半導體器件原理和工藝4ppt課件

1、半導體器件半導體器件晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性-小信號模型小信號模型 高頻時, 晶體管內(nèi)寄生電容的影響加大 分類: 低頻晶體管(03MHz) 高頻晶體管(3750MHz) 超高頻晶體管(750MHz)半導體器件半導體器件頻率對晶體管電流放大系數(shù)的影響 頻率增大,器件的電流放大系數(shù)將下降半導體器件半導體器件晶體管交流小信號的傳輸過程X1 X2X3 X4iCTeiCDeiVBIp(X1)In(X1)In(X3) In(X4)iCTc半導體器件半導體器件發(fā)射效率和基區(qū)輸運系數(shù)CTepnnenCTepneiXixiXiiXiiXixii) 1() 1() 1() 1() 1() 1(CDeVBn

2、nnnCDeVBnniiXiXiXiXiiiXiXi)3()3()2()3()3()2(*半導體器件半導體器件晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性-小信號模型小信號模型 小信號工作條件：小信號工作條件： 輸入信號電壓以及輸出信號電壓都遠小于熱輸入信號電壓以及輸出信號電壓都遠小于熱電壓電壓(kT/q)(kT/q)cCCbeBEBEiIivVv半導體器件半導體器件小信號模型小信號模型-1i1i2v1v2T 短路輸入導納短路輸入導納 短路正向跨導納短路正向跨導納 短路反向跨導納短路反向跨導納 短路輸出導納短路輸出導納半導體器件半導體器件小信號模型小信號模型-2短路輸入阻抗短路輸入阻抗短路正向電流傳輸系短

3、路正向電流傳輸系數(shù)、即電流增益數(shù)、即電流增益開路反向電壓傳輸系開路反向電壓傳輸系數(shù)，即電壓反饋系致數(shù)，即電壓反饋系致開路輸出導納開路輸出導納h參數(shù)參數(shù)半導體器件半導體器件小信號模型小信號模型-3ebcvbevce共發(fā)射極共發(fā)射極h h參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路半導體器件半導體器件小信號等效電路小信號等效電路 混合混合模型模型ggm-ggo由由E-M方程：方程：正向有源區(qū)正向有源區(qū)半導體器件半導體器件混合混合模型模型-1 跨導gmgmgm正比于正比于IcIc，反比于，反比于T T。gmgm只決定于工作電流及工作溫度，與器件所用只決定于工作電流及工作溫度，與器件所用材料無關(guān)。材料無關(guān)?？鐚c器件的結(jié)

4、面積的大小無關(guān)。跨導與器件的結(jié)面積的大小無關(guān)。半導體器件半導體器件混合混合模型模型-2 輸入電導輸入電導g 輸出電導輸出電導go半導體器件半導體器件混合混合模型模型-3 反饋電導反饋電導g半導體器件半導體器件混合混合模型模型-4 現(xiàn)代高現(xiàn)代高晶體管晶體管0g半導體器件半導體器件完整的混合完整的混合模型等效電路模型等效電路半導體器件半導體器件特征頻率和截止頻率特征頻率和截止頻率 特征頻率特征頻率fTfT和截止頻率和截止頻率f f是根據(jù)是根據(jù)hFEhFE隨頻率的變隨頻率的變化關(guān)系定義的化關(guān)系定義的半導體器件半導體器件特征頻率和截止頻率特征頻率和截止頻率-1半導體器件半導體器件特征頻率和截止頻率特征

