半导体器件物理第五章 施敏 第二版
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半导体器件物理(第五章)_59230712
下页图中曲线所示为依据上述关系在不同P 型基
区宽度W 的条件下，P 型区中归一化的过剩少数载流
子电子浓度的分布情况。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
PN结正向注入时P型区中过剩少子电子的浓度分布：
W＝基区宽度 L＝少子扩散长度
（W＝∞）
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
从图中可见，P 型基区宽度W 越窄，基区中过剩
如图所示，当VCE < VBE 时，器件的收集结也处于 正偏状态，晶体管处于饱和区，此时收集极电流可近
似为正偏发射结电流与正偏收集结电流之差（忽略基
极电流），因此当VCE不断增大时，晶体管逐渐退出 饱和区（收集结正偏状态），晶体管的收集极电流也
不断增大。
而当VCE > VBE 时，器件的收集结处于反偏状态， 晶体管处于非饱和区（正向放大区），此时由发射区
和收集结均处于正偏状态； （2）非饱和区：VCE >VBE 此时器件的发射结处于正偏
状态，而器件的收集结则处
于反偏状态。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
理想双极型晶体管的输出电流－电压特性：
虚线所示为饱和区与非饱和区 的分界点，该处VCE=VBE 。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
流增益β ，但这也会增大控制薄基区宽度WB的难度。
其次是关于器件基区的设计，要尽可能减小基区
结深，以缩小基区宽度，增大电流增益，同时减少收
集结正偏时的基区存储电荷QB ，提高双极型晶体管 的开关性能；至于基区的掺杂浓度则可以适当提高，
以减小基区的串联电阻，这样既可以提高双极型晶体
半导体器件物理课后习题(施敏)
p N A N D 5 1015 1017 1017 5 1015 cm3
ni (9.65 109 ) 2 4 3 n 1 . 86 10 cm p 5 1015
1 1 8.33cm 19 15 qp p 1.6 10 5 10 150
因为霍耳电压为正的，所以该样品为p型半导体(空穴导电) 多子浓度：
霍耳系数：
IBZW 2.5 103 30 104 0.05 17 3 p 1 . 46 10 cm qVH A 1.6 1019 10 103 1.6 103
1 1 3 RH 42 . 8 cm /C 19 17 qp 1.6 10 1.46 10
因为热平衡时，样品内部没有载流子的净流动，所以有
J n漂移 J n扩散 J n 0
根据欧姆定律的微分形式
J n漂移 E ( x)
(a) q
E
J n扩散 ( x)
Dn N 0 exp( ax)
a q kT n N 0 exp( ax) q a kT n N 0 exp( ax) a kT n N D q n N D a kT q
1 1 2.78cm qp p 1.6 1019 5 1015 450
2
注意：双对数坐标！ 注意：如何查图？NT？
(b) 21016硼原子/cm3及1.51016砷原子/cm3
p N A N D 2 1016 1.5 1016 5 1015 cm3
密度 = 每立方厘米中的原子数× 原子量/阿伏伽德罗常数
(69.72 74.92) 3 2.2 10 g / cm 23 6.02 10
半导体器件物理课后习题(施敏)
1 1 (3) 从(111)面上看，每个面上有 × 3 + × 3 = 2 个原子 6 2
所以，每平方厘米的原子数=
2 4 = ≈ 7.83×1014 3 ⋅ ( 2a)2 3 × (5.43×10−8 )2 4
2.
假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部， 假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 找出图中三原子（ Z）的高度。 找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
根据题意，有 用ρn和ρp相除，最后得 NA=100ND
11. 一个本征硅晶样品从一端掺杂了施主，而使得 一个本征硅晶样品从一端掺杂了施主， ND = Noexp (-ax)。(a)在ND >> ni的范围中，求在平 的范围中， 。 在 衡状态下内建电场E(x)的表示法。(b)计算出当 = 的表示法。 计算出当 计算出当a 衡状态下内建电场 的表示法 1µm-1时的 µ 时的E(x)
2
ρ≈
1 1 = ≈ 2 .78 cm ⋅ Ω qp µ p 1 . 6 × 10 −19 × 5 × 10 15 × 450
注意：双对数坐标！ 注意：如何查图？NT？
(b) 2×1016硼原子 硼原子/cm3及1.5×1016砷原子 砷原子/cm3 × ×
p ≈ NA − ND = 2 ×1016 −1.5×1016 = 5×1015cm−3
(69.72 + 74.92) = 2.2 ×10 × g / cm3 6.02 ×10 23
22
2.2×144.64 = g / cm3 60.2
≈ 5.29g / cm3
(b)一砷化镓化镓样品掺杂锡 的位置，那么锡是施主还是受主? 为什么? 的位置，那么锡是施主还是受主 为什么 此 半导体是n型还是 型还是p型 半导体是 型还是 型?
