第七章 半導(dǎo)體器件

第七章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)7.1PN結(jié)PN結(jié)的制備方法突變結(jié)和緩變結(jié)PN結(jié)7.1.1PN結(jié)的制備方法合金法擴(kuò)散法生長法離子注入法合金法n型SiAl塊Al液體鋁硅合金結(jié)P型硅n型Sin型Si擴(kuò)散法N型硅氧化SiO2光刻擴(kuò)散P型硅N型硅N型硅生長法離子注入法7.1.2突變結(jié)N型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，均勻分布P型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA，也是均勻分布在交界面，雜質(zhì)濃度由NA突變?yōu)镹D具有這種雜質(zhì)濃度分布的PN結(jié)稱為突變結(jié)突變結(jié)NxNANDxjx緩變結(jié)緩變結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的NxNANDxjx7.1.3PN結(jié)P，N型半導(dǎo)體接觸前后PN結(jié)能帶圖P，N型半導(dǎo)體未接觸前++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子內(nèi)電場E

因多子濃度差

形成內(nèi)電場

多子的擴(kuò)散

空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層P，N半導(dǎo)體接觸后少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層漂移電流和擴(kuò)散電流1.漂移運(yùn)動(dòng)載流子在外電場作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，由此引起的電流稱為漂移電流。2.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體材料內(nèi)部由于載流子的濃度差而引起載流子的移動(dòng)稱為載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。幾個(gè)概念空間電荷區(qū)——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。內(nèi)部電場——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。耗盡層——在無外電場或外激發(fā)因素時(shí)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡沒有電流，內(nèi)部電場E為恒定值，這時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層。熱平衡－－動(dòng)態(tài)平衡多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散電流少子漂流運(yùn)動(dòng)漂移電流動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，PN結(jié)總電流為零，形成一個(gè)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)內(nèi)只有不能移動(dòng)的離子，是載流子不能停留的區(qū)域或載流子耗盡的區(qū)域，故又稱耗盡層。PN結(jié)能帶圖7.1.4總電子電流密度總電子電流密度等于電子的漂移速度加上電子的擴(kuò)散電流補(bǔ)充：電子電流密度空穴電流密度總電流密度空間層勢壘平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差VD，稱為PN結(jié)的接觸電勢差或者內(nèi)建電勢差qVD稱為PN結(jié)的勢壘高度勢壘高度正好補(bǔ)償了n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)之差接觸電勢差和PN結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度等有關(guān)在一定的溫度下，突變結(jié)兩邊摻雜濃度越高，接觸電勢差越大禁帶寬度越大，ni越小，Vd也越大硅PN結(jié)的電勢差比鍺的大勢壘UO硅0.5V鍺0.1V理想PN結(jié)模型符合以下假設(shè)：小注入條件，注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多突變耗盡層條件，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合玻耳茲曼邊界條件，在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布肖克萊方程式結(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單向?qū)ㄐ?，在正向偏壓下，正向電流密度呈指?shù)關(guān)系變化；在反向偏壓下，J＝－Js，為常數(shù)，與外加電壓無關(guān)溫度對(duì)電流密度影響很大，Js隨著溫度的變化迅速增加7.1.5PN結(jié)擊穿當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PlN結(jié)的反向擊穿。PN結(jié)出現(xiàn)擊穿時(shí)的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用VBR表示。反向擊穿可分為雪崩擊穿、齊納擊穿和熱點(diǎn)擊穿三類。雪崩擊穿當(dāng)反向電壓較高時(shí)，結(jié)內(nèi)電場很強(qiáng)，使得在結(jié)內(nèi)作漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子獲得很大的動(dòng)能。當(dāng)它與結(jié)內(nèi)原子發(fā)生直接碰撞時(shí)，將原子電離，產(chǎn)生新的“電子一空穴對(duì)”。這些新的“電子一空穴對(duì)”，又被強(qiáng)電場加速再去碰撞其他原子，產(chǎn)生更多的“電子一空穴對(duì)”。如此鏈鎖反應(yīng)，使結(jié)內(nèi)載流子數(shù)目劇增，并在反向電壓作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，形成很大的反向電流。這種擊穿稱為雪崩擊穿。顯然雪崩擊穿的物理本質(zhì)是碰撞電離。

齊納擊穿齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)內(nèi)。由于摻雜濃度很高，PN結(jié)很窄，這樣即使施加較小的反向電壓(5v以下)，結(jié)層中的電場卻很強(qiáng)。在強(qiáng)電場作用下，會(huì)強(qiáng)行促使PN結(jié)內(nèi)原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，形成“電子一空穴對(duì)”，從而產(chǎn)生大量的載流子。它們?cè)诜聪螂妷旱淖饔孟?，形成很大的反向電流，出現(xiàn)了擊穿。顯然，齊納擊穿的物理本質(zhì)是場致電離。一般地：擊穿電壓UBR<6V的屬于齊納擊穿擊穿電壓UBR>6V的屬于雪崩擊穿熱電擊穿當(dāng)PN結(jié)施加反向電壓時(shí)，流過PN結(jié)的反向電流要引起熱損耗，將產(chǎn)生大量的熱能，引起結(jié)溫上升；隨著結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速上升，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫上升。如此反復(fù)循環(huán)，最后使Js無限增大而發(fā)生擊穿這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱為熱電擊穿。7.2金屬-半導(dǎo)體接觸功函數(shù)的概念接觸電勢差金屬的功函數(shù)金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差，即EFWm