5、頻率和截止頻率-2半導體器件半導體器件特征頻率和截止頻率特征頻率和截止頻率-3-3 截止頻率的定義截止頻率的定義半導體器件半導體器件特征頻率和截止頻率特征頻率和截止頻率-4-4 當當 時，時，1半導體器件半導體器件最高振蕩頻率和高頻優(yōu)值PEBiBicRcEcNNUincbTMpmcbTpmbciccbbiCrffGfCrfGrRPPGpRiPriP818220202半導體器件半導體器件提高特征頻率的措施 基區(qū)渡越時間 發(fā)射結(jié)勢壘電容 集電結(jié)勢壘電容 提高fT的方法 減小基區(qū)寬度 減小發(fā)射結(jié)面積 減小集電結(jié)面積半導體器件半導體器件晶體管的噪聲半導體器件半導體器件晶體管的噪聲 信噪比 信號功率與噪

6、聲功率之比 噪聲系數(shù)NF 輸入信噪比/輸出信噪比 晶體管的噪聲來源 熱噪聲，rB 散粒噪聲,少子的影響大 1/f噪聲半導體器件半導體器件晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 開關(guān)工作開關(guān)工作 器件在開態(tài)和關(guān)態(tài)之器件在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間切換間切換 開關(guān)晶體管的靜態(tài)參開關(guān)晶體管的靜態(tài)參數(shù)包括臨界飽和電流數(shù)包括臨界飽和電流增益、飽和深度、開增益、飽和深度、開態(tài)阻抗及關(guān)態(tài)阻抗。態(tài)阻抗及關(guān)態(tài)阻抗。臨界飽和電流增益：半導體器件半導體器件瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)-1 飽和深度過驅(qū)動因子）飽和深度過驅(qū)動因子） 關(guān)態(tài)阻抗關(guān)態(tài)阻抗 開態(tài)阻抗開態(tài)阻抗過驅(qū)動電流過驅(qū)動電流半導體器件半導體器件開關(guān)時間開關(guān)時間開啟時間開啟時間關(guān)斷時間關(guān)

7、斷時間半導體器件半導體器件瞬態(tài)開啟特性瞬態(tài)開啟特性基極輸入電壓脈沖的上升沿到來之后，集電基極輸入電壓脈沖的上升沿到來之后，集電極電流從截止態(tài)小電流上升到飽和態(tài)大電流極電流從截止態(tài)小電流上升到飽和態(tài)大電流的過程。的過程。包含延遲過程和上升過程包含延遲過程和上升過程延遲過程是發(fā)射結(jié)過渡區(qū)電容的充電過程延遲過程是發(fā)射結(jié)過渡區(qū)電容的充電過程延遲過程：延遲過程：dtdvCdtdqdtdvCdtdqdtdqdtdqIBCTCTCBETETETCTEB1半導體器件半導體器件延遲過程延遲過程0101101BEccccBEVVVVBCTCVVBETEttBdvCdvCdtI)()1 ()1 ()1 ()()1

8、()(111101110101100cccccccmccmcccBTCmBJCmcBTEmBJEddmBJCBCTCBCTEmBJEBETEBETEVVVmICVVmICVttttVvCvCVvCvC半導體器件半導體器件上升過程上升過程BJTBJT始終在正向放大區(qū)工始終在正向放大區(qū)工作狀態(tài)作狀態(tài)dtdqdtdqdtdqqITCTEFBFFB1dtdidtdigCdtdqdtdigdtdididvdtdvdtdvCdtdqcTEcmTETEcmccBEBEBETETE1dtdirRCdtdvCdtdqdirRdvcCSLTCBCTCTCCCSLBC)()(半導體器件半導體器件上升過程上升過程-1

9、dtdqdtdqdtdqqITCTEFBFFB1dtdididqdtdididqdtdididqdtdididqdtdqqqqqdtddtdqccDccBEccBccEFDBEBEF)(dtdicDBEBE)(半導體器件半導體器件上升過程上升過程-2dtdqdtdqdtdqqITCTEFBFFB1cBFFiqdtdiRCiIdtdiRCiIcLTCECcBCTCDBEBETEcLTCCTCDBEBEcB)()(11令半導體器件半導體器件上升過程上升過程-3縮短開啟時間的措施：縮短開啟時間的措施：盡可能減小結(jié)電容盡可能減小結(jié)電容CTE和和CTC提高提高fT, 有利于縮短有利于縮短td2及及tr適