施敏 半导体器件物理与工艺
施敏半导体器件物理与工艺
施敏（Shi Min）是半导体器件物理与工艺领域的专家，研究
方向主要涉及半导体材料、器件物理和工艺技术。
他在该领域做出了多项重要的研究成果，对于半导体器件的性能提升和工艺改进具有重要的指导意义。
施敏在半导体材料方面的研究主要涉及材料的生长和特性研究，以及材料在器件中的应用和优化。
他对于新型半导体材料的研究，如氮化物材料、碳化硅材料等，具有深入的了解和广泛的经验。
通过对材料的结构、晶格、电学、光学等性质进行研究，他能够准确地评估材料的适用性和性能。
此外，他还对材料的生长过程进行了优化，以提高材料的质量和一致性。
施敏在半导体器件物理方面的研究主要围绕器件内部的电学和光学特性展开。
他研究了器件中电子和空穴的输运过程，以及载流子和能带在器件中的分布规律。
通过深入理解器件中的物理现象，他能够提出相应的改进方法，以提高器件的效率和性能。
施敏在半导体器件工艺方面的研究聚焦于器件的制备和加工过程。
他研究了各种器件加工方法的优缺点，以及不同材料在加工过程中可能出现的问题。
通过优化制备工艺，他能够提高器件的稳定性和可靠性，同时降低生产成本。
总体而言，施敏在半导体器件物理与工艺领域的研究成果丰富，对于推动半导体器件的发展和应用具有重要的贡献。
他的研究
旨在提高器件性能、优化工艺流程和推动新材料的应用，为半导体行业的发展提供技术支持和指导。
半导体器件物理施敏
NMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体
绝缘体
栅极
栅极
n
n
p 掺杂半导体衬底
n 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底 耗尽型电路符号
衬底 增强型电路符号
PMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体 绝缘体
栅极
栅极
p
p
n 掺杂半导体衬底
p 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底
衬底
耗尽型电路符号
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子 电荷。
金 属
氧化层陷阱电荷
可动离子电荷 Na+K+氧源自层固定电荷SiO2Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线
平带电压：
VFBmsQf Q Cm oQot
实际MOS二极管的阈值电压：
V T V F B qC A W o N m ψ s(i n V Fv B) 2sq C o A ( N 2 ψ B ) 2 ψ B
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的金属平行板电压— —阈值电压
一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
V TqC A N W omψ s(in v 2s)qC o A N (2 ψ B )2 ψ B
三种 状态
由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：
表面电势ψs：
中科院半导体器件物理 第五章
极管基本一致。开启电压低。 量子效率：注入的载流子复合产生光量子的效率。 外量子效率：单位时间内实际输出二极管的光子数目与注入 的载流子数目之比。 内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目 与注入的载流子数目之比。
5
3。半导体激光器
体积小，易于调制，是光纤通讯中最重要的光源之一。 材料要求： 直接带隙 低界面态异质结构—晶格匹配
19
a 无光照平衡PN结
光照下理想PN结方程和特性曲线
IL ---光照引起的通过PN结的光 生电流，在结内部为NP RS ---串联电阻，无负载时为 负载电阻 IS ---流过RS 的电流 RS 上的压降：
Vs I s Rs
光伏效应原理图
pn结势垒上的压降： V s
势垒降低： Vs
势垒降低引起的正向注入电流： 也叫暗电流，漏电流
BCCD的结构示意图
16
迁移率高，界面陷阱 导致的电荷损失少。
5.太阳电池
pn结太阳电池 太阳电池的理想光电转换效率
17
1)Pn结太阳电池
光生伏特效应的三个物理过程：
吸收光能激发出非平衡电子空穴对 非平衡电子和空穴向非均匀势场区的扩散和漂移运动 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 PN结 肖特基势垒 异质结 以PN结为例，分析光电转换的物理过程
15
埋沟CCD 对于SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表 面陷阱效应导致的电荷损失。 埋沟CCD ：电荷包不在半导体表面流过，而是被约束在紧 贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。 与衬底相反类型的窄 N 型半导体层，在栅 极加正电压时，窄 n 型层全部耗尽，成为 沟道。
