數(shù)量基本不變，因為φm不變，從而形成一股反向電流。金-半整流接觸伏安特性方程：其中A為結面積，C為常數(shù)。集電極高摻雜區(qū)4.5金屬與半導體接觸4.5.3歐姆接觸a.低勢壘接觸當金屬與半導體接觸時，形成的肖特基勢壘很低或者不形成勢壘而是形成多子積累層。b.高復合接觸是指將半導體表面打磨或吹砂，使之產(chǎn)生大量的晶格缺陷，從而形成許多復合中心，并形成良好的歐姆接觸。c.高摻雜接觸在半導體表面，采用一定的工藝方法形成高摻雜薄層，使得所形成的勢壘區(qū)很薄，從而產(chǎn)生量子效應——隧道效應，來實現(xiàn)歐姆接觸，如圖所示。4.5金屬