微電子與集成電路設(shè)計(jì)導(dǎo)論Introductiontomicroelectronicsandintegratedcircuitdesign第三章半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容_p-n結(jié)熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)耗盡區(qū)耗盡層勢壘電容電流-電壓特性結(jié)擊穿圖3.1.1（a）PN結(jié)的簡化結(jié)構(gòu)圖；（b）理想均勻摻雜PN結(jié)的摻雜剖面（a）緩變結(jié)

（b）線性緩變結(jié)圖3.1.2緩變結(jié)示意圖

當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合時，由于在結(jié)上載流子存在大的濃度梯度，載流子會擴(kuò)散．在p側(cè)的空穴擴(kuò)散進(jìn)入n側(cè)，而n側(cè)的電子擴(kuò)散進(jìn)入p側(cè)。

當(dāng)空穴持續(xù)離開p側(cè)，在結(jié)附近的部分負(fù)受主離子NA－未能夠受到補(bǔ)償，此乃因受主被固定在半導(dǎo)體晶格，而空穴則可移動．類似地，在結(jié)附近的部分正施主離子ND+在電子離開n側(cè)時未能得到補(bǔ)償．因此，負(fù)空間電荷在接近結(jié)p側(cè)形成，而正空間電荷在接近結(jié)n側(cè)形成．此空間電荷區(qū)域產(chǎn)生了一電場，其方向是由正空間電荷指向負(fù)空間電荷，如圖上半部所示。熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)

對個別的帶電載流子而言，電場的方向和擴(kuò)散電流的方向相反．圖下方顯示，空穴擴(kuò)散電流由左至右流動，而空穴漂移電流因?yàn)殡妶龅年P(guān)系由右至左移動．電子擴(kuò)散電流由右至左流動，而電子漂移電流移動的方向剛好相反．應(yīng)注意由于帶負(fù)電之故，電子由右至左擴(kuò)散，恰與電流方向相反。熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)圖3.1.3平衡狀態(tài)下的PN結(jié)半導(dǎo)體的總電荷中性要求p側(cè)每單位面積總負(fù)空間電荷必須精確地和n側(cè)每單位面積總正空間電荷相同：在耗盡區(qū)域，自由載流子完全耗盡，泊松方程式可簡化為總耗盡層寬度W即為耗盡區(qū)其中Em是存在x＝0處的最大電場由和積分得到：(a)熱平衡時空間電荷在耗盡區(qū)的分布(b)電場分布。陰影面積為內(nèi)建電勢耗盡區(qū)將和對耗盡區(qū)積分，可得到總電勢變化，此即內(nèi)建電勢Vbi：可得到以內(nèi)建電勢為函數(shù)的總耗盡區(qū)寬度為：上式結(jié)合和耗盡區(qū)圖3.1.3平衡狀態(tài)下的PN結(jié)圖3.1.3（c）也給出了自建電場的強(qiáng)度的變化曲線，最大值出現(xiàn)在冶金結(jié)處，向兩邊線性下降，在空間電荷區(qū)邊界處下降到零。自建電勢的大小從左邊的空間電荷區(qū)邊界逐漸下降，呈非線性變化，如圖3.1.3（d）所示。

p-n結(jié)形成之前，p型和n型半導(dǎo)體材料是彼此分離的，其費(fèi)米能級在p型材料中接近價帶邊緣，而在n型材料中則接近導(dǎo)帶邊緣．p型材料包含大濃度的空穴而僅有少量電子，但是n型材料剛好相反。能帶圖(banddiagram)：熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)圖3.1.4平衡PN結(jié)的能帶圖圖3.1.5PN結(jié)加正向電壓圖3.1.6PN結(jié)加反向電壓其中是Js飽和電流密度:

通過器件的總電流為常數(shù)，且為上兩式的總和，為理想二極管方程式：

右圖為理想電流-電壓特性曲線．在V≥3kT/q時，p側(cè)加上正偏壓為正方向，電流增加量為常數(shù)，在反方向時，電流密度在-Js

達(dá)到飽和。

電流－電壓特性圖3.1.7PN結(jié)的伏安特性p-n結(jié)最重要的特性是整流性，即只容許電流流經(jīng)單一方向。右圖為一典型硅p-n結(jié)的電流-電壓的特性。當(dāng)對p-n結(jié)施以正向偏壓(p端為正)時，隨著電壓的增加電流會快速增加．然而，當(dāng)施以反向偏壓時，隨反向偏壓的增加幾乎沒有任何電流，電流變化很小，直到一臨界電壓后電流才突然增加．這種電流突然增加的現(xiàn)象稱為結(jié)擊穿(junctionbreakdown)．外加的正向電壓通常小于1V，但是反向臨界電壓或擊穿電壓可以從幾伏變化到幾千伏，視摻雜濃度和其他器件參數(shù)而定。熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)其中