20
5
3。半导体激光器
体积小，易于调制，是光纤通讯中最重要的光源之一。 材料要求： 直接带隙 低界面态异质结构—晶格匹配
19
a 无光照平衡PN结
光照下理想PN结方程和特性曲线
IL ---光照引起的通过PN结的光 生电流，在结内部为NP RS ---串联电阻，无负载时为 负载电阻 IS ---流过RS 的电流 RS 上的压降：
Vs I s Rs
光伏效应原理图
pn结势垒上的压降： V s
势垒降低： Vs
势垒降低引起的正向注入电流： 也叫暗电流，漏电流
BCCD的结构示意图
16
迁移率高，界面陷阱 导致的电荷损失少。
5.太阳电池
pn结太阳电池 太阳电池的理想光电转换效率
17
1)Pn结太阳电池
光生伏特效应的三个物理过程：
吸收光能激发出非平衡电子空穴对 非平衡电子和空穴向非均匀势场区的扩散和漂移运动 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 PN结 肖特基势垒 异质结 以PN结为例，分析光电转换的物理过程
15
埋沟CCD 对于SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表 面陷阱效应导致的电荷损失。 埋沟CCD ：电荷包不在半导体表面流过，而是被约束在紧 贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。 与衬底相反类型的窄 N 型半导体层，在栅 极加正电压时，窄 n 型层全部耗尽，成为 沟道。
20
半导体器件物理课后习题(施敏)
解：根据题意有
n i N c N v exp(-Eg /2kT), N D 1015 cm 3
3 2
本征温度时，Ni=ND
将NV ≡2(2mpkT/h2)3/2和N C 12( 2mn kT / h 2 )
1 2
代入上式并化简，得
Eg 3 2kT 3 2 ni 24 (m p mn ) ( 2 ) exp( ) h 2kT
所以，每平方厘米的原子数=
4 14 7 . 83 10 2 8 2 3 ( 2 a ) 3 ( 5 . 43 10 ) 4
2
2.
假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
解：此正方形内部诸原子可视为是由一个顶点及其 所在 三个邻面的面心原子沿体对角线平移1/4 长度后，向底面投影所得。 因此，x的高度为3/4 y的高度为1/4 z的高度为3/4
Ec
( E Ec ) N ( E ) F ( E )dE
N ( E ) F ( E )dE
而导带单位体积总的电子数为
Ec
导带中电子平均动能：
Ec
( E Ec ) N ( E ) F ( E )dE
=3/2kT
Ec
N ( E ) F ( E )dE
14. 一半导体的本征温度为当本征载流子浓度等 于杂质浓度时的温度。找出掺杂1015 磷原子/立方 厘米的硅样品的本征温度。
ni (9.65 109 ) 2 4 3 n 1 . 86 10 cm p 5 1015
2
1 1 3.57cm 19 15 qp p 1.6 10 5 10 350
半导体器件物理第五章 施敏 第二版
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO
ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
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n+ Buried Layer
p-
C
Metal
n+
SiO2
pn-Isolation
p+
典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图
集电结外延，发射结离子注入
5.1.2 电流增益
发射区（p+） 基区（n） 集电区（p）
IE
} IEP
IEn 空穴电流和穴电流
{IBB IB
} ICP
IC
ICn
电子电流 电子流
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关
1]
a22
a21
qADP W
pn0
a22
qA
DP pn0 W
DC nCO LC
基极电流
I
B
（a11
a21）[exp
qVEB kT
1]
（a12
a22）
结极性与少数载流子分布
E
B
C
E
B
C
nP pn
nP
0W
放大
nP
Pn
nP
0W
饱和
E
B
C
np
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
各模式下的一般表示式
IE
a11
exp
qVEB kT
1
a12
exp
qVCB kT
理能力
5.1 晶体管的工作原理
晶体管概念：是一种多重结的半导体器件 三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结， 浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n 区域，称为基区，浓度最小的p型区域称 为集电区。
晶体管的发明
理论推动
