微电子器件原理2014年下期知识点小结资料.pdf
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1、微电子器件原理知识点小结 第 1 页 共 8 页 重要知识点 PN 结: 半导体的一个区均匀掺杂了受主杂质,而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质,这种 PN 结称 为同质结。 在冶金结两边的p 区与 n 区内分别形成了空间电荷区或耗尽区,该区内不存在任何可以 移动的电子或空穴。 由于耗尽区内存在净空间电荷密度,耗尽区内有一个电场,电场方向由n 区指向 p 区。 空间电荷区内部存在电势差,在零偏压的条件下,该电势差即内建电势差维持热平衡状 态,并且在阻止 n 区内多子电子向p 区扩散的同时,阻止p 区内多子空穴向 n 区扩散。 PN 结的反偏电压增加了势垒的高度,增加了空间电荷区的宽度,并且增强了电场
2、。 理想 PN 结的电流 -电压推导的 4 个假设基础:耗尽层突变近似;载流子的统计分布 采用麦克斯韦 -玻尔兹曼近似; 小注入假设; PN 结内的电流值处处相等; PN 结内的电子 电流与空穴电流分别为连续函数;耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。 PN 结二极管: 当 pn 结外加正偏电压时( p 区相对于 n 区为正) ,pn 结内部的势垒就会降低,于是p 区 空穴与 n 区电子就会穿过空间电荷区流向相应的区域。 注入到 n 区内的空穴与注入到p 区内的电子成为相应区域内的过剩少子。过剩少子的行 为由双极输运方程描述。 由于少子浓度梯度的存在,pn 结内存在少子扩散电流。 反偏 pn
3、结的空间电荷区内产生了过剩载流子。在电场作用下,这些载流子被扫出了空间 电荷区,形成反偏产生电流。产生电流是二极管反偏电流的一个组成部分。pn结正偏时,穿 过空间电荷区的过剩载流子可能发生复合,产生正偏复合电流。 复合电流是 pn结正偏电流的 另一个组成部分。 当 pn 结的外加反偏电压足够大时,就会发生雪崩击穿。此时,pn 结体内产生一个较大的 反偏电流。击穿电压为pn 结掺杂浓度的函数。在单边pn 结中,击穿电压时低掺杂一侧掺杂 浓度的函数。 当 pn 结由正偏状态转换到反偏状态时,pn结内存储的过剩少数载流子会被移走,即电容 放电。放电时间称为存储时间,它是二极管开关速度的一个限制因素。
4、 将热平衡状态下 P 区内少子电子的浓度与N 区内多子电子的浓度联系在了一起。 少子浓度随着从空间电荷区边缘向中性区内延伸的距离的增大而指数衰减,并逐渐趋向 其热平衡值。 远离结区域的 P 区多子空穴漂移电流既提供了穿过空间电荷区向N 区注入的空穴,又提 供了因与过剩少子电子复合而损失的空穴。 随着外加电压的变化, Q 不断被交替地充电与放电,少子电荷存储量的变化与电压变 化量的比值,即为扩散电容。 金属半导体和半导体异质结: 轻掺杂半导体上的金属可以与半导体形成整流接触,这种接触称为肖特基势垒二极管。 金属与半导体间的理想势垒高度会因金属功函数和半导体电子亲合能的不同而不同。 当在 n 型半
5、导体与金属之间加一个正电压时(即反偏),半导体与金属之间的势垒增加, 因此基本上没有载流子的流动。当在金属与n 型半导体之间加一个正电压时(即正偏) ,半导 体与金属之间的势垒降低,因此电子很容易从半导体流向金属,这种现象称为热电子发射。 肖特基势垒二极管的理想I-V 关系与 pn 结二极管的相同。然而,电流值的数量级与pn 微电子器件原理知识点小结 第 2 页 共 8 页 结二极管的不同,肖特基二极管的开关速度要更快一些。另外,肖特基二极管的反向饱和电 流比 pn结的大,所以达到与 pn 结二极管一样的电流时, 肖特基二极管需要的正偏电压要低。 两种不同能帯隙的半导体材料可以形成半导体异质结
