器件物理第五章
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
晶体管的开关特性

上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性,可以把二极管作开关使用。当开关K打向 A时,二极管处于正向,电流很大,相当于接 有负载的外回路与电源相连的开关闭合,回路 处于接通状态(开态);若把K打向B,二极 管处于反向,反向电流很小,相当于外回路的 开关断开,回路处于断开状态(关态)。
练习
P106 1,4,5
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半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
开关晶体管的工作状态
晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出
特性曲线上可以看出,随着偏置电压的不同,晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。
此外,当晶体管的发射极和集电极相互交换,晶体管处于倒 向运用状态时,也应该同样存在上述三个区域。
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加,P-N结上的电压逐步上升,在稳态即为VJ。 此时,二极管就工作在导通状态。
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半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲, 此时,正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域,开始时的瞬间,流过P-N结的反向 电流很大,经过一段时间后,原本积累的载流子一部分 通过复合,一部分被拉回原来的区域,反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后,P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR,P-N结达到平衡。定义流过P-N结 的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和(ts+tf)称为P-N结的关断时 间(反向恢复时间)。
半导体物理第五章(教材)

05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时,会产生热电势差,即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应,可以制作出温差电器件,如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件,以适应体技术与其他领域(如生物、医学、环境等)的交叉融合,将 产生新的应用方向和产业机遇。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
致冷器件
利用帕尔贴效应,可以制作出致冷器 件,如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念,以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
03
半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷,具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷,具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
《半导体物理第五章》课件

第六节:PN结的非平衡态
PN结非平衡态简析
简单剖析非平衡态下PN结的电压 -电流特性。
简单PN结非平衡态的VE特性 光电导效应的非平衡态
研究非平衡态下PN结的电压-电 流特性。
探究非平衡态下光电导效应在PN 结中的特点与应用。
探讨PN结太阳能电池的构造和独特特点。
3 PN结太阳能电池的主要性能参数
深入了解PN结太阳能电池的重要性能参数及其影响因素。
第五节:PN结的热平衡态
PN结的热平衡态简析
简要分析PN结的热平衡态及其 相关特性。
热平衡态下PN结的IV特性
详细讨论热平衡态下PN结的电 流-电压特性。
自扩散效应的热平衡 态
详细讨论电子和空穴在PN结中的运动方式。
光谱响应及其特征
探究PN结对光谱的响应,以及其特征与应用。
第二节:P-N结的动态响应
PN结的快速响应
探索PN结在快速响应方面的特性 与应用。
PN结快速开关电路
介绍PN结在快速开关电路中的工 作原理与应用。
鼓型PN结
研究鼓型PN结的结构和相关特点。
第三节:PN结的光探测器
1
光电导效应及其应用
深入解析光电导效应在光探测器中的应用。
2
光电二极管的工作原理
详细讨论光电二极管的工作原理和特性。
3及其在光能转换中的应用。
第四节:单晶硅PN结太阳能电池
1 太阳能电池的基本原理
详细介绍太阳能电池的基本原理和工作方式。
2 PN结太阳能电池的构造及其特点
《半导体物理第五章》 PPT课件
这是《半导体物理第五章》的PPT课件,旨在介绍半导体物理的相关知识。通 过本次分享,我们将深入探讨半导体的基本性质、动态响应、光探测器、太 阳能电池、热平衡态以及非平衡态等内容。
中科院半导体器件物理 第五章

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
半导体器件物理第五章

(5-4)
qa2 N d VP 0 VP 0 2k 0
(5-6)
可见,夹断电压仅由器件的材料参数和结构参数决定,是器件的固有参数。这就是“在 夹 断点夹断电压相等”一语的根据。
5.3 静态特性
5.3 静态特性
一、线性区 令 VD<< 0 VG ,(5-4)式中的第二项:
9.6m A
5.2 理想JFET的I-V特性
小结
建立了理想JFET的基本假设。 在理想JFET的基本假设的基础上导出了夹断前JFET的I-V特性方程
3 2 2k 0 3/ 2 2 I D G0 VD V V V D 0 G 0 G 2 3 qa N d
第五章
结型场效应晶体管
5.1 JFET的基本结构和工作过程
5.1 JFET的基本结构和工作过程
一、JFET的基本结构
图5-1 由两种工艺制成的 沟道JFET (a)外延—扩散工艺 (b)双扩散工艺
n
源极-Source-S
漏极-Drain-D
栅极-Gate-G:上栅、下栅
5.1 JFET的基本结构和工作过程
其中用了
I DS 9.6mA
5.6 夹断后的JFET的性能
三、漏极击穿
随着漏极电压的增加,会导致栅 —沟道二极管发生雪崩击穿,这是漏电流突然增加所致。
如绘于图5-11中的情形。击穿发生在沟道的漏端,因为那里有最高的反向偏压。此击 穿电压可用下式表示
VB VD VG
(5-32)
式 VD 中为击穿时的漏电压。
1 2
(2)(12)(8.85 10 )V L 19 15 ( 1 . 6 10 )( 5 10 )
半导体物理与器件第五章2

