1 / 149

半导体器件原理

半导体器件原理. 主讲人：仇志军 本部物理楼 435 室 55664269 Email: zjqiu@fudan.edu.cn 助教： 熊丝纬 13210720069@fudan.edu.cn. 第二章 双极型晶体管. 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理 2.3 直流特性 2.4 反向特性 2.5 晶体管的模型 2.6 频率特性 2.7 开关特性. 发射区. 基区. 集电区. 发射区. 基区. 集电区. E. C. E. C. n +. p. n. p +. n. p. B.

uttara
Download Presentation

半导体器件原理

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 半导体器件原理 主讲人：仇志军 本部物理楼435室 55664269 Email: zjqiu@fudan.edu.cn 助教：熊丝纬13210720069@fudan.edu.cn

  2. 第二章 双极型晶体管 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理 2.3 直流特性 2.4 反向特性 2.5 晶体管的模型 2.6 频率特性 2.7 开关特性

  3. 发射区 基区 集电区 发射区 基区 集电区 E C E C n+ p n p+ n p B B E C E C B B npn pnp 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布1 2.1.1 晶体管的基本结构

  4. 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布2 2.1.2 制造工艺 合金管 平面管

  5. 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布3 2.1.3 杂质分布 均匀基区 缓变基区 自建电场 基区内载流子传输方式 + 扩散 扩散 漂移 扩散型晶体管 漂移型晶体管

  6. 第二章 双极型晶体管 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理 2.3 直流特性 2.4 反向特性 2.5 晶体管的模型 2.6 频率特性 2.7 开关特性

  7. E C n+ p n Ie Ic RE B RL Vbe Ib Vcb 2.2 电流放大原理1 2.2.1 放大条件 放大条件： 1、Wb<< Lnb 2、发射结正偏 3、集电结反偏

  8. 2.2 电流放大原理2 2.2.2 电流传输 Ine Inc

  9. Ie Ic Ib Vbe Vcb 2.2 电流放大原理3 2.2.3 共基极电流放大系数 < 1   1 发射效率（注入比） 基区传输系数 集电区倍增因子  1 （当 Ne / Nb >> 1 时）  1 （当 Wb << Lnb时）

  10. Ic Ib Vce Vbe Ie 2.2 电流放大原理4 2.2.4 共射极电流放大系数 >> 1

  11. 第二章 双极型晶体管 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理 2.3 直流特性 2.4 反向特性 2.5 晶体管的模型 2.6 频率特性 2.7 开关特性

  12. N+ P N x -x1 0 Wb x2 2.3 直流特性1 2.3.1 晶体管中的少子分布  0  0 x2

  13. 0 Wb 2.3 直流特性2 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 一维（Aje = Ajc = A） 假设：  突变结  外加偏压全加在结上 忽略势垒区的产生-复合电流  小注入  基区均匀掺杂 1. 少子分布 (1) 基区  0 Wb << Lnb

  14. -x1 x2 0 Wb We -x1 x2 0 Wb 2.3 直流特性3 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 1. 少子分布 (2) 发射区 We >> Lpe We << Lpe 且

  15. 0 Wb -x1 x2 2.3 直流特性4 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 1. 少子分布 (3) 集电区  0 (Wc >> Lpc )

  16. 0 Wb -x1 x2 2.3 直流特性5 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 2. 电流密度 (只计算扩散电流) (1) 基区中电子电流

  17. a b 0 Wb 2.3 直流特性6 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 2. 电流密度 (只计算扩散电流) (1) 基区中电子电流 Jnb(0) Jnb(Wb) 0 Wb  Jvb Wb << Lnb = 常数 = Jnb(0) = Jnb(Wb)  0 问题：上述结论也可从载流子线性分布直接推出. 问题：考虑复合时，少子如何分布？a 还是 b ?

