微電子器件原理總結(jié)

三種管子的工作原理、符號、結(jié)構(gòu)、電流電壓方程、電導(dǎo)、跨導(dǎo)、頻率然后還有集邊效應(yīng)，二次擊穿雙極型晶體管：IIuIeqVkT0發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：（1）定義：由于p-n結(jié)電流與結(jié)電壓的指數(shù)關(guān)系，發(fā)射結(jié)偏壓越高，發(fā)射極邊緣處的電流較中間部位的電流越大（2）原因：基區(qū)體電阻的存在引起橫向壓降所造成的（3）影響：增大了發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度，使之更容易產(chǎn)生大注入效應(yīng)或有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，同時使發(fā)射結(jié)面積不能充分利用（4）限制：限制發(fā)射區(qū)寬度，定義發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度，記為2Sff。Sff稱為有效半寬度。ffeffwkTf1.辺麗J）］12其中J（o）是發(fā)射結(jié)中心電流密度E發(fā)射極有效長度：（1） 定義：沿極條長度方向，電極端部至根部之間壓降為kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極長度稱為發(fā)射極有效長度（2） 作用：類似于基極電阻自偏壓效應(yīng)，但沿Z方向，作用在結(jié)的發(fā)射區(qū)側(cè)耗散功率PC與最大耗散功率PCM:P=TJm-Ta其中：T為最高允許結(jié)溫CM R jMtR（熱阻）=~（電路中）p—=—（片狀材料）R=3A=丄（熱路中）t I AoA TPkAcP（T）=P-TjM-T（環(huán)境溫度為T時）C CMT—TjMA二次擊穿和安全工作區(qū)：（1）現(xiàn)象：當(dāng)晶體管集電結(jié)反偏增加到一定值時，發(fā)生雪崩擊穿，電流急劇上升。當(dāng)集電結(jié)反偏繼續(xù)升高，電流/c增大到某一值后,cb結(jié)上壓降突然降低而/c卻繼續(xù)上升，即出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。（2）分類：基極正偏二次擊穿（/b>0）、零偏二次擊穿和（/b=0）、反偏二次擊穿（/b<o）。b b b（3） 過程：①在擊穿或轉(zhuǎn)折電壓下產(chǎn)生電流不穩(wěn)定性；從高電壓區(qū)轉(zhuǎn)至低電壓區(qū)，即結(jié)上電壓崩落，該擊穿點的電阻急劇下降；低壓大電流范圍：此時半導(dǎo)體處于高溫下，擊穿點附近的半導(dǎo)體是本征型的；電流繼續(xù)增大，擊穿點熔化，造成永久性損壞。（4）指標(biāo)：在二次擊穿觸發(fā)時間td時間內(nèi)，消耗在晶體管中的能量E二卩IVdt稱為二次擊穿觸發(fā)能量（二次擊d SB0穿耐量）。晶體管的ESB（二次擊穿觸發(fā)功率PSB）越大，其抗二次擊穿能力越強(qiáng)。SB SB（5）改善措施：1、電流集中二次擊穿由于晶體管內(nèi)部出現(xiàn)電流局部集中，形成"過熱點”，導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿。導(dǎo)致電流局部集中的原因：大電流下Ie的高度集邊。e原材料或工藝過程造成的缺陷和不均勻性。在缺陷處雜質(zhì)擴(kuò)散快，造成結(jié)不平坦、基區(qū)寬度Wb不均勻等。b發(fā)射極條、基極條間由于光刻、制版等原因造成各部位尺寸不均勻而引起的電位分配不均勻。4?總的I在各小單元發(fā)射區(qū)上分配不均勻，邊緣處散熱能力強(qiáng)，中心處散熱能力差，造成中心部位T.較高，Ej故二次擊穿后熔融點多在中心部位。由于燒結(jié)不良形成空洞而造成的局部熱阻過大，使該處結(jié)溫升高，電流增大。晶體管的結(jié)面積越大，存在不均勻性的危險也越大，越易發(fā)生二次擊穿。改善及預(yù)防措施：降低rb，以改善發(fā)射極電流集邊效應(yīng)；提高材料及工藝水平，盡可能消除不均勾性。改善管芯與底座間的散熱均勻性，消除出于接觸不良而形成的“過熱點”。采用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻。