(工学)半导体器件物理基础

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1、半导体器件物理基础PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散PN结的特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb§2.4双极晶体管1.双极晶体

2、管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流晶体管的直流特性共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区4.晶体管的特性参数4.1晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、4.晶体管的特性参数4.2晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Ie

3、bo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流晶体管的主要参数之一4.晶体管的特性参数（续）4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一4.晶体管的特性参数(续)4.4晶体管的频率特性截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f：特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率5.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻

4、尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极§2.5

5、MOS场效应晶体管MOS电容结构MOSFET器件1.MOS电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率直流和交流时均成立一MOS结构交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线〕2、介质层不吸收能量非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行

6、板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V未加偏压时的MOS结构MOS电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲平带电压平带电压－－使表面势为0，所需在栅上加的偏压。施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）转移特性曲线提取阈值电压研究亚阈特性长沟MOSFET的输出特性亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+(P+)N+(

7、P+)P(N)SourceGateDrainN+(P+)作业讨论PMOS晶体管的工作原理第三章大规模集成电路基础3.1半导体集成电路概述集成电路（IntergratedCircuit，IC）芯片（Chip,Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路的性能指标：集成度速度、功耗特征尺寸可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸

8、增大硅片面积集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.25~0.18mm增大硅片：8英寸~12英寸亚0.1mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术：EUVSCAPEL(BellLab.的E-Beam)X-ray集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产