19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
量子力学 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半导体 研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain
Bardeen提出了表面态理论， Schokley 给出了实现放大器的基本设想，Brattain 设计了实验
一双向三端点的可控硅器件称为三 极交流开关
可控硅器件形式
传统可控硅器件 非对称可控硅器件 栅极关闭可控硅器件 光感应可控硅器件
可控硅器件应用
HVDC 马达驱动 电源供应 SMPS高频功率转换 照明超声波发生器
n-p-n双极型晶体管
5.1.1 工作在放大模式
由邻近的射基极注射过来的电 子可在反向偏压的集基极造成大电 流，这就是晶体管的放大作用，而 且，只有当此两结彼此足够接近时 才会发生，此两结被称为交互 p-n 结
双极集成电路中元件的形成过程和元件结构
pn-Isolation p+ n-
B
E
p
n+
β ~(NE/NB)exp(Δ Eg/kT)
5.5 可控硅器件
J1
J2 J3
P1
n1
P2 n2
a
X=0
b
X=w
可控硅器件
J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相 连的最外层p层称阳极，另一边n层 称为阴极。这个没有额外电极的结 构是个两端点的器件，被称为p-np-n二极管，若另一个称为栅极的电 极被连到内层的p层，所构成的三端 点器件一般称为半导体控制整流器
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
第5章 双极型晶体管及相关器件
5.1 晶体管的工作原理 5.2 双极型晶体管的静态特性 5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性 5.4 异质结双极型晶体管 5.5 可控硅器件及相关功率器件
相关主题
1 双极型晶体管的电流增益工作模式 2 双极型晶体管的截止频率与开关时间 3 异质结晶体管的优点 4 可控硅器件与相关双极型器件的功率处
1
IC
a21
exp
qVEB kT
1
a22
exp
qVCB kT
1
共基组态输出I-V特性
EB C IE
E
p+ n p
+
VEB
IB
-
B
IC
+C VCB
-
饱和
IE =6mA 放大
P-n-p共基组态
截止
ICBO BVCBO
Pn(x)
集电区 p
QQB B
nco
nEO nE(x)
Pno
nc(x)
-xE 0
W XC
p-n-p
基极（ qVEB kT
）（1 x W
）
=p（n 0）（1-
x W
）
发射极和集电极
n（E x）
nEO
nEO
[exp
qVEB kT
1]exp（ x
（j f
/
f）
f （1 0）fa
fT 02 1 f 0 10 f 0 f
IP=qv（x）p（x）A
B
W 0
（vdxx）
W q（p x）Ad（x）
0
IP
B
W2 2DP
VEB VS
0
开关暂态过程
IC
IB P
t RS
n
VEB
P+
IE
RL -
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO
ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
VCC
+
晶体管开关电路
IB
0
t2
QB（t2） QS O t1 ta t2t3 t
IC
ts
IC（t1）
0 t1 ta t2t3
Pn（x）
基区 t2
ta
t1，t3 QS
t=0
0
w
5.4 异质结双极型晶体管
异质结双极型晶体管是指晶体管 中的一或两个结由不同半导体材料 组成，主要优点是发射效率高，具 有较高的速度
1947年12月23日，第一次观测到了具有 放大作用的晶体管
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
第一个点接触式的NPN Ge晶体管 (transistor)
Bardeen, Brattain, and Schockley获1956
年诺贝尔物理奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
+
xE LE
）x
-xE
n（C x）=nCO
nC O
exp（
x
xcE LC
）
x xC
发射极电流
IE
a11[exp（
qVEB kT
）
1]
a12
a11
qA（ DP pn0 W
DE nEO ） LE
a12
qADP pn0 W
集电极电流
IC
a21[exp
qVEB kT
ICEO
V
截止 BVCEO
厄雷效应
IC IB
厄雷
电压 VA
VCE
又称为基区宽度调制效应
5.3 频率响应与开关特性
高频等效电路
B`
rB
B
CCB
C
rc
C`
~ VEB
CEB
CD
~
gmVEB
gEC
gEB
E
E
截止频率
共基电流增益 共射电流增益
特征频率
0
1 （j f
/
f
）
a
1
1
0
VEC
-
E
发射区 基区 集电区