半导体器件基础总复习.docx

1、半导体器件基础总复习1双极型晶体管部分晶体管由两个 pn 结： 发射结和集电结将晶体管划分为三个区： 发射区、基区及集电区。相应的三个电极称为发射极、基极和集电极，并用 E，B 和 C ( 或 e，b 和 c ) 表示。晶体管有两种基本结构： pnp 管和 npn 管。 双极型 NPN 晶体管制造过程：1、在 N 型衬底中扩散 P 型杂质；2、在 P 型扩散区中再扩散 N 型杂质； 3、在磷氧化层上开出基区和发射区接触孔；4、蒸发金属；5、光刻金属，引出及区、发射区引线；6、制备集电极电极7、切片、封装发射效率 nEppEnE JJ1 pebnLDW01可见提高 Ne / Nb，降低 R e

2、/ Rb 可提高发射效率，使 接近于 1。半导体器件基础总复习2基区输运系数 nErBnECJ1*2*1nbLW集电区倍增因子 22* Cpiq两种类型晶体管均可适用npn 晶体管共基电流放大系数 21pebpebLW共射电流放大系数 21pepebLW基区自建电场 晶体管的反向电流和击穿电压 穿通电压 UPT 晶体管的基极电阻 晶体管的截止频率 f、 f 特征频率 fT 最高振荡频率 fm 超相移因子 高频优值 M 晶体管的大注入效应 基区电导调制效应 大注入自建电场有效基区扩展效应 发射极电流集边效应基区自建电场这一电场称为缓变基区的自建电场，也称内建电场，用 E b 表示。 穿通电压 U

3、PT 随着集电结反向电压的增加，集电结势垒区向两边扩展，基区有效宽度 Wbeff 减小。 若在集电结发生雪崩击穿前 Wbeff 就减小到零，即发射区与集电区之间已无中性基区，这种现象称为基区穿通，对应的电压称穿通电压。晶体管的击穿电压 BUEB0 和 BUCB0 , BUCEO、BUCES、BUCER 和 BUCEX 半导体器件基础总复习3基极电阻由四部分组成 发射区下面的电阻； 发射区和基极金属电极之间的电阻；基极金属电极下面部分的电阻 ； 基极金属电极与半导体的接触电阻 ；晶体管的大注入效应发射区注入到基区的少数载流子密度很大且与基区多数载流子密度接近，甚至更大的情况。大注入状态引发的效应

4、称为大注入效应。晶体管的大注入效应有基区电导调制效应 基区宽度调制效应 大注入自建电场 发射极电流集边效应BJT 部分习题详解 1， 试求图示电路输出电流温度系数的表达式， 然后选定 R1， R2 和 R3 的阻值，并使输出电流 I0 的大小为 1mA， 且具有零温度系数。假定齐纳击穿电压为 6.2V，晶体管正向基-射通态电压 0.6V，I x 等于 50A，晶体管基极电流均可忽略不计，集成扩散电阻相对温度系数+2000ppm C, 齐纳击穿电压的绝对温度系数为 + 2.5mV C，晶体管正向基-射通态电压的绝对温度系数为 - 2.0mV C。解： 据图可以写出即令式中则 VZ=IOR1+(1

5、+n)V BE 整理后得 1RVnIBEZO此即输出电流的表示式。 两边同时对 T 求导，可得输出电流的温度系数表示式： 代入已知数值，并令输出电流的温度系数为零，ppm: parts per million ，百万分之一 10 -6半导体器件基础总复习4解得 1 + n = 3.09， n = 2.09， R2/R3=1.09; 因为 3RVIBEXIx 等于 50A， VBE = 0.6V， 故又 R2/R3=1.09; 最后可得 2， 如果要求图示电路产生 100uA 输出电流和尽可能最低的 TCF， 试求需的串联二极管的个数 n 和 R2 值。设 解：据图可以写出 BEOZVnRIV2

6、得输出电流的表式为 两边同时对 T 求导：因要求输出电流有尽可能最低的 TCF ，故可令上式为零。代入已知数值得又据联立以上两式有解方程得 n+2=3.09,n=1.09;半导体器件基础总复习5利用 VZ 的表达式，可得 R2=43.4Kn 不是整数可用图示电路来实现：该电路可产生同 VBE 成任意比值的电压，称为 VBE 倍增器。如果施加电压 V ，且不计晶体管的基流，则集电极流为因而总电流 I 等于 I1 + IC，为通常，电路工作在 IC 远大于 I1 的区域内，有：进行反运算得于是，端电压 V 等于 VBE 乘上某一常数。利用这种电路构成的温度系数为零的电流源如图 2.1 示：图 2.

