半導(dǎo)體器件物理I復(fù)習(xí)筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上半一復(fù)習(xí)筆記By 瀟然2018.1.121.1平衡PN結(jié)的定性分析1. pn結(jié)定義：在一塊完整的半導(dǎo)體晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用適當(dāng)?shù)膿诫s工藝使其一邊形成n型半導(dǎo)體，另一邊形成p型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了pn結(jié)2. 緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)3. 內(nèi)建電場：空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場4. 耗盡層：在無外電場或外激發(fā)因素時，pn結(jié)處于動態(tài)平衡，沒有電流通過，內(nèi)部電場E為恒定值，這時空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層1.2 平衡PN結(jié)的定量分析1. 平衡PN結(jié)載流子濃度

2、分布2. 耗盡區(qū)近似：一般室溫條件，對于絕大多部分勢壘區(qū)，載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小的多，好像已經(jīng)耗盡了，此時可忽略勢壘區(qū)的載流子，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度，即為耗盡區(qū)近似。所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩側(cè)，載流子濃度維持原來濃度不變。1.4 理想PN結(jié)的伏安特性（直流）1. 理想PN結(jié)：符合以下假設(shè)條件的pn結(jié)稱為理想pn結(jié)(1) 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；n<n0, p<p0,(2) 突變耗盡層條件外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。(3)

3、 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)生及復(fù)合作用；(4) 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)計分布。2. 理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式（肖特來方程式）：1.5 產(chǎn)生-復(fù)合電流1. 反偏PN結(jié)的產(chǎn)生電流2. 正偏PN結(jié)的復(fù)合電流1.6 理想PN結(jié)交流小信號特性1. 擴(kuò)散電阻2. 擴(kuò)散電容1.7 勢壘電容在考慮正偏時耗盡層近似不適用的情況下，大致認(rèn)為正偏時勢壘電容為零偏時的四倍，即1.8 擴(kuò)散電容定義：正偏PN結(jié)內(nèi)由于少子存儲效應(yīng)而形成的電容1.9 PN結(jié)的瞬態(tài)1.10 PN結(jié)擊穿1. 雪崩擊穿(1) 定義：在反向偏壓下，流過pn結(jié)的反向電流，主要是由

4、p區(qū)擴(kuò)散到勢壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢壘區(qū)中的空穴電流所組成。當(dāng)反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中的電場很強，在勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴受到強電場的漂移作角，具有很大的動能，它們與勢壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時產(chǎn)生一個空穴。(2) 擊穿電壓，與NB成反比，意味著摻雜越重，越容易擊穿；(3) 臨界電場(4) 特點(5) 提高雪崩擊穿電壓的方法2. 齊納擊穿(1) 定義：隧道擊穿是在強電場作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。(2) 特點(3) 注意事項（幫助理解） 隧道擊穿時要求一定的NVA 值，它既可以是N小VA大；也

5、可以是N大VA 小。前者即雜質(zhì)濃度較低時，必須加大的反向偏壓才能發(fā)生隧道擊穿。但是在雜質(zhì)濃度較低，反向偏壓大時，勢壘寬度增大，隧道長度會變長，不利于隧道擊穿，但是卻有利于雪崩倍增效應(yīng)，所以在一般雜質(zhì)濃度下，雪崩擊穿機(jī)構(gòu)是主要的。而后者即雜質(zhì)濃度高時，反向偏壓不高的情況下就能發(fā)生隧道擊穿，由于勢壘區(qū)寬度小，不利于雪崩倍增效應(yīng)，所以在重?fù)诫s的情況下，隧道擊穿機(jī)構(gòu)變?yōu)橹饕?。附：二極管模型與模型參數(shù)2.1 BJT直流特性-定性分析 2.2 BJT直流特性-定量分析 1. 基礎(chǔ)關(guān)系 In（X1）=In（X2），In（X3）=In（X4），耗盡區(qū)不考慮復(fù)合； IE=In（X2）+Ip（X1），即發(fā)射極電

6、流等于EB電子的擴(kuò)散電流與BE空穴的擴(kuò)散電流之和；此處可推導(dǎo)0 In（X2）=In（X3）+IvB，即EB電子的擴(kuò)散電流，等于進(jìn)入C的電子的漂移電流與在B區(qū)因電子復(fù)合產(chǎn)生的復(fù)合電流之和；此處可推導(dǎo)T02. 發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率0對于NPN型晶體管，0定義為注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極總電流之比，即有（定義）代入Ip（X1）（B區(qū)空穴注入E區(qū)擴(kuò)散電流）以及In（X2）（E區(qū)電子注入B區(qū)電子電流），得下式3. 基區(qū)輸運系數(shù)T0對于NPN晶體管，定義為到達(dá)集電結(jié)邊界X3的電子電流In(X3)與注入基區(qū)的電子電流In(X2)之比，即有（定義）代入復(fù)合電流與EB電子的擴(kuò)散電流，再利用擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散長度的關(guān)系消

