半导体器件原理与工艺（器件）.ppt

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1、半导体器件半导体概要pn结BJTMOSFET器件基础JFET和MESFET简介基本概念BipolarJunctionTransistorN+NPPEBCEBCEBCNPNPNP晶体管的发明第一个点接触式的晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,andSchockley获1956年诺贝尔物理奖晶体管的特性理想NPN掺杂分布集电结外延，发射结离子注入ebc两个独立的PN结构成晶体管的静电特性N+PN背靠背二极管工作原理特性参数发射效率(PNP)基区输运系数特性参数-1共基极直流电流增益特性参数-2共发射极直流电流增益晶体管的电流放大原理平衡晶体

2、管的能带和载流子分布非平衡晶体管的能带和载流子分布理想晶体管模型(I-V关系）基本假设少于在基区的运动是一维的。基区宽度大于载流子的平均自由程、因而能够将载流子在基区的输运看作是扩散+漂移;基区中准中性近似成立。小注入。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。忽略基区复合，对于现代高晶体管这一条是成立的。稳态条件下工作发射区和集电区足够宽,杂质在三个区中是均匀分布的晶体管中的电流电流电压关系只要求出IE,nIE,pIr,dIr,BIE,nIE,pIr,B均匀晶体管的电流放大系数理论和实验的偏差共基极输入特性理论特性中发射极电流与VCB无关实际特性:IE随V

3、CB增加显著增加共基极输出特性理论:VCB无限制实际:最大为VCB0理论和实验的偏差-1共发射极输入特性大部分是一致的共发射极输出特性理论:完全水平实际:向上倾斜,有最大VCE限制基区宽度调制W与外加电压有关WWB基区宽度调制-1对共基极Early效应基区宽度调制-2Early电压的定义基区穿通双极晶体管在基极开路条件下工作，随着外加VCE上升，未发生雪崩击穿而出现集电极电流急剧增加的现象W0雪崩倍增和击穿共基极与单个PN结类似,最大击穿电压为VCB0共发射极现象:VCE0小于VCB0CBEVCE雪崩倍增和击穿-1M1几何效应器件尺寸有限,必须考虑二维效应发射

4、区面积不等于集电区面积有效基区横向扩展W’B几何效应-1串联电阻(基区电阻)几何效应-2串联电阻(基区电阻)等功率法计算内基区的电阻几何效应-3几何效应-4串联电阻(集电区电阻)VCBrcsVjc=0时,几何效应-5发射极电流集边效应由于发射结上电压降的差异,发射极电流趋向于集聚到发射结边缘附近，这就是发射极电流集边效应，又称基极电阻自偏压效应几何效应-6发射极有效宽度几何效应-7可以不考虑集边效应强集边状态叉指结构减小了集边效应复合-产生电流发射结空间电荷区复合电流复合-产生电流-1发射结侧向注入及基区表面复合发射区重掺杂缓变基区非平衡少子分布MollRoss法

5、:少于在基区的运动是一维的。基区宽度大于载流子的平均自由程、因而能够将载流子在基区的输运看作是扩散+漂移;基区中准中性近似成立。载流子迁移率等于常数，杂质浓度超过1016cm-3时引入平均迁移率；小注入。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。忽略基区复合，对于现代高晶体管这一条是成立的。非平衡少子分布-1MollRoss法:非平衡少子分布-2MollRoss法:非平衡少子电流令x=0,小注入时有:基区Gummel数的定义:品质因素Gummel图与IC的对数关系曲线IBICVEBIC,IB现代BJT结构第一个集成的BJT现代BJT结构-1多晶硅发射结BJT

6、现代BJT结构-2HBT小结理想晶体管模型实际与理想的偏离BJT结构晶体管的频率特性---小信号模型高频时,晶体管内寄生电容的影响加大分类:低频晶体管(0~3MHz)高频晶体管(3~750MHz)超高频晶体管(>750MHz)频率对晶体管电流放大系数的影响频率增大,器件的电流放大系数将下降晶体管交流小信号的传输过程X1X2X3X4iCTeiCDeiVBIp(X1)In(X1)In(X3)In(X4)iCTc发射效率和基区输运系数晶体管的频率特性---小信号模型小信号工作条件：输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压(kT/q)小信号模型-1i1i2v1v2T短路

7、输入导纳短路正向跨导纳短路反向跨导纳短路输出导纳小信号模型-2短路输入阻抗短路正向电流传输系数、即电流增益开路反向电压传输系数，即电压反馈系致开路输出导纳h参数小信号模型-3ebcvbevce共发射极h参数等效电路小信号等效电路混合模型ggm-ggo由E-M方程：正向有源区混合模型-1跨导gmgm正比于Ic，反比于T。gm只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材料无关。跨导与器件的结面积的大小无关。混合模型-2输入电导g输出电导go混合模型-3反馈电导g混合模型-4现代高晶体管完整的混合模型等效电路特征频率和截止频率特征频率fT和截止频率f

8、是根据hF