稱為理想系數(shù)(idealityfactor)．當(dāng)理想擴(kuò)散電流占優(yōu)勢時，

等于1；但是當(dāng)復(fù)合電流占優(yōu)勢時，

等于2；當(dāng)兩者電流相差不多時，

介于1和2之間.一般而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以被表示成

右圖顯示室溫下硅和砷化鎵p-n結(jié)測量的正向特性．在低電流區(qū)域，復(fù)合電流占優(yōu)勢，

等于2；在較高的電流區(qū)域，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢，

接近1．電流－電壓特性

工作溫度對器件特性有很大的影響．在正向和反向偏壓情況之下，擴(kuò)散和復(fù)合-產(chǎn)生電流的大小和溫度有強(qiáng)烈的關(guān)系．右圖顯示硅二極管的正向偏壓特性和溫度的關(guān)系．在室溫及小的正向偏壓下，復(fù)合電流占優(yōu)勢，然而在較高的正向偏壓時，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢．給定一正向偏壓，隨著溫度的增加，擴(kuò)散電流增加速率較復(fù)合電流快．溫度影響電流－電壓特性右圖顯示溫度對硅二極管反向特性的影響．在低溫時，產(chǎn)生電流占優(yōu)勢，且對于突變結(jié)(即W～VR1/2)，反向電流隨VR1/2變化．當(dāng)溫度上升超過175℃，在VR≥3kT/q時，產(chǎn)生電流有飽和的趨勢，擴(kuò)散電流將占優(yōu)。電流－電壓特性

對于深擴(kuò)散或高能離子注入的p-n結(jié)，雜質(zhì)濃度分布可以被近似成線性緩變結(jié)，亦即濃度分布在結(jié)區(qū)呈線性變化。這樣的p-n結(jié)稱為線性緩變結(jié)，如圖。線性緩變結(jié)（linearlygradedjunction）

熱平衡的狀態(tài)下，線性緩變結(jié)耗盡區(qū)的雜質(zhì)分布如圖(a)所示。泊松方程式在此為其中已經(jīng)假設(shè)移動載流子在耗盡區(qū)是可忽略的，a是濃度梯度(單位色cm－4)，W為耗盡區(qū)寬度。

用電場在

W/2處為零的邊界條件，由上式得到電場分布如圖(b)所示。耗盡區(qū)在x=0處的最大電場為對積分兩次，可同時得到電勢分布和其對應(yīng)的能帶圖分別如圖(c)和(d)所示。內(nèi)建電勢和耗盡區(qū)寬度為

耗盡區(qū)單位面積耗盡層勢壘電容定義為:右圖表示任意摻雜濃度p-n結(jié)的勢壘電容．實(shí)線代表電壓加在n側(cè)時對應(yīng)的電荷和電場分布．如果電壓增加了dV的量，電荷和電場分布會擴(kuò)張到虛線的區(qū)域．耗盡層勢壘電容(depletionlayercapdcitance)其中dQ是外加偏壓變化dV時，單位面積耗盡層電荷的增量．耗盡層勢壘電容圖3.1.8勢壘電容CB隨V的變化特性PN結(jié)反偏電壓減小、耗盡層的寬度減小、空間電荷量減少，相當(dāng)于勢壘電容放電；PN結(jié)反偏電壓增加、耗盡層的寬度增大、空間電荷量增加，相當(dāng)于勢壘電容充電。勢壘電容的大小與PN結(jié)的面積成正比，與耗盡層的厚度成反比，而耗盡層的厚度是隨外加電壓變化的。反偏電壓越大，勢壘電容愈小；正偏時，勢壘電容隨正偏電壓的增大而增大。對正向偏壓而言，大量電流可以流過結(jié)，因此也代表中性區(qū)有大量的移動裁流子．這些隨著偏壓增加的移動載流子增量會貢獻(xiàn)出額外的一項(xiàng)電容，稱為擴(kuò)散電容。