2、雪崩注入二次擊穿由集電結(jié)內(nèi)的電場分布及雪崩倍增區(qū)隨I變化，倍增多子反向注入勢壘區(qū)而引起C改善及預(yù)防措施：增加外延層厚度，使W>BV/Em。但這會使集電區(qū)串聯(lián)電阻r增大，影響其輸出功率。cceoM cs采用雙層集電區(qū)結(jié)構(gòu)增大外延層摻雜濃度，以增大雪崩二次擊穿臨界電流密度J。co采用鉗位二極管。鎮(zhèn)流電阻Re可以防止正偏二次擊穿，鉗位二極管D可以防止反偏二次擊穿。（6）安全工作區(qū)：1、 定義：晶體管能夠安全工作的范圍。一般用SOAR或SOA表示。由最大集電極電流ICM、雪崩擊穿電壓BVceo、最大耗散功率PCM及二次擊穿觸發(fā)功率PsB參數(shù)包圍而成。CM SB2、 拓展方法：脈沖工作條件拓寬了晶體管的安全工作區(qū)，且隨脈寬減小而擴(kuò)大。脈沖信號的占空比越大，PsB越小，占空比V5%時就不易損壞。SB固定占空比時，脈沖寬度越窄，PsB越大。而當(dāng)脈寬V100ms后,安全工作區(qū)已不再受二次擊穿功率Psb的限制。SB SB當(dāng)脈寬>ls時，其測量結(jié)果與直流情況無異。結(jié)型場效應(yīng)晶體管：一、工作原理：通過改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強(qiáng)度(柵極電壓)來控制溝道的導(dǎo)電能力，從而調(diào)制通過溝道的電流。由于場效應(yīng)晶體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運(yùn)，故又稱之為“單極型場效應(yīng)晶體管”(s—源極、G—(s—源極、G—柵極、D—漏極)三、結(jié)構(gòu)：二、符號：四、分類：結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(縮寫JFET、體內(nèi)場效應(yīng)器件)肖特基柵場效應(yīng)晶體管——金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(縮寫MESFET、體內(nèi)場效應(yīng)器件)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(縮寫IGFET、表面場效應(yīng)器件)薄膜場效應(yīng)晶體管(縮寫TFT、表面場效應(yīng)器件)五、 特點：體積小，重量輕FET是一種通過輸入電壓的改變控制輸出電流的電壓控制器件。FET的直流輸入阻抗很高，一般可達(dá)109—1015QFET類型多、偏置電壓的極性靈活、動態(tài)范圍大、其各級間可以采用直接耦合的形式。噪聲低，特別適合于要求高靈敏度、低噪聲的場合。熱穩(wěn)定性好?？馆椛淠芰?qiáng)。相對于雙極晶體管，制作工序少、工藝簡單，有利于提高產(chǎn)品合格率、降低成本。六、 特性(1)直流特性JFET溝道夾斷前的電流-電壓方程n其中，Gn其中，G三2叫“化0飽和區(qū)電流-電壓方程2a3Wpq2N2 3h2 2h3, 「“ “V-V、_V-V、,Dsatn6￡￡L0D[1—―+ ]=I[1—3( GS)+2( GSDsatn6￡￡L0a2a3DSS V ”p0夾斷電壓Vpo:溝道厚度因柵P+-N結(jié)耗盡層厚度擴(kuò)展而變薄，當(dāng)柵結(jié)上的外加反向偏壓VGS使P+-N結(jié)耗盡層厚度等于溝道厚度一半(壯a(bǔ))時，整個溝道被夾斷，此時的喰稱為JFET的夾斷電壓GS288(V—V)1x=x=[ 0D L]2=anm qN本征夾斷電壓"yo=yy表示整個溝道由柵源電壓夾斷時，柵p-n結(jié)上的電壓降0D最大飽和漏極電流IDSSyGS=yD時的漏極電流，又稱最大漏源飽和電流。GSDr2aW“ 2a3Wyq2N2I= ? ? ?V= nDdss3pLP0 688L所以可以通過增大起始溝道厚度和溝道寬長比，減小溝道電阻率，增大JFET的最大飽和漏極電流。通過控制A準(zhǔn)確控制IDDS。DDS⑥柵源擊穿電壓bvgsGS表示柵源之間所能承受的柵p-n結(jié)最大反向電壓。％S=°時，此電壓決定于n型溝道區(qū)雜質(zhì)濃度。％s>°時，漏端n區(qū)電位的升高使該處p-n結(jié)實際承受的反向電壓增大，所以實測的BVGs值還與VDs區(qū)電位的升高使該處p-n結(jié)實際承受的反向電壓增大，所以實測的BVGs值還與VDs有關(guān)。GS DS⑦漏源擊穿電壓bvds表示在溝道夾斷條件下，漏源間所能承受的最大電壓。