10、當提高適當提高增大增大IB1半導體器件半導體器件關(guān)斷時間關(guān)斷時間始于基極輸入電壓脈沖的下降沿，集電極電始于基極輸入電壓脈沖的下降沿，集電極電流下降到反向電流值結(jié)束流下降到反向電流值結(jié)束包含退飽和過程和下降過程包含退飽和過程和下降過程退飽和過程和下降過程的界限是退飽和過程和下降過程的界限是VBC=0VBC=0總超量存儲電荷總超量存儲電荷飽和延遲時間飽和延遲時間半導體器件半導體器件關(guān)斷時間關(guān)斷時間-1邊境邊境:半導體器件半導體器件關(guān)斷時間關(guān)斷時間-2下降過程下降過程( (上升過程的逆過程上升過程的逆過程) )半導體器件半導體器件關(guān)斷時間關(guān)斷時間-3減小關(guān)斷時間的方法減小關(guān)斷時間的方法縮短飽和延遲時

11、間縮短飽和延遲時間s減小減小CTE、CTC、提高、提高fT適當減小適當減小增大增大IB2非飽和邏輯、抗飽和電路等非飽和邏輯、抗飽和電路等半導體器件半導體器件晶體管的功率特性晶體管的功率特性 基區(qū)大注入效應(yīng))11()(110dxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTEdxdppqkTEdxdpqDpEqjdxdnqDnEqjbbBBBbBBbbbBbbpppbnnnb半導體器件半導體器件 基區(qū)大注入效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響 電導調(diào)制效應(yīng)是發(fā)射效率下降 大注入內(nèi)建電場使渡越時間減小nbbbnbbbDWDW4222晶體管的功率特性晶體管的功率特性半導體器件半導體器件晶體管的功率特性晶體管

12、的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 發(fā)射極單位周長的電流容量 發(fā)射極電流與發(fā)射極周長成正比2/10/86. 1sbepeffepeRqkTjSjI半導體器件半導體器件集電結(jié)最大耗散功率和晶體管的熱阻 PCM 最大耗散功率的影響因素 結(jié)溫 熱阻)(ajMCMTTKP半導體器件半導體器件二次擊穿半導體器件半導體器件集電極最大工作電流和安全工作區(qū) ICM 安全工作區(qū)半導體器件半導體器件晶體管的設(shè)計晶體管的設(shè)計晶體管的一般步驟晶體管的一般步驟根據(jù)指標要求確定主要電學參數(shù)的指標根據(jù)指標要求確定主要電學參數(shù)的指標根據(jù)指標要求根據(jù)指標要求, , 結(jié)合現(xiàn)有材料和工藝水平結(jié)合現(xiàn)有材料和工藝水平, ,進進行設(shè)計行設(shè)計縱向設(shè)計縱向設(shè)計橫向設(shè)計橫向設(shè)計工藝設(shè)計工藝設(shè)計封裝設(shè)計封裝設(shè)計驗算驗算, , 對設(shè)計方案進行優(yōu)化對設(shè)計方案進行優(yōu)化半導體器件半導體器件基本原則 全面權(quán)衡各電學參數(shù)之間的關(guān)系,確定主要參數(shù) 正確處理設(shè)計指標和工藝條件之間的矛盾,確定合適的工藝方案 正確處理技術(shù)指標和經(jīng)濟指標之間的關(guān)系 可靠性設(shè)計半導體器件半導體器件電學參數(shù)和結(jié)構(gòu)及材料之間的關(guān)系 表3.1半導體器件半導體器件晶體管的縱向設(shè)計 雜質(zhì)濃度或電阻率 集電區(qū)厚度 基區(qū)寬度 擴散結(jié)深 表面雜質(zhì)濃度 芯片