6、。异质结一个有用的特性就是能在 表面形成势阱。在与表面垂直的方向上,电子的活动会受到势阱的限制,但电子在其他两个 方向上可以自由地流动。 对于均匀掺杂的半导体来说,场强是距离的线性函数,在金属与半导体接触处,场强达 到最大值。 由于金属中场强为零,所以在金属-半导体结的金属区中一定存在表面负电荷。 任何半导体器件或是集成电路都要与外界接触,这种接触通过欧姆接触实现。欧姆接触 即金属与半导体接触,这种接触不是整流接触。 半导体材料在整个结构中都是相同的,称为同质结。两种不同的半导体材料组成一个结, 称为异质结。 双极晶体管: 当晶体管工作在正向有源区时,晶体管一端的电流(集电极电流)受另外两个端
7、点所施 加的电压( B-E 结电压)的控制。这就是其基本的工作原理。 共基极电流增益是三个因子的函数发射极注入效率系数、基区输运系数和复合系数。 发射极注入效率考虑了从基区注入到发射区的载流子,基区输运系数反映了载流子在基区中 的复合,复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。 双极晶体管需要考虑的六个非理想效应: (1)基区宽度调制效应, 或者说是厄尔利效应中性基区宽度随B-C 结电压变化而发 生变化,于是集电极电流随B-C 结或 C-E 结电压变化而变化。 (2)大注入效应使得集电极电流C-E 结电压增加而以低速率增加。 (3)发射区禁带变窄效应使得发射区掺杂浓度非常高时发射效率变小。
8、(4)电流集边效应使得发射极边界的电流密度大于中心位置的电流密度。 (5)基区非均匀掺杂在基区中感生出静电场,有助于少子渡越基区。 (6)两种击穿机理穿通和雪崩击穿。 晶体管的三种等效电路或数学模型。E-M 模型和等效电路对于晶体管的所有工作模式均 适用。基区为非均匀掺杂时,应用G-P 模型很方便。小信号H-P 模型应用于线性放大电路中 的正向有源晶体管。 晶体管的截止频率是表征晶体管品质的一个重要参数,它是共发射极电流增益的幅值变 为 1 时的频率。频率响应是E-B 结电容充电时间、基区渡越时间、集电结耗尽区渡越时间和 集电结电容充电时间的函数。 双极晶体管不是对称的器件,晶体管有两个N 型
9、惨杂区或是两个P 型惨杂区,发射区和 集电区的掺杂浓度是不一样的,而且这些区域的集合形状可能有很大的不同。 双极晶体管中的电流由少子的扩散决定,我们必须确定在稳态下晶体管的三个区中少子 的梯度分布。 双极晶体管的工作原理是用B-E 结电压控制集电极电流, 集电极电流是从发射区跃过B-E 结注入到基区,最后到达集电区的多子数量的函数。 理想效应晶体管的条件:均匀掺杂;小注入;发射区和基区宽度恒定;禁带宽 度为定值;电流密度为均匀值;所有的结都在非击穿区。 造成双极晶体管实际结构复杂的原因:各端点引线要做在表面上,为了降低半导体的 电阻,必须有重掺杂的N+型掩埋层;由于在一片半导体材料上要制造很多
10、双极晶体管,晶 体管彼此之间必须隔离起来,因为并不是所有的集电极都在同一个电位上。 双极扩散(双极输运)是带负电的电子和带正电的空穴以同一个迁移率或扩散系数一起 微电子器件原理知识点小结 第 3 页 共 8 页 漂移或扩散。 双极输运过程的电中性条件为过剩少子的浓度等于过剩多数载流子的浓度。 晶体管截止与饱和相互转换过程的4 个时间段:延迟时间;上升时间;存储时间; 下降时间。 低频共基极电流增益中三个因子考虑的影响:发射极注入效率系数考虑了发射区中的 少子空穴扩散电流对电流增益的影响;基区输运系数考虑了基区中过剩少子电子的复合的 影响;复合系数考虑了正偏B-E 结中的复合的影响。 金属_氧化
11、物 _半导体场效应晶体管: MOSFET 的核心为 MOS 电容器。与氧化层 -半导体界面相邻的半导体能带是弯曲的,它 由加在 MOS 电容器上的电压决定。 表面处导带和价带相对于费米能级的位置是MOS 电容器 电压的函数。 氧化层 -半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由p 型到 n型发生反型,或者通 过施加负偏栅压由n 型到 p 型发生反型。因此,在与氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。 基本 MOS 场效应原理是由反型层电荷密度的调制作用体现的。 两类基本的 MOSFET 为 n 沟和 p 沟,n 沟中的电流由反型层电子的流动形成,p 沟中的 电流由反型层空穴的流动形成。这两类器件都