7、去壽命2.3 非均勻基區(qū)晶體管的直流電放大系數(shù) 1. 形成過程：以NPN晶體管為例，在B區(qū)內(nèi)，人為令靠近E區(qū)的部分摻雜濃度高，靠近C區(qū)的部分摻雜濃度低產(chǎn)生濃度差，多子空穴從左擴(kuò)散至右左邊空穴濃度低于雜質(zhì)濃度，帶負(fù)電荷；右邊空穴濃度高于雜質(zhì)濃度，帶正電荷產(chǎn)生向左的電場電場強度一直增強，直到空穴的擴(kuò)散運動強度等于漂移運動強度2. 目的：少子在基區(qū)中不但有擴(kuò)散運動，還有漂移運動，甚至以漂移運動為主縮短少子的基區(qū)渡越時間，有利于提高基區(qū)輸運系數(shù)與電流放大系數(shù)3. 方法：已知基區(qū)多子摻雜濃度利用基區(qū)空穴擴(kuò)散電流與漂移電流大小相等，算出基區(qū)電場強度E已知基區(qū)電子電流IEn，算出B區(qū)少子電子濃度隨距離x、基

8、區(qū)漂移系數(shù)的關(guān)系式，如下圖4. 結(jié)論 同樣的InB，漂移晶體管的基區(qū)少子總數(shù)下降（少子濃度曲線下方面積即代表總數(shù)）；雜質(zhì)分布越陡峭，少子總數(shù)下降越厲害 發(fā)射極注射效率0無變化，基區(qū)輸運系數(shù)T0 = 1 -W2/ (Lnb)2，當(dāng)基區(qū)漂移系數(shù)為0時（即均勻正常摻雜）=2，>>1時=，故提高可以提高電流增益5. 提高電流放大系數(shù)的措施 適當(dāng)增大E區(qū)Gummel數(shù)GE 適當(dāng)減小NB 減小基區(qū)寬度 加強工藝控制2.4 非理想特性 (nonideal effects)1. 厄利效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)）（Early Effect） 定義：當(dāng)晶體管的集電結(jié)反向偏壓發(fā)生變化時，空間荷區(qū)寬度 Xmc

9、 也將發(fā)生變化，因而會引起有效基區(qū)寬度的相應(yīng)變化，如圖所示。這種由于外加電壓引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) 影響：有效基區(qū)寬度變窄，Ic增加（根據(jù)B區(qū)少子濃度曲線斜率），同時0增加 厄利電壓VA 理想情況下VA趨近于負(fù)無窮 影響因素：基區(qū)摻雜NB、基區(qū)寬度XB。降低兩者均會使0增大，而厄利效應(yīng)嚴(yán)重2. Sah效應(yīng)（E-B結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合） 定義：發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)的復(fù)合電流IER使得IE增大，（根據(jù)定義）注射效率0降低 影響：對IE、IB均有貢獻(xiàn)，但對IC無貢獻(xiàn)，故0降低3. Webster效應(yīng)（Base Conductance Modulation/基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)）基區(qū)大注入 定

10、義、影響：當(dāng)VBE 較大、注入電子時 基區(qū)中也有大量的空穴積累 (并維持與電子相同的濃度梯度), 這相當(dāng)于增加了基區(qū)的摻雜濃度, 使基區(qū)電阻率下降 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) IEp增大 注射效率降低，0下降 注：是引起大電流0下降的主要原因4. Kirk效應(yīng)（Base Push Out/基區(qū)展寬效應(yīng)）發(fā)射區(qū)大注入效應(yīng) 定義：在大電流時，基區(qū)發(fā)生展寬的現(xiàn)象 過程是小注入，是注入的電子正好中和集電區(qū)一邊的正空間電荷 影響：a.基區(qū)存儲少子電荷增加 b.0下降 c.頻率特性變差（嚴(yán)重影響高頻特性） 措施：提高NC、設(shè)定最大Ic等5. 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)使大注入加劇 定義：發(fā)射極電流集中在發(fā)射極的邊緣 原因：

11、基極電阻引起橫向電壓 E極輸入電流密度由邊緣至中央指數(shù)下降 IE將集中在發(fā)射結(jié)邊緣附近 影響：a.使發(fā)射結(jié)邊緣處電流密度，易產(chǎn)生邊緣Webster效應(yīng)及Kirk效應(yīng)，0下降 b.局部過熱 c.影響功率特性 措施：a.采用插指結(jié)構(gòu) b.NB不能太低（降低基極電阻）6. 發(fā)射區(qū)禁帶變窄 原因：E區(qū)重?fù)浇麕挾茸冋?影響：發(fā)射結(jié)注入效率下降 總結(jié)：2.5 BJT頻率參數(shù)1. 截止頻率f 定義：共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻的3dB所對應(yīng)的頻率2. 截止頻率f 定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到低頻0的3dB時所對應(yīng)的頻率3. 特征頻率 fT 定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù) =1 時所對應(yīng)的頻率4. 最高