BV|DSVgs=°=BV|GSVds=0=BVBVDSVGS<0=BV-VIGSVds=0 GS輸出功率Poo⑧輸出功率P0P正比于器件所能容許的最大漏極電流ID和器件所能承受的最高漏源峰值電壓(BVDS-VDt),其中ID工IDo Dmax DSDsat DmaxDss(2)交流小信號參數(shù)①跨導(dǎo)gm定義：g=型時=G[1-(VD-VGS)2](飽和區(qū))=G(丄)2[(V+V—V)2-(V—V)2](非飽和區(qū))mQV 0 V 0V DSDGS DGS為漏源電壓VDS一定時，漏極電流的微分增量與柵極電壓的微分增量之比特性：飽和區(qū)跨導(dǎo)隨柵壓幅度減小而增大，VGS=VD時達(dá)到最大值G0。GSD 0跨導(dǎo)的單位是西門子S(1S=1A/V)。器件的跨導(dǎo)與溝道的寬長比W/L成正比。由于存在著溝道長度調(diào)制效應(yīng)，所以L不能無限制地減小以得到好的飽和特性。通常采用多個單元器件并聯(lián)擴(kuò)大溝道寬度的方法增大器件的跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)隨柵電壓V和漏電壓V而變化，當(dāng)V=0,V=VDt時，跨導(dǎo)達(dá)最大值。GS DS GS DSDsat②漏極電導(dǎo)gD定義：表示漏極電流隨漏源電壓的變化關(guān)系dI D-dVDSVGSCont.dI D-dVDSVGSCont.V T0)DS=2卩 (2￡￡qN)2[V2—(V+V—V)2]=G[1—(~)2](線性區(qū),nL 0D p0 DSDGS 0 Vp0高場遷移率的影響：遷移率隨場強(qiáng)上升而減小，導(dǎo)致漏極電流和跨導(dǎo)相對肖克萊模型減小，并隨溝道場強(qiáng)而變化載流子達(dá)到極限漂移速度，使得漏極電流在溝道漏端夾斷之前飽和，跨導(dǎo)趨于常數(shù)；溝道漏端形成靜電偶極層，承受漏極電流飽和后增加的漏極電壓，并使溝道漏端不能夾斷。頻率特性參數(shù)：載流子渡越時間截止頻率f0 1 yV v由載流子從源端到漏端所需的渡越時間所限定的頻率極限。f=九7=亢=益特征頻率fT本征管的源端S與漏端短路(輸出端短路)時電流放大系數(shù)等于1時所對應(yīng)的頻率。2f-C-u=g-unf=m—Tgsgs mgs T2兀Cgs最高振蕩頻率fM共源組態(tài)下，本征管在輸入、輸出端均共軛匹配，且輸出對輸入的反饋近似為零，功率增益為1時的極限頻率f ff= T=M2.(R+R)g(4)功率特性參數(shù)：①最大輸出功率P(4)功率特性參數(shù)：①最大輸出功率PMP沁^(Vl—V)I=112RM8DSKF8FlmVDSL為溝道夾斷時漏源間允許施加的最大電壓VK或VKF為拐點電壓；K KFIF為最大輸出電流；R|為獲得最大輸出功率的負(fù)載電阻。lm②最大輸出電流IF是溝道源端柵結(jié)空間電荷區(qū)消失時通過溝道的漏極電流。為柵結(jié)正偏電壓值大小等于柵結(jié)內(nèi)建電勢差VD時的理論極限值。③漏源擊穿電壓BVDS定義：硅中、高頻JFET的BVDS主要由柵空間電荷區(qū)的雪崩擊穿電壓決定。產(chǎn)生原因：漏接觸電極附近的電場過強(qiáng)；柵電極邊緣處電場過強(qiáng)。MOS型場效應(yīng)晶體管：

一、工作原理：表面場效應(yīng)——當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。GS當(dāng)柵極加有電壓ovvvvT時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥,GST出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不足以形成漏極電流lD。二、結(jié)構(gòu)所以不足以形成漏極電流lD。二、結(jié)構(gòu)四、特性類型“溝MOSFETp^JMOSF^T耗斥型增強(qiáng)奎耗盡工増強(qiáng)型村底p型n型5.D區(qū)「區(qū)溝道栽流子電于空穴Vds>0<01旳方向由DYnS-D嚴(yán)值電壓VT<0VT>0VT>0Vr<0JD|D|D電路符》*^B-bBs三、分類：（1）閾值電壓①定義：閾值電壓vt是柵極下面的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型，從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時所加的柵源電壓。QBmaxC+V=-sQBmaxC+V=-sQBmaxCox其中e=kTInNFq