n0 Nd
则:
dN d x J n eN d x n Ex eDn 0 dx
KT 1 dNd ( x) Ex ( ) e N d ( x) dx
而电场的表达式为:
dNd x kT 1 dNd x 代入得到: e N x eDn 0 n d dx e Nd x dx
J ep p E eDpp enn E eDnn
内生电场:非均匀掺杂下,由电离杂质梯度产生 内生电场
kT 1 dN d ( x) E x ( ) e N d ( x) dx
爱因斯坦关系:扩散运动与漂移运动的内在联系
Dn kT n e
Dp
kT p e
载流子的总电流密度
以均匀掺杂N型材料为例,若在 x 方向加光照、 加电场E,载流子既做漂移运动又做扩散运动, 相应产生扩散电流和漂移电流
E
光照
( J p )漂 ( J p )扩 ( J n )漂 ( J n )扩
dp / dx dn / dx
x
总电流密度(漂移+扩散)
E
光照
( J p )漂 ( J p )扩 ( J n )漂 ( J n )扩
半导体物理与器件
陈延湖
5.2 载流子的扩散运动
对载流子有两种空间运动
电场作用下的漂移运动(√) 浓度差引起的扩散运动
1 扩散电流密度 2 半导体总电流密度方程 3 内生电场 爱因斯坦关系
扩散电流密度
A B 光 照 x x+Δx x
0
当半导体内的载流子分布不均匀时,会出现载流子由高浓 度处向低浓度处的扩散运动。 由于扩散运动而形成的净电荷流动将形成电流,称为扩散 电流。Βιβλιοθήκη 5.3 杂质梯度分布
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▲双极性晶体管工作原理(结构条件,外加电压条件)
答:①右图
为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管,具有三段不同掺杂浓度的区域,形成两个p-n结。
浓度最高的p+区域称为发射区;中间比较窄的n型区域,其杂项浓度中等,称为基区,基区宽度远小于少数载流子的扩散长度;浓度最小的p型区域称为集电极区。
②图(a)是一热平衡状态下的理想p-n-p双极型晶体管,即其三端点接在一起;或者三端点都接地,阴影区域分别表示两个PN结的耗尽区。
显示三段掺杂区域的杂质浓度,发射区的掺杂浓度远比极电区大,基区的浓度比发射区低,但高于集电区浓度。
图(c)表示耗尽区的电场强度分布情况。
图(d)是晶体管的能带图,它只是将平衡状态下的p-n结能带直接延伸,应用到两个相邻的耦合p+—n结与n-p结
③图(a)为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管;即基极被输入与输出电路所共用,图(b)与图(c)表示偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形,与热平衡状态下比较,射基结的耗尽区宽度变窄,而集基结耗尽区宽度变宽。
图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图,射基结为正向偏压,因此空穴由p+发射区注入基区,而电子由基区注入发射区。
▲推导双晶体管理想电流,电压方程中五点假设及其具体推导过程。
为什么基区少数载流子分布可近似为一条直线?
答:为推导出理想晶体管的电流,电压表示式,需作下列五点假设:
⑴晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂;
⑵基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略;
⑶载流子注入属于小注入;
⑷耗尽区中没有产生一复合电流;
⑸晶体管中无串联电阻。
假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区,然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结,一旦确定了少数载流子的分布(n区域中的空穴),就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
_____________________________________________________。
即少数载流子分布趋近于一直线。
此近似是合理的,因为在晶体管的设计中基极区域的宽度远远小于少数载流子的扩散长度。
如图可见,由线性载流子分布的合理假设可化简电流-电压特性的推导过程。
▲什么叫小信号工作?跨导,输入电导和输出电导的定义及其表达式。
答:小信号意指交流电压和电流峰值小于直流的电压电流值。
跨导:________________________;输入电导:_________________________;输出电导:_______________。
▲双极晶体管的截止频率定义。
共基极截止频率、共射极截止频率之间的相互关系特征频率的表达式。
答截止频率:如右图中,跨导
m
g和输入电导
EB
g与晶体管的共基电流增益
有关。
在低频时,共基电流增益是一个固定值,不会因工作频率而改变,然而当频率升高到一关键点后,共基电流增益会降低。
右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。
加入频率的参量后,共基电流增
益为___________。
其中
α是低频(或者直流)共基电流增益,
α
f是共基
的截止频率,当工作频率