12、振蕩頻率fM 定義：共發(fā)射極運用時，功率增益等于 1時所對應(yīng)的頻率，此時晶體管的輸出功率等于輸入功率2.6 共基極交流小信號頻率特性分析 1. 交流小信號電流傳輸過程 通過發(fā)射結(jié) iCTe為發(fā)射結(jié)勢壘結(jié)電容分流電流 基區(qū)輸運階段 iCDe表示發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容分流電流 集電結(jié)勢壘區(qū)渡越階段 ，為集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù) 通過集電區(qū)階段 ，為集電區(qū)衰減因子 綜上，交流小信號相比于直流，其多了E結(jié)勢壘電容CTe的充放電電流、E結(jié)擴(kuò)散電容CDe的充放電電流、集電結(jié)渡越時間中電流衰減、C結(jié)勢壘電容CTc的充放電電流 影響：使電流增益下降、使信號延遲產(chǎn)生相位差2. 晶體管共基極高頻等效電路3. 共基極交流電流放

13、大系數(shù)及截止頻率f的定量分析 發(fā)射區(qū)注入效率和發(fā)射結(jié)電容充電時間e =re*CTe，其中re=Vt/IE，CTe為正偏勢壘電容，故需要乘上常數(shù) 基區(qū)輸運系數(shù)T和基區(qū)渡越時間b 集電極勢壘區(qū)輸運系數(shù)dc和集電極耗盡區(qū)渡越時間d ，其中Xmc為C區(qū)空間電荷區(qū)寬度，usl為載流子極限速度 集電區(qū)衰減因子c和集電結(jié)電容充電時間c ，代表通過集電區(qū)串聯(lián)電阻rcs對勢壘電容的充放電時間常數(shù) 共基極電流放大系數(shù)及其截止頻率 2.7 共射極交流小信號頻率特性分析1. 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)和截止頻率f2. 特征頻率fT 定義：共射組態(tài)下電流失去放大能力的頻率 表達(dá)式 與f、f的關(guān)系3. 提高特征頻率的有效途

14、徑 減小基區(qū)寬度（b） 減小結(jié)面積（e、c的電容） 適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率及其厚度（降低rc提高c，又不至于影響擊穿電壓，使功率特性差；降低d） 兼顧功率特性和頻率特性的外延晶體管結(jié)構(gòu)（npnn +）2.8 基區(qū)串聯(lián)電阻RB1. 定義：基極電流IB經(jīng)基極引線經(jīng)非工作基區(qū)流到工作基區(qū)所產(chǎn)生的壓降，當(dāng)做一個電阻產(chǎn)生，則其為基區(qū)串聯(lián)電阻2. 影響 基區(qū)自偏壓效應(yīng)導(dǎo)致的電流集邊效應(yīng) 使輸入阻抗增大 在線路應(yīng)用中形成反饋（影響晶體管的功率特性和頻率特性）2.9 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體管圖形設(shè)計1. 基區(qū)自偏壓效應(yīng)定義：大電流 較大IB流過基極電阻，產(chǎn)生較大橫向壓降 發(fā)射結(jié)正向偏置電壓由邊緣至中心逐漸減少

15、，電流密度則由中心至邊緣逐漸增大2. 線電流密度：發(fā)射極單位周長電流容量3. 提高線電流密度措施 外延層電阻率選得低一些 直流放大系數(shù)0或fT盡量做得大些 在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高集電結(jié)偏壓及降低基區(qū)方塊電阻2.10 BJT的擊穿電壓與外延參數(shù)確定1. 穿通 機(jī)理：隨著收集結(jié)上反偏電壓的不斷增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展至整個基區(qū) 穿通時的BC結(jié)電壓 2. 雪崩擊穿 其意為：基極開路時擊穿電壓比真實的雪崩擊穿電壓小，縮小的比例為n次開方3. 提高Vpt的方法 提高WB、NB，與提高增益矛盾 減小NC，與提高fT矛盾實際設(shè)計中令 Vpt >BV CBO，即防止C結(jié)雪崩擊穿前先發(fā)生穿通4. 外延結(jié)

16、構(gòu)晶體管特點 同時滿足擊穿特性與頻率特性（N+襯底降低rC），較好解決矛盾2.11 BJT的安全工作區(qū)1. 二次擊穿 2. 措施：加入肖特基鉗位二極管2.12 BJT的開關(guān)作用1. 飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)又分為臨界飽和與深.飽和。集電結(jié)UBC =0的情況稱為臨界飽和；當(dāng)集電結(jié)偏壓UBC> 0時成為深飽和2. 飽和深度S2.13 BJT的開關(guān)過程分析 1. 提高開關(guān)速度途徑 內(nèi)部： 摻金，減少少子壽命，減少飽和時的超量存貯電荷 減小結(jié)面積，降低發(fā)射極集電極結(jié)電容 減小基區(qū)寬度，從而減小Qb，使基區(qū)少子濃度變化更快 采用外延結(jié)構(gòu)，降低飽和壓降UCES 外部： 加大IB從而縮短td和tr，同時為了防止深飽和，選S=4 加大反向IB 考慮工作在臨界飽和狀態(tài) 在UCC與IB一定時，選擇較小的RL可使晶體管不進(jìn)入太深的飽和狀態(tài)2. BC結(jié)并聯(lián)肖