耗盡層勢壘電容圖3.1.9擴(kuò)散電容示意圖如果正偏電壓增大，少子濃度梯度增加，相當(dāng)于“充電”。當(dāng)正偏電壓減小時，少子濃度梯度下降，相當(dāng)于“放電”。由于少數(shù)載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都需要一個時間過程，所以擴(kuò)散電容在高頻下基本上不起作用。

雪崩倍增的過程如圖所示．在反向偏壓下，在耗盡區(qū)因熱產(chǎn)生的電子(標(biāo)示1)，由電場得到動能．如果電場足夠大，電子可以獲得足夠的動能，以致于當(dāng)和原子產(chǎn)生撞擊時，可以破壞鍵而產(chǎn)生電子-空穴對(2和2’)．這些新產(chǎn)生的電子和空穴，可由電場獲得動能，并產(chǎn)生額外的電子-空穴對(譬如3和3’)．這些過程生生不息，連續(xù)產(chǎn)生新的電子-空穴對．這種過程稱為雪崩倍增．

雪崩倍增(avalanchemultiplication)結(jié)擊穿圖3.1.11橫向擴(kuò)散引起的拐角處電場集中示意圖

當(dāng)一足夠大的反向電壓加在p-n結(jié)時，結(jié)會擊穿而導(dǎo)通一非常大的電流．兩種重要的擊穿機(jī)制為隧道效應(yīng)和雪崩倍增．對大部分的二極管而言，雪崩擊穿限制反向偏壓的上限，也限制了雙極型晶體管的集電極電壓。

當(dāng)一反向強(qiáng)電場加在p-n結(jié)時，價電子可以由價帶移動到導(dǎo)帶，如圖所示．這種電子穿過禁帶的過程稱為隧穿．隧穿只發(fā)生在電場很高的時候．對硅和砷化鎵，其典型電場大約為106V/cm或更高．為了得到如此高的電場，p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度必須相當(dāng)高(＞5×1017cm-3)．隧道效應(yīng)(tunnelingeffect)：結(jié)擊穿

由上述的擊穿條件以及和電場有關(guān)的電離率，可以計(jì)算雪崩倍增發(fā)生時的臨界電場。使用測量得的

n和

p，可求得硅和砷化鎵單邊突變結(jié)的臨界電場Ec，其與襯底摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系如圖所示。圖中亦同時標(biāo)示出隧道效應(yīng)的臨界電場。顯然，隧穿只發(fā)生在高摻雜濃度的半導(dǎo)體中。

對于硅和砷化鎵結(jié)，擊穿電壓約小于4Eg/q時(Eg為禁帶寬度)，其擊穿機(jī)制歸因于隧道效應(yīng)．擊穿電壓超過6Eg/q，其擊穿機(jī)制歸因于雪崩倍增．當(dāng)電壓在4Eg/q和6Eg/q之間，擊穿則為雪崩倍增和隧穿二者共同作用的結(jié)果。結(jié)擊穿圖3.1.13硅和砷化鎵單邊突變的擊穿臨界電場和襯底雜質(zhì)濃度的關(guān)系

PN結(jié)的應(yīng)用本節(jié)內(nèi)容_BJT晶體管的基本結(jié)構(gòu)及其雜質(zhì)分布晶體管的放大機(jī)理晶體管的直流伏安特性直流電流增益基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和頻率的關(guān)系電流放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系大注入效應(yīng)大電流下的基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)3.2雙極型晶體管

圖3.2.1雙極型晶體管的分類晶體管的種類很多，按使用的要求，一般分為低頻管和高頻管、小功率管和大功率管、低噪聲、高反壓管和開關(guān)管等。按制造工藝分可分為和合金管、擴(kuò)散管、離子注入管、臺面管和平面管等。雙極型晶體管(bipolartransistor)的結(jié)構(gòu)

雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)通過程的半導(dǎo)體器件，由兩個相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n的形式。

如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其制造過程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，再在此n型區(qū)域上以熱擴(kuò)散形成一高濃度的p＋型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p＋、n以及下方的p型區(qū)域形成歐姆接觸。3.2.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型圖3.2.3雙極型晶體管結(jié)構(gòu)理想的一維結(jié)構(gòu)雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個p-n結(jié)。濃度最高的p＋區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。圖3.2.4雙極晶體管實(shí)際結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布3.2.2晶體管的電流放大原理圖3.2.5晶體管放大電路原理圖3.2.6晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動示意圖1．晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動2．晶體管的電流分配關(guān)系IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP

