半导体器件基础

课件下载 第1章 PN结 …………………………………………………………………………… 1 1.1 半导体物理基础知识 …………………………………………………………… 2 1.1.1 导带电子浓度 ………………………………………………………… 2 1.1.2 价带空穴浓度 ………………………………………………………… 3 1.1.3 四种电流 ……………………………………………………………… 3 1.1.4 突变 PN结耗尽区宽度………………………………………………… 4 1.1.5 一维扩散方程的稳态解 ……………………………………………… 5 1.1.6 玻耳兹曼分布规律的应用 …………………………………………… 6 1.2 PN 结直流特性 ………………………………………………………………… 7 1.2.1 基本结构 ……………………………………………………………… 7 1.2.2 正偏下的电流 ………………………………………………………… 8 1.2.3 非平衡 PN结的能带图………………………………………………… 8 1.2.4 正向偏压下非平衡少子的分布 ……………………………………… 10 1.2.5 反向偏压下非平衡少子的分布 ……………………………………… 11 1.2.6 理想 PN结的电流-电压关系 ………………………………………… 11 1.3 PN 结交流特性 ………………………………………………………………… 14 1.3.1 交流小信号下的 PN结少子分布 …………………………………… 14 1.3.2 扩散电流 ……………………………………………………………… 15 1.3.3 交流小信号导纳 …………………………………………………… 16 1.3.4 交流小信号等效电路 ………………………………………………… 17 1.4 PN 结的开关特性 ……………………………………………………………… 18 1.4.1 PN结二极管的开关作用 …………………………………………… 18 1.4.2 导通过程 ……………………………………………………………… 18 1.4.3 关断过程 ……………………………………………………………… 20 习题 …………………………………………………………………………………… 22 第2章 双极型晶体管 ………………………………………………………………… 24 2.1 工作原理 ……………………………………………………………………… 25 2.1.1 晶体管的发明 ………………………………………………………… 25 Ⅲ 2.1.2 基本结构 ……………………………………………………………… 27 2.1.3 放大原理 ……………………………………………………………… 29 2.1.4 共基极电流放大系数 ………………………………………………… 31 2.1.5 共射极电流放大系数 ………………………………………………… 31 2.2 直流特性 ……………………………………………………………………… 32 2.2.1 BJT中的少子分布 …………………………………………………… 32 2.2.2 理想晶体管的电流-电压方程 ……………………………………… 34 2.2.3 电流放大系数表达式 ………………………………………………… 37 2.2.4 理想晶体管的输入与输出特性 ……………………………………… 39 2.3 BJT的非理想现象 …………………………………………………………… 41 2.3.1 发射结面积对 γ 的影响……………………………………………… 41 2.3.2 基区宽度调制效应(Early效应) …………………………………… 41 2.3.3 发射结复合电流影响 ………………………………………………… 43 2.3.4 大注入效应之一 薇薇 Webster效应 ……………………………… 44 2.3.5 大注入效应之二薇薇 Kirk效应 ……………………………………… 46 2.3.6 大注入效应之三薇薇 发射极电流集边效应(基极电阻 自偏压效应) ………………………………………………………… 47 2.3.7 实际晶体管的输入与输出特性 ……………………………………… 49 2.4 反向特性 ……………………………………………………………………… 51 2.4.1 晶体管的反向电流 …………………………………………………… 51 2.4.2 晶体管反向击穿电压 ………………………………………………… 54 2.4.3 晶体管穿通电压 ……………………………………………………… 57 2.5 晶体管模型 …………………………………………………………………… 58 2.6 频率特性 ……………………………………………………………………… 61 2.6.1 晶体管的放大作用 …………………………………………………… 61 2.6.2 低频交流小信号等效电路 …………………………………………… 63 2.6.3 放大系数的频率特性 ………………………………………………… 68 2.6.4 高频等效电路 ………………………………………………………… 77 2.6.5 漂移型晶体管 ………………………………………………………… 83 2.6.6 异质结双极型晶体管 ………………………………………………… 88 2.7 开关特性 ……………………………………………………………………… 91 2.7.1 晶体管的开关作用 …………………………………………………… 91 _x00B_Ⅳ 2.