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天津大学：微电子器件基础 教学课件第一章 PN 结

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微电子器件基础PPT全套课件

微电子器件基础PPT全套课件

电子管的发明
1883年，美国发明家爱迪生 （T· A· Edison，1847—1931）发现了 热的灯丝发射电荷的现象，并被称之为 “爱迪生效应”。 1897年，英国物理学家汤姆逊 （J· J· Thomson1856～1940 ）解释了 这种现象，并把带电的粒子称为“电 子”。 1904英国伦敦大学电工学教授弗莱明 （S· J· A· Fleming1849～1945）研制出检测 电波用的第一只真空二极管，从而宣告 人类第一个电子二极管的诞生。
SW uP
MPEG ROM
PCB
ROM ATM ASIC
SW
FPGA
SW
SW
SRAM ROM
uP Core
MPEG ROM
FPGA A/D Block
ATM Glue Logic
SOC
SoC Example
R O M
D R A M
CPU
DSP
FPGA
SRAM
Flash
Switch
Fabric
Al V Rc Rb in out n SiO2 E n+ p n n+ B
300 Cu Strained Si high-K metal
300 ? Strained Si high-K metal
SiO2 poly Si
SiO2 poly Si
SiO2 poly Si
The limit for oxide -0.8 nm Dielectrics with high k= HfO2, ZrO2… Polysilicon metal
2009 0.045 64G 520 620 2500 8-9 0.6-0.9 300

微电子器件授课教案

微电子器件授课教案

微电子器件授课教案第一章：微电子器件概述1.1 微电子器件的定义与分类1.2 微电子器件的发展历程1.3 微电子器件的应用领域1.4 学习目标与内容安排第二章：半导体物理基础2.1 半导体材料的性质2.2 半导体器件的基本物理过程2.3 PN结的形成与特性2.4 学习目标与内容安排第三章：二极管3.1 二极管的结构与工作原理3.2 二极管的伏安特性3.3 二极管的主要参数3.4 二极管的应用实例3.5 学习目标与内容安排第四章：晶体三极管4.1 晶体三极管的结构与分类4.2 晶体三极管的工作原理4.3 晶体三极管的伏安特性4.4 晶体三极管的主要参数4.5 晶体三极管的应用实例4.6 学习目标与内容安排第五章：场效应晶体管5.1 场效应晶体管的结构与分类5.2 场效应晶体管的工作原理5.3 场效应晶体管的伏安特性5.4 场效应晶体管的主要参数5.5 场效应晶体管的应用实例5.6 学习目标与内容安排第六章：集成电路概述6.1 集成电路的定义与分类6.2 集成电路的制造过程6.3 集成电路的封装与测试6.4 学习目标与内容安排第七章：数字集成电路7.1 数字集成电路的基本组成7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 数字集成电路的常用器件7.4 数字集成电路的设计与仿真7.5 学习目标与内容安排第八章：模拟集成电路8.1 模拟集成电路的基本组成8.2 放大器电路8.3 滤波器电路8.4 模拟集成电路的设计与仿真8.5 学习目标与内容安排第九章：电源集成电路9.1 电源集成电路的分类与原理9.2 开关电源集成电路9.3 线性电源集成电路9.4 电源集成电路的应用实例9.5 学习目标与内容安排第十章：微电子器件的应用与前景10.1 微电子器件在电子设备中的应用10.2 微电子器件在现代科技领域的应用10.3 微电子器件的发展趋势与挑战10.4 学习目标与内容安排第十一章：传感器与微电子器件11.1 传感器的定义与作用11.2 常见传感器的原理与特性11.3 传感器与微电子器件的集成11.4 学习目标与内容安排第十二章：微波器件与射频集成电路12.1 微波器件的基本原理12.2 微波二极管与晶体三极管12.3 射频集成电路的设计与应用12.4 学习目标与内容安排第十三章：光电子器件13.1 光电子器件的原理与结构13.2 激光器与光检测器13.3 光电子器件的应用领域13.4 学习目标与内容安排第十四章：功率集成电路14.1 功率集成电路的基本原理14.2 功率MOSFET与IGBT14.3 功率集成电路的设计与仿真14.4 学习目标与内容安排第十五章：微电子器件的未来与发展15.1 微电子器件技术的创新点15.2 纳米电子器件的发展15.3 微电子器件在新型领域的应用15.4 学习目标与内容安排重点和难点解析重点：1. 微电子器件的定义、分类和应用领域。