IC=ICN+ICBO

IB=IBN+IEP?ICBO

從外部看

IE=IC+IB

3.2.3晶體管中載流子濃度分布圖3.2.7PNP管結(jié)構(gòu)示意圖圖3.2.8平衡狀態(tài)下晶體管的能帶圖及載流子濃度分布圖熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)能帶直接延伸，應(yīng)用到兩個相鄰的耦合p＋-n結(jié)與n-p結(jié)。圖3.2.9放大狀態(tài)下晶體管的能帶圖及載流子濃度分布圖工作在放大模式下的共基組態(tài)n-p-n型晶體管，與熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)為正向偏壓，耗盡區(qū)寬度變窄。而集電結(jié)為反向偏壓，耗盡區(qū)變寬。圖3.2.10截止?fàn)顟B(tài)下晶體管的能帶圖及載流子濃度分布圖工作在截止模式下的共基組態(tài)晶體管，射基結(jié)為反向偏壓，耗盡區(qū)寬度變寬。集電結(jié)也為反向偏壓，耗盡區(qū)變寬。晶體管可視為開關(guān)斷路(或是關(guān)閉)。3.2.4晶體管的伏安特性曲線圖3.2.11共基極直流特性曲線測量原理電路圖圖3.2.14共發(fā)射極直流特性曲線測量原理電路圖圖3.2.12共基極輸入特性曲線圖圖3.2.15共發(fā)射極直流特性輸入特性曲線特性曲線對比：……圖3.2.13共基極直流特性輸出曲線圖圖3.2.16共發(fā)射極直流特性輸出曲線圖特性曲線對比：……圖3.2.17發(fā)射極實(shí)際測量的輸出特性曲線

當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時，基區(qū)的寬度將會減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會增加。下圖顯示出IC隨著VEC的增加而增加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點(diǎn)，稱為厄萊電壓。3.2.5晶體管的頻率特性1.晶體管的交流放大系數(shù)①

共基極交流放大系數(shù)α②

共發(fā)射極交流放大系數(shù)β下圖(a)是此放大器的低頻等效電路，在更高頻率的狀況下，必須在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。與正向偏壓的p-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會有一勢壘電容CEB和一擴(kuò)散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢壘電容CCB，如圖(b)所示。

當(dāng)一小信號附加在輸入電壓上時，基極電流iB將會隨時間變動，而成為一時間函數(shù)，如右圖所示。基極電流的變動使得輸出電流iC跟著變動，而iC的變動是iB變動的β0倍，因此晶體管放大器將輸入信號放大了。2.晶體管頻率特性參數(shù)圖3.2.18電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系①

α截止頻率②

β截止頻率③

特征頻率fT④

最高振蕩頻率fM其中

0是低頻(或直流)共基電流增益，f

是共基截止頻率，當(dāng)工作頻率f=f

時，

的值為0.707

0(下降3dB)。截止頻率fT(又稱特征頻率)定義為β的絕對值變?yōu)?時的頻率。其中β0是低頻(或直流)共基電流增益，fβ是共射截止頻率，當(dāng)工作頻率f=fβ時，

β的值為0.707β0(下降3dB)。最高振蕩頻率fM定義為功率增益降為1時的頻率。3.2.6晶體管的大電流特性圖3.2.19集電極最大電流與電流放大倍數(shù)β的關(guān)系在大電流區(qū)域，晶體管的直流特性和交流特性都會發(fā)生明顯的變化。電流增益和特征頻率等參數(shù)都會隨著大電流工作狀態(tài)而迅速下降。1.集電極最大電流圖3.2.20不同注入水準(zhǔn)時的基區(qū)少子分布（1）基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)圖3.2.21基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)示意圖（2）基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)圖3.2.22電流集邊效應(yīng)示意圖（3）電流集邊效應(yīng)3.晶體管的最大耗散功率4.大功率晶體管的圖形結(jié)構(gòu)圖3.2.23梳狀結(jié)構(gòu)示意圖圖3.2.24覆蓋結(jié)構(gòu)示意圖圖3.2.25網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖本節(jié)內(nèi)容_MOSFETMOS的器件結(jié)構(gòu)