α
f
f=时,α的值为0.707
α(下降3dB)。
右图也显示了共射电流增益,由上式可得________________________。
其
中
β
f称为共射截止频率_____。
由于1
≈
α,所以
β
f远远小于
α
f。
另外,一截止频率
T
f(又称特征频率)
定义为β的绝对值变为1的频率,将前式等号,右边的值定位1,可得出_________________。
▲基区渡越时间表达式推导及其缩短基区渡越时间的方法。
答:特征频率T f 也可以表示为1)2(-T πτ,其中T τ表示载流子从发射极传输到集电极所需的时间,包含了发射区延时E τ,基区渡越时间B τ,以及集电区渡越时间C τ。
其中最主要的时间是B τ。
少数载流子在dt 时间段中所走的距离是dx=v(x)dt ,其中v(x)是基区中的少数载流子的有效速度,此速度与电流的关系为:______________________。
其中A 是器件的截面积,p(x)是少数载流子的分布,空穴经过基区所需的时间B τ为_________________。
以线性空穴分布为例,将_________________________。
因此T f 很接近但稍小于αf
要改善频率响应,必须缩短少数载流子穿越基区所需要的时间,所以高频晶体管都设计成短基区宽度。
由于在硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍,所有的高频硅晶体都是n-p-n 的形式(基区中的少数载流子是电子),另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂浓度低产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动,因而缩短基区渡越时间。
▲双极晶体管开关时间及其开关过程的解释。
(电荷,电场,电势的动态关系)。
答:开关时间是指晶体管状态从关变为开或者从开变为关所需要的时间,
图(a )显示一输入电流脉冲在t=0时加在射基端点上,晶体管导通,在2t t =时,电流瞬间为零,晶体管关闭。
集电极电流的暂态行为可由储存在基区中的超少量少数载流子电荷)(t Q B 来决定;图(b )是)(t Q B 与时间的关系图。
在导通的过程中基区储存电荷将由零增加到)(2t Q B ,在关闭的过程中,基区储存电荷由)(2t Q B 减少到零。
当s B Q t Q <)(时,晶体管工作放大模式下,其中s Q 是CB V =0时基区中的电荷量(如图<d>,在饱和区的边缘)。
具体解释C I 对时间的变化显示在图(c )中,在导通的过程中,基区储存电荷量达到s Q ,电荷量在1t t =时达到饱和区边缘。
当s B Q Q >时,晶体管进入饱和模式,而发射极和集电极电流大致维持定值。
图(d )显示1t t >时,空穴分布)(x P n 与1t t =时平行,所以在x=0和x=W 处空穴浓度梯度即电流维持相同。
在关闭的过程中,器件起初是在饱和模式下,集电极的电流大约维持不变,直到B Q 降至s Q ,如图(d )。
▲异质结构晶体管为什么具有较高的速度,采用公式推导说明异质结不同材料禁带宽度如何影响其电流增益。
答:异质结双极型晶体管(HBT )是指晶体管中的一个或两个结由不同的半
导体材料所构成。
HBT 的主要优点是发射效率高,基本应用与双极型晶体管相同,但HBT 具有较高的速率,可以工作在更高的频率。
因为其具有这些特性,HBT 在光电,微波和 数字应用上非常受欢迎。
如在微波应用方面,HBT 常用来制造固态微波及毫米波功率放大器,震荡器和混频器。
HBT 的电流增益:由于HBT 发射区和基区是不同的半导体材料它们的禁带宽度差将对HBT 的电流增益造成影响,当基区输送系数T α非常接近1时,共射电流增益可表示为______。
发射区和基区的少数载流子浓度可写为_________________________。
其中E N 和B N 分别是发射区和基区的掺杂浓度,C N 和V N 分别是导带和
价带底的有效状态密度,gE E 是发射区半导体的禁带宽度,'C N 、'
V
N 和gB E 则是基区半导体上相应参数。
因此,由于HBT 发射区和基区半导体材料不同,它们的禁带宽度差将对HBT 的电流增益造成影响,且__________________________________。
▲异质结容易出现导带能带不连续,这个问题如何解决?
答:导带上的能带不连续C E ∆是我们所不希望看到的。
因为此不连续迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒,因而降低发射效率和集电极电流,此缺点可由缓变层和缓变基区异质结来改善。
下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图,其中C E ∆已经被消除,缓变层的厚度为g W 。
基极区域也可用缓变分布,以将由发射区到基区的禁带宽度减小,图中虚
线显示缓变基区HBT 的能带图,其中存在一个内建电场bi E 于准中性基区内,导致少数载流子渡越时间降低,增加了HBT 的共射电流增益与截止频
率。
▲p-n-p-n 二极管及其可控硅器件各自的特点
答:p-n-p-n 二极管正向区域是个双稳态器件,可以由高阻抗低电流的关闭状态转换到低阻抗高电流的开启状态,反之亦然。
可控硅器件的电流-电压特性与p-n-p-n 二极管类似,但多了g I ,当栅极电流增加时,可以降低产生正向转折电压。