越大,金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即E0ECEFEV

Ws電子的親合能金屬-半導(dǎo)體接觸前Ev

Ws金屬半導(dǎo)體金屬-半導(dǎo)體接觸后qVD討論：金屬和n型半導(dǎo)體接觸時(shí)有兩種情況

a：

b：Wm<WsWm>Ws金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)1）Wm<Ws金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從金屬流向半導(dǎo)體；在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)；電場方向由表面指向體內(nèi)；半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。反阻擋層（Wm<Ws）EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖

反阻擋層薄,高電導(dǎo),對(duì)接觸電阻影響小2）Wm>Ws金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從半導(dǎo)體流向金屬；在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)；電場方向由體內(nèi)指向表面；半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，形成表面勢壘。在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，稱為阻擋層。阻擋層（Wm>Ws）金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖

阻擋層厚,高阻,對(duì)接觸電阻影響很大EcEv形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層7.2晶體二極管晶體二極管具有單向?qū)ㄐ哉蚱茫篜區(qū)接正電源，N區(qū)接負(fù)

反向偏置：N區(qū)接正，P區(qū)接負(fù)正向偏置正向偏置內(nèi)電場削弱勢壘降低阻擋層變窄擴(kuò)散電流增加漂流電流變小正向?qū)≧UNP++++++++++++++++----------------UiD++__反向偏置NP++++++++++++++++----------------RUUiRNP++++++++++++++++----------------++__反向偏置內(nèi)電場加強(qiáng)勢壘升高阻擋層變寬漂移電流增加擴(kuò)散電流變小反向不導(dǎo)通反向漂移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流，而少數(shù)載流子濃度很低，故反向電流可以忽略。晶體二極管的伏安特性SiiR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR)1.0iDuDSiGe7.3晶體三極管結(jié)型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管場效應(yīng)晶體管MOSFETHEMT7.3.1結(jié)型晶體管由兩個(gè)PN結(jié)組成的晶體管，所引出的三個(gè)電極分別記為發(fā)射級(jí)（E），基級(jí)（B）和集電極（C）。結(jié)型晶體管具有放大作用又可分為NPN型和PNP型三極管1）NPN型三極管集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極（e）基極（b)集電極（c）NPNebcV2）PNP型三極管集電結(jié)發(fā)射結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射極（e）基極（b)集電極（c）PNPebcV

1、平面對(duì)著自己。2、三極管的三個(gè)管腳朝下。3、從左往右三極管的管腳依次是

e、b、c。基區(qū)很薄，且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)摻雜濃度比基區(qū)和集電區(qū)高得多；(3)集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)大。三極管的電流放大作用晶體管的特性參數(shù)(1)IE=IC+IB

，且IC>>IB(2)基極電流IB增大時(shí),集電極電流IC也隨之增大(3)當(dāng)IB有微小變化時(shí)，IC即有較大的變化。即β值一般較大三極管的工作狀態(tài)：截止、放大和飽和放大狀態(tài)的條件：發(fā)射結(jié)正偏和集電結(jié)反偏。放大區(qū)的特征：IC由IB決定，具有恒流的特性。截止?fàn)顟B(tài)條件：基極開路或發(fā)射結(jié)反偏。當(dāng)三極管截止時(shí)，c、e之間的電壓基本上等于UCC，而IC≈0，故三極管呈現(xiàn)出高電阻，c、e之間相當(dāng)于斷路。飽和狀態(tài)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都正偏。當(dāng)三極管飽和時(shí)，無放大作用?；鶚O電流的變化不會(huì)再引起集電極電流的改變。7.3.2異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）異質(zhì)結(jié)雙極晶體管是指發(fā)射區(qū)、基區(qū)和收集區(qū)由禁帶寬度不同的材料制成的晶體管；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管與傳統(tǒng)的雙極晶體管不同，前者的發(fā)射極材料不同于襯底材料，后者的整個(gè)材料是一樣的，因而稱為異質(zhì)結(jié)器件。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極效率主要由禁帶寬度差決定，幾乎不受摻雜比的限制。這就大大地增加了晶體管設(shè)計(jì)的靈活性。SiGeHBT1998年10月IBM首次量產(chǎn)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（SiGeHBT）。由于SiGeHBT具有GaAs的性能，而與硅工藝的兼容性又使其具有硅的低價(jià)格，因此SiGe技術(shù)獲得了長足的進(jìn)展,SiGeHBT技術(shù)已成為RF集成電路市場的主流技術(shù)之一，并對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。HBT基的射頻集成電路（RFIC）已在蜂窩移動(dòng)電話末級(jí)功率放大器、基站驅(qū)動(dòng)級(jí)、有線電視的光纖線路驅(qū)動(dòng)器上獲得成功，證明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。HBT的優(yōu)點(diǎn)1.提高器件的電流增益

E級(jí)帶隙大于B級(jí)就形成了對(duì)B級(jí)載流子的勢壘，阻止了它在B-E結(jié)正向偏置時(shí)向E級(jí)區(qū)的注入，提高了晶體管的發(fā)射級(jí)注入效率從而提高了器件的電流增益。2.提高器件的工作頻率采用輕摻雜E級(jí)和重?fù)诫sB級(jí)，B級(jí)的厚度可以很薄，可以減少E-B級(jí)間渡躍時(shí)間，提高器件的工作頻率。重要的HBT器件SiGe/Si；GaAlAs/GaAs；InGaAs/InP7.3.3場效應(yīng)晶體管（FET）一般的晶體管是由兩種極性的載流子，即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，因此稱為雙極型晶體管；而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。FET應(yīng)用范圍很廣,但不能說現(xiàn)在普及的雙極型晶體管都可以用FET替代。然而，由于FET的特