12、可以是增强型的,通常情况下器件是“关”的, 需施加一个栅压才能使器件开启;也可以是耗尽型的,此时在通常情况下器件是“开”的, 需施加一个栅压才能使器件关闭。 平带电压是满足平带条件时所加的栅压,这时导带和价带不发生弯曲,并且半导体中没 有空间电荷区。平带电压是金属-氧化层势垒高度、半导体-氧化层势垒高度以及固定氧化层 陷阱电荷数量的函数。 阈值电压是指半导体表面达到阈值反型点所加的栅压,此时反型层电荷密度的大小等于 半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧化层厚度的函数。 当晶体管偏置在非饱和区( VDSVDS(sat))时,反型电荷 密度在漏端附近被夹断,此时理想漏电流仅是栅源
13、电压的函数。 亚阈值电导是指在MOSFET 中当栅 -源电压小于阈值电压时漏电流不为零。这种情况下, 晶体管被偏置在弱反型模式下,漏电流由扩散机制而非漂移机制控制。亚阈值电导可以在集 成电路中产生一个较明显的静态偏置电流。 当 MOSFET 工作于饱和区时,由于漏极处的耗尽区进入了沟道区,有效沟道长度会随着 漏电压的增大而减小。漏电流与沟道长度成反比,成为漏-源电压的函数。该效应称为沟道长 度调制效应。 反型层中的载流子迁移率不是常数。当栅压增大时,氧化层界面处的电场增大,引起附 加的表面散射。这些散射的载流子导致迁移率的下降,使其偏离理想的电流-电压曲线。 基本 MOS 晶体管的工作机理为栅
14、压对沟道电导的调制作用,而沟道电导决定漏电流。 跨导是器件结构、载流子迁移率和阈值电压的函数。随着器件沟道宽度的增加、沟道长 度的减小伙氧化层厚度的减小,跨导都会增大。 p 沟 MOSFET 的等效电路与 n 沟器件的完全相同,只是所有电压的极性和电流的方向都 与 n 沟器件相反。 P 沟模型中的各个电容、电阻和n 沟中的也相同。 离子注入已经成为控制阈值电压的常用方法,n 阱和 p 阱均可被优化地掺杂, 从而控制每 个晶体管的阈值电压和跨导。 微电子器件原理知识点小结 第 4 页 共 8 页 有效迁移率是穿过反型层电荷密度的栅压的函数。随着栅压的增大,载流子迁移率将变 小。 结型场效应晶体管
15、: JFET 中的电路由垂直于直流方向的电场控制,电流存在于源极和漏极接触之间的沟道区 中。在 pn JFET中,沟道形成了 pn 结的一边,用于调制沟道电导。 JFET 的两个主要参数是内建夹断电压Vp0和夹断电压 Vp(阈电压) 。内建夹断电压定义为 正值,它是引起结的空间电荷层完全填满沟道区的栅级与沟道之间的总电势。夹断电压(阈 电压)定义成形成夹断时所需加的栅极电压。 结型场效应晶体管中,沟道电流受与沟道相垂直的电场所引起的沟道电导调制效应影响, 该电场由反偏 pn结或肖特基垒结的空间电荷区产生,调制电场是栅电压的函数。 夹断电压(阈电压)是使JFET 夹断时的栅电压,所以一定存在一个
16、满足电路设计要求的 范围。夹断电压的数值一定低于结的击穿电压。 增强型 JFET 的设计通过薄的沟道厚度和低沟道掺杂浓度实现。通过对沟道厚度和沟道掺 杂浓度的精确控制, 可以获得零点几伏的内建夹断电压,这正是制造增强型MESFET 的难点。 光器件: 光电探测器是将光信号转换成电信号的半导体器件。光电导体是最简单的光电探测器。 入射光子会引起过剩载流子电子和空穴,从而引起半导体导电性的变化,这是这种器件的基 本原理。 光电二极管是加反偏电压的二极管。入射光子在空间电荷区产生的过剩载流子被电场扫 过形成电流。光电流正比于入射光子强度。PIN 和雪崩光电二极管是基本的光电二极管。光 电晶体管产生的
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