7、1半导体器件基础总复习63，导出给定 IC 时 UBE(on) 的温度系数。已知； kTECngiexp312ni 本征载流子浓度，Eg 能带间隙， k 布尔兹曼常数，C1 与温度 T 无关的常数。解：根据肖克莱方程 1expkTqUIfsf考虑到二极管施加正向电压（譬如0.6V）时，方括号中的指数项明显大于 1，故上式可近似改写为 两边求对数，得 Ifsf sffInqkTU上式两边同时对 T 求导，整理后有 1.常 数 dIqkUdTsfIf因为 Is 是结的反向饱和电流，可表为 AnDpisNLAqn2式中各量按通常意义解释：A 为 PN 结的截面积，D p,n 为空穴或电子的扩散系数，

8、Lp,n 为空穴或电子的扩散长度，N D ，N A 为施主或受主浓度，n i 本征载流子浓度。将给出的 ni 表式代入 Is 并把与温度 T 不相关的量合并成比例常数 C2 则 Is 可重写成 .exp32kTECIgs（2 ）式代入（1）式得 TqEUTqkUqTETUd gfgfgfIf 33常 数此即 UBE(on) 的温度系数表式。室温（T = 300K ）时 Uf 为 0.6V。硅的能隙 Eg 取 1.2eV ，可得 UBE(on) 的温度系数 为CmV/24，试求双极型晶体管的饱和压降。 解： 双极型晶体管工作在线性区时 IC = IB。在饱和区，I CI B。 为了衡量其饱和深浅

9、的程度，通常用饱和度参量 S 来表征： S = IBI C 在饱和区的晶体管 S 1，S 越大，饱和度越深。晶体管饱和时，集电结和发射结都处于正偏，即 UBEU T ， UBCU T此时有 TBCTBETBCTBEUUFCREeIIe半导体器件基础总复习7IC 乘上 R，I E 乘上 F得 TBCTBE TBCTBE UCRUERFCR UFRUEFEF eIeII III RFUEBUEB UCBRUEBRFUCBRUEBCRT TT TTTTeIeIeIeIeI 1FRUCBUCB UCBUEBFUCBFRUEBFCT TTC TTTTeIeIeI 1实际上IEB 就是发射结的反向饱和电流

10、 , 重命名为 IES；ICB 就是集电结的反向饱和电流，重命名为 ICS； TBCTBEUSRFCEFReI1可得 CSRFETBCCREInU1饱和压降为 半导体器件基础总复习8CEFRESCTBECESIInUIE 等于 IB + IC ，代入上式得 CFBFRESCT CBFRESCT CBFRCESCTECS IInUInU1分子和分母同除以 IB，则 BCFRESCT CFBFRESCTBCES IInUI11根据 定义， S = IB / IC 故得 SnUFRESCTCES 1深饱和的极限情况下，S = ，上式化为 考虑到实际上发射结的反向饱和电流 , IES 与集电结的反向饱

11、和电流 ICS 数量相当，故 FTESFCTCES nUInU14，试求 NPN 晶体管发射结的正向导通压降 UBE(on)。解： 根据双极型晶体管的埃伯斯-莫尔（Ebers-Moll）模型有 )1()1(TBCTBE URUeIeI晶体管在截止或刚导通时集电结足够反偏，exp( UBC / UT ) 1，半导体器件基础总复习9故 CBRUonEBIeIT)1(反向电流增益 R 一般都很小，第二项与第一项相比可以忽略不计上式进一步简化为 )1(TBEUonEe则有 )(ESTonBEIU此即 NPN 晶体管发射结的正向导通压降 UBE(on)5，图示为双极型晶体管的横向版图，请在其右侧画出 A

12、A 剖面的纵向结构，并标上必要的文字说明（不必按严格比例绘图） 。 金属-氧化物-半导体晶体管部分场效应晶体管，利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力，实现放大作用。场效应管的工作电流由半导体中的单种多数载流子所输运，因此又称为单极型晶体管(Unipolar Transistor )。按结构及工艺特点场效应晶体管般可分成三类：第一类是表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管 (IGFET)。若半导体衬底与金属栅之间的绝缘层是 Si02 ，即构成 “金属-氧化物- 半导体” (MOS) 场效应晶体管，它是最重要的一种绝缘栅场效应晶体管；第二类是 结型场效应管 (JFET)，一种采用 pn 结势垒电场来控制导电能力的体内场效应晶体管; 半导体器件基础总复习10第三类是薄膜场效应晶体管 (TFT)，它的结构及原理与绝缘栅场效应管相似，差别是所用的材料及工艺不同。TFT 采用真空蒸发工艺先后将半导体、绝缘体和金属蒸发在绝缘衬底之上构成的场效应晶体管。N 沟增强型 MOSFET 的阈值电，不考虑功函数差 UMS 和氧化层中的正电荷 QSS：考虑功函数差 UMS 和氧化层中的正电荷 QSS：P 沟增强型 MOSFET 的阈值电压，不考虑功函数差 UMS 和氧化层中的正电荷 QSS：考虑功函数差 UMS 和氧化层中的正电荷 QSS：