  18. 2.3 直流特性7 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 2. 电流密度 (只计算扩散电流) (2) 发射区中空穴电流 (3) 集电区中空穴电流 Wc >> Lpc We >> Lpe

  19. C E Ie Ic B Ib x Je , Jc 2.3 直流特性8 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 3. Ie、Ib、Ic表达式 (1) Ie表达式

  20. 2.3 直流特性9 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 3. Ie、Ib、Ic表达式 (1) Ie表达式 Wb << Lnb时，且放大偏置

  21. C E Ie Ic B Ib x Je , Jc 2.3 直流特性10 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 3. Ie、Ib、Ic表达式 (2) Ic表达式

  22. 2.3 直流特性11 2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程 3. Ie、Ib、Ic表达式 (2) Ic表达式 Wb << Lnb时，且放大偏置

  23. 2.3 直流特性12 2.3.3 、 表达式 1. 表达式  =   *  * (1)  （Wb < Lnb） We < Lpe

  24. L W 电流I W t 薄层电阻推导示意图 2.3 直流特性13 2.3.3 、 表达式 1. 表达式  =    *  * (1)  We < Lpe 定义方块电阻 要  则要 Rsh,e/Rsh,bNe/Nb

  25. 2.3 直流特性14 2.3.3 、 表达式 1. 表达式  =    *  * (2)  * 放大偏置时 要 * 则要 WbLnbnb

  26. 2.3 直流特性14 2.3.3 、 表达式 1. 表达式  =    *  * (3) * = 1 2. 表达式 >> 1

  27. Ie Ic Ib Vbe Vcb IE/ mA VCB 输出特性 VBE/ V 输入特性 2.3 直流特性15 2.3.4 理想晶体管的输入、输出特性 1. 共基极

  28. Ic Ib Vce Ie Vbe VCE 输出特性 输入特性 2.3 直流特性16 2.3.4 理想晶体管的输入、输出特性 2. 共射极

  29. Ajeo n+ Ine’ p Ine Aje* n 2.3 直流特性17 2.3.5 晶体管的非理想现象 1. 发射结结面积对  的影响 本征基区：Wb<< Lnb 非本征基区：Wb>> Lnb 要  则要 Ajeo/ Aje*结面积大、结浅

  30. P N+ N Wb* Wb 2.3 直流特性18 2.3.5 晶体管的非理想现象 2. 基区宽度调制效应（Early效应） Vcb Wb*dnb/dx Ine  Ic Early 电压 对非均匀基区晶体管 影响输出电阻

  31. Ie Ine Ipe Ire Ivb 0 -x1 2.3 直流特性19 2.3.5 晶体管的非理想现象 3. 发射结复合电流影响 > ni2 势垒区 复合率 Vbe       Ic  

  32. 发射结复合电流影响  2.3 直流特性20 2.3.5 晶体管的非理想现象 3. 发射结复合电流影响 增益 随电流 Ic变化    

  33. 2.3 直流特性21 2.3.5 晶体管的非理想现象 4. 大注入效应之一  Webster 效应 基区大注入条件：npb(0) ~ Nb Ex.：Si npn晶体管：若 Nb = 1017 cm-3 , 计算当 npb(0) = 0.1Nb时所需的发射结偏压Vbe .（答案：0.76 V） Dnb  2Dnb qVbe/kT  qVbe/ 2kT

  34. Webster 效应  2.3 直流特性22 2.3.5 晶体管的非理想现象 4. 大注入效应之一  Webster 效应 增益 随电流 Ic变化  Ic 发射结复合电流 基区复合 Webster 效应

  35. 2.3 直流特性23 2.3.5 晶体管的非理想现象 5. 大注入效应之二  Kirk 效应 p n n+ （基区展宽效应） E x q ( Nc  nc ) 集电区大注入：nc ~ Nc  q ( Nb+ nc ) 集电极电流 Jc nc 饱和漂移速度

  36. Kirk 效应 2.3 直流特性24 2.3.5 晶体管的非理想现象 5. 大注入效应之二  Kirk 效应 - - - - - - - - - - - - - - Emax nc > Nc 中性 nc = Nc 临界 Jc0 nc = nc0 问题：计算 Jc0 , nc0 即 Jc > Jc0 Wb  Wb + Wb   

  37. Se z y x 2.3 直流特性25 2.3.5 晶体管的非理想现象 6. 大注入效应之三  发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应） Seff -发射极有效半宽 J (Seff) = J (0) x e-1

  38. E B +dIB … … rbb’ y JC y y+dy y 2.3 直流特性26 2.3.5 晶体管的非理想现象 6. 大注入效应之三  发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应） 发射极电流分布 0   V(y)  Je (y)  Seff = ?