MOSFET基本原理

MOSFET能帶圖

閾值電壓特性曲線功率MOSFET圖3.3.1場效應(yīng)晶體管的分類3.3.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的器件結(jié)構(gòu)

圖3.3.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖類型N溝MOSFETP溝MOSFET耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型襯底P型N型S、D區(qū)N+區(qū)P+區(qū)溝道載流子電子空穴VDS大于零小于零IDS方向由D→S由S→D閾值電壓VT<0VT>0VT>0VT<0電路符號3.3.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的能帶圖圖3.3.3零偏壓下理想P襯底MOS電容能帶圖（1）金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差為0，即：

（2）氧化層電荷為零。在任何外加偏壓下，電容內(nèi)的電荷僅為半導(dǎo)體電荷，氧化層相鄰金屬表面上有等量但極性相反的感應(yīng)電荷。功函數(shù)為費(fèi)米能級與真空能級之間的能量差(金屬:q

m;半導(dǎo)體:q

s)，qχ為電子親和力，即半導(dǎo)體中導(dǎo)帶邊緣與真空能級的差值，qΨB為費(fèi)米能級EF與本征費(fèi)米能級Ei的能級差．圖3.3.4積累時能帶圖及電荷分布

對p型半導(dǎo)體而言，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬平板上時，SiO2-Si界面處將產(chǎn)生超量的空穴，接近半導(dǎo)體表面的能帶將向上彎曲，如圖．對理想MOS二極管而言，不論外加電壓為多少，器件內(nèi)部均無電流流動，所以半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級將維持為一常數(shù)．空穴在氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象。圖3.3.5耗盡時能帶圖及電荷分布

當(dāng)外加一小量正電壓于金屬時，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲，形成多數(shù)載流子(空穴)耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象。在半導(dǎo)體中單位面積的空間電荷Qsc的值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度。圖3.3.6反型時能帶圖及電荷分布加在金屬上的正電壓持續(xù)增加，在半導(dǎo)體表面上的電子(少數(shù)載流子)數(shù)目大于空穴(多數(shù)載流子)，表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象。起初，因電子濃度較小，表面處于一弱反型的狀態(tài)，當(dāng)能帶持續(xù)彎曲，使得導(dǎo)帶的邊緣接近費(fèi)米能級．當(dāng)靠近SiO-Si界面的電子濃度等于襯底的摻雜量時，開始產(chǎn)生強(qiáng)反型。QS=QM=QSC+Qn QSC=?qNAWM

式中，QS為半導(dǎo)體單位面積的電荷（包括耗盡層電荷和反型層電荷）。WM為表面耗盡區(qū)的最大寬度。φS<0：空穴積累（能帶向上彎曲）；φS=0：平帶情況；φB>φS>0：空穴耗盡（能帶向下彎曲）；φS=φB：禁帶中心，即Ns＝NP＝Ni（本征濃度）；φB<φS<2φB：弱反型（能帶向下彎曲超過費(fèi)米能級）．φS>2φB：強(qiáng)反型。VG=VOX+φS而氧化層電壓VOX為3.3.3閾值電壓閾值電壓VT為圖3.3.8MOS電容能帶圖圖3.3.9氧化層中的電荷為此，引入平帶電壓VFB來描述功函數(shù)差和絕緣層中電荷的影響：式中第一項(xiàng)是為了消除功函數(shù)差不為零所帶來的能帶彎曲。式中第二項(xiàng)是為了消除由于氧化層電荷不為零而帶來的能帶彎曲。因此，在實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)中，需要先加平帶電壓使能帶回復(fù)到平直狀態(tài)，然后按理想情況考慮即可。因此閾值電壓為：3.3.3工作原理圖3.3.10VGS對溝道形成的影響圖3.3.11VDS對溝道夾斷的影響3.3.4特性曲線當(dāng)VGS<VGSth時，MOS管中未形成導(dǎo)電溝道，不論源-漏電壓VDS是否大于零，漏電流ID為零；而當(dāng)VGS>VGSth時，導(dǎo)電溝道形成，VDS一定，VGS越大，ID隨之增大。ID隨VGS變化的特性稱為MOS管的轉(zhuǎn)移特性。圖3.3.12N溝道增強(qiáng)型