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间 …………………………………… 97 习题 ………………………………………………………………………………… 102 第3章 场效应晶体管基础 …………………………………………………………… 105 3.1 表面电场效应 ………………………………………………………………… 106 3.1.1 表面电导 …………………………………………………………… 106 3.1.2 MOSFET发明简史 ………………………………………………… 108 3.2 工作原理 ……………………………………………………………………… 109 3.3 MOSFET的阈值电压 ………………………………………………………… 113 3.3.1 阈值电压的定义 …………………………………………………… 113 3.3.2 影响阈值电压的因素 ……………………………………………… 114 3.4 MOSFET的直流特性 ………………………………………………………… 124 3.4.1 MOSFET非平衡时的能带图 ……………………………………… 124 3.4.2 IDS-VDS 的关系 ……………………………………………………… 128 3.4.3 MOSFET的亚阈值特性 …………………………………………… 134 3.4.4 MOSFET的直流参数和低频小信号参数 ………………………… 139 3.4.5 MOSFET的二级效应 ……………………………………………… 141 3.4.6 击穿特性 …………………………………………………………… 154 3.5 MOSFET的频率特性 ………………………………………………………… 156 3.5.1 交流小信号等效电路 ……………………………………………… 156 3.5.2 高频特性 …………………………………………………………… 160 3.6 MOSFET的开关特性 ………………………………………………………… 163 3.6.1 电阻型负载 MOS倒相器 …………………………………………… 163 3.6.2 增强型-增强型 MOS倒相器 ……………………………………… 165 3.6.3 增强型-耗尽型 MOS倒相器 ……………………………………… 166 3.6.4 互补型 MOS倒相器 ………………………………………………… 167 3.7 MOSFET的功率特性 ………………………………………………………… 171 习题 ………………………………………………………………………………… 172 _x00B_第4章 小尺寸 MOSFET ……………………………………………………………… 176 4.1 小尺寸效应 …………………………………………………………………… 177 4.1.1 MOSFET的短沟道效应 …………………………………………… 177 4.1.2 阈值电压“滚降” …………………………………………………… 177 4.1.3 反常短沟道效应 …………………………………………………… 181 Ⅴ 4.1.4 窄沟道效应 ………………………………………………………… 183 4.1.5 漏感应势垒降低 …………………………………………………… 185 4.1.6 短沟道 MOSFET的亚阈特性 ……………………………………… 187 4.1.7 热载流子效应抑制———新型漏结构 ……………………………… 192 4.2 小尺寸 MOSFET的直流特性………………………………………………… 194 4.2.1 载流子速度饱和效应 ……………………………………………… 194 4.2.2 短沟道器件沟道中的电场 ………………………………………… 196 4.3 MOSFET的按比例微缩规律 ………………………………………………… 200 4.3.1 按比例微缩规律概述 ……………………………………………… 200 4.3.2 MOSFET的微缩规则 ……………………………………………… 202 4.3.3 微缩的限制及对策 ………………………………………………… 207 习题 ………………………………………………………………………………… 216 附录A Ebers-Moll方程仿真 NPNBJT共射极输出特性曲线的 MATLAB程序样例 …………………………………………………………… 218 附录B 均匀基区NPNBJT交流小信号情况下的超相移因子 …………………… 221 附录C 集电结势垒区输运系数βd(ω)和集电结渡越时间τd 的推导 …………… 225 附录D 氧化物隔离双极型晶体管典型工艺流程…………………………………… 228 附录E 浅槽隔离平面CMOS晶体管典型工艺流程 ……………………………… 230 附录F 浅槽隔离立体FinFET典型工艺流程 ……………………………………… 235 附录G MOSFET重要参数的业界测量方案 ………………………………………… 242 Ⅵ