  39. rbb’自偏压 Webster/Kirk 发射结复合电流 Vbe (V) 2.3 直流特性27 2.3.6 实际晶体管的输入、输出特性 发射结复合电流影响 Webster/Kirk 效应  Si 晶体管

  40. P E C N+ N Wb* Wb B 2.3 直流特性28 2.3.6 实际晶体管的输入、输出特性 1. 共基极输入、输出特性 Vcb Wb*dnb/dx Ine  Ic dnb/dx Early 效应 输入特性 输出特性

  41. C B E 2.3 直流特性29 2.3.6 实际晶体管的输入、输出特性 2. 共射极输入、输出特性 Early 效应 Early 效应 基区复合减少 输入特性 输出特性 问题：为什么Early效应对共发射极输出特性有明显影响，而共基极输出特性却无明显影响？

  42. 第二章 双极型晶体管 2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理 2.3 直流特性 2.4 反向特性 2.5 晶体管的模型 2.6 频率特性 2.7 开关特性

  43. np < ni2 pn np p n 2.4 反向特性1 2.4.1 晶体管的反向电流 PN 结反向电流 漏电流（与工艺有关） 产生电流 扩散电流 Si 管：Ig为主 IR (Si) << IR (Ge) Ge 管：Id为主

  44. n+ p n + Veb(fl) V  n+ p n Iebo 2.4 反向特性2 2.4.1 晶体管的反向电流 1. Icbo Si ： Ge： Icbo 因此 问题：为什么有浮动电压 Veb(fl)，且 > 0？ 2. Iebo Si ： Ge： 反向工作注入比

  45. n+ p n Iceo 2.4 反向特性3 2.4.1 晶体管的反向电流 3. Iceo（反向穿透电流） 基极开路 Ib = 0 问题：从物理上如何理解此关系？ 结论：要 Iceo则 Icbo   不宜太高

  46. 2.4 反向特性4 2.4.2 晶体管的反向击穿电压 1. BVebo Ie 特点： 1o通常为雪崩击穿 Nb很高时可能有齐纳 n+ p n A Veb 2o双扩散管击穿在表面 BVebo 3o通常 BVebo > 4 V 即可 2. BVcbo Ic 特点： n+ p n 1o雪崩击穿 A 2oBVcbo越高越好 理想 BVcbo = VBR(纯pn结) Vcb BVcbo

  47. 2.4 反向特性5 2.4.2 晶体管的反向击穿电压 3. BVce  BVceo BVces BVcer BVcex (1) BVceo 雪崩击穿时 基极开路时 Ib = 0  Ic = Ie M→∞ Iceo发生雪崩倍增条件：1  M = 0 M = 1/（更容易达到） BVceo < BVcbo 4 npn 3 npn 经验公式： n(Si)= n(Ge)= 2 pnp 6 pnp

  48. 2.4 反向特性6 2.4.2 晶体管的反向击穿电压 3. BVce  BVceo BVces BVcer BVcex (1) BVceo 问题：击穿时为何有负阻特性？ 发射结正偏压增大 填充发射结耗尽区 基区开路无法流出 集电结雪崩注入到基区的空穴 填充集电结耗尽区 集电结反偏压减小 负阻

  49. 2.4 反向特性7 Ic rb RL Ib Vce Ie 2.4.2 晶体管的反向击穿电压 3. BVce  BVceo BVces BVcer BVcex (2) BVces > BVceo (3) BVceo < BVcer < BVces (4) BVcex > BVcer

  50. 2.4 反向特性8 Ic n+ p xc n Vcb Vpt BVcbo 2.4.3 晶体管穿通电压（punch-through） 1. 基区穿通 BVcbo = Vpt + BVebo 不发生穿通现象的条件：Vpt > BVcbo  0  结论：合金管更容易发生基区穿通，而平面管则不太可能发生。 Nc<Nb，集电结耗尽区主要向集电区扩展

More Related