微电子器件基础第一章补充共17页PPT资料

微电子器件基础第一章补充共17页PPT资料
电子电流密度 Jn 和空穴电流密度 Jp 都是由漂移电流密度和 扩散电流密度两部分所构成，即
Jn

qnnE

qDn
dn dx
Jp

qp
pE

qDp
dp dx
（1-10） （1-11）
1.1.3 连续性方程
n t

1 q
Jn x
Un
p t


1 q
Jp x
Up
（1-12） （1-13）
1.2 基本方程的简化与应用举例
例 1.1 对于方程 ( 1-9 )
ddE xqspnNDNA
在耗尽区中，可假设 p = n = 0 ，又若在 N 型耗尽区中，则还可 忽略 NA ，得
dE dx

q
s
ND
（1-14）
若在 P 型耗尽区中，则得
dE dx

q
s
NA
例 1.2 对于方程（1-10），
式中的 Un 和 Up 分别代表电子和空穴的 净复合率。当 U > 0 时表示净复合，当 U < 0 时表示净产生。
所谓连续性是指载流子浓度在时空上的连续性，即：造成 某体积内载流子增加的原因，一定是载流子对该体积有净流入 和载流子在该体积内有净产生。
1.1.4 方程的积分形式
以上各方程均为微分形式。其中泊松方程和连续性方程可 根据场论中的积分变换公式而变为积分形式。
Jn
qnnEqDn
dn dx
当载流子浓度和电场很小而载流子浓度的梯度很大时，则
漂移电流密度远小于扩散电流密度，可以忽略漂移电流密度，
方程（1-10）简化为
Jn

qDn

《微电子PN结》课件

《微电子PN结》课件
随着技术的不断发展，研究人员正在探索新的材料和结 构，以改进PN结的性能和功能。
PN结在微电子技术中的应用前景
微电子领域中有许多潜在的应用领域可以利用PN结的 性质。让我们一起展望PN结在未来的应用前景。
结论
通过本课件，我们详细了解了微电子PN结的概念、物理特性、应用以及制备与性能测试方法。希望这段旅程能为你 带来更多关于微电子世界的启发。
PN结的形成与材料的电阻率和掺杂浓度有关。该结还会导致结内电场的分布 出现特定模式。让我们一起探索PN结的物理特性。
PN结的应用
PN结的整流作用
PN结具有将电流限制在一个方 向的整流特性。我们将深入探 讨PN结整流的原理和不同类型 的整流电路。
PN结的光电转换作用
光电二极管是利用PN结在光照 下产生电流的器件。我们将探 索光电二极管的工作原理、应 用和光电转换效率。
PN结的放大作用
PN结在BJT晶体管中的应用使其 成为放大电路的基本元件。我 们将深入了解BJT晶体管的工作 原理以及放大电路的基本概念。
PN结的制备与性能测试
PN结的制备过程需要精确控制多个参数。在本节中，我们将讨论PN结的制备工艺流程，并介绍常用的性能测试方法 和结果分析。
PN结的发展趋势研究PFra bibliotek结材料及结构的发展趋势
微电子PN结
欢迎来到《微电子PN结》的PPT课件。本课件将详细介绍微电子PN结的概念、 物理特性、应用以及制备与性能测试方法。让我们一起来探索微电子世界的 奇妙之处吧！
引言
微电子技术的发展与应用已经深刻改变了我们的生活。在本节中，我们将介绍PN结的概念及其在微电子领域中的重 要作用。
PN结的物理特性

微电子器件(第1章)

微电子器件(第1章)

1.6 半导体器件基本方程
半导体器件内的载流子在外电场作用下的运动规律可以用 一套 基本方程 来加以描述，这套基本方程是分析一切半导体 器件的基本数学工具。
半导体器件基本方程是由 麦克斯韦方程组 结合 半导体的 固体物理特性 推导出来的。这些方程都是三维的。
先来复习场论中的有关内容
i j k x y z
（c）单晶
一个典型单元或原子团在三维的每一个方向上按某种 间隔规则重复排列就形成了单晶。晶体中这种原子的周期 性排列称为晶格。
（a）简立方
（b）体心立方
（c）面心立方
元素半导体硅和锗具有金刚石晶体结构，参数a代表的是 晶格常数。
金刚石晶体结构最基本的结构单元是四面体，该四面体 中的每个原子都有四个与它最近邻的原子。
用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法， 称为非平衡载流子的光注入。光注入时
n p
当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，经过毫秒 到微秒数量级的时间，原来激发到导带的电子又回到价带， 载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态。这 一过程称为非平衡载流子的复合。
非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的 寿命，用τ表示。
晶体中电子所遵守的薛定谔方程为

2
2m0
d2 (x)
dx2
V (x) (x)

E (x)
• 晶体中电子处在不同的k状态，具有不同的能量E(k)， 求解上式可得出E(k)和k的关系曲线
硅、锗都属于金刚石型结构，它 们的固体物理原胞和面心立方晶体的 相同，其第一布里渊区如右图
在第一布里渊区求解薛定谔方程， 可得出半导体硅和锗的能带图
1.5载流子的输运现象
在外场‫׀‬E‫׀‬的作用下，半导体中载流子做定向运动，这 种运动称为漂移运动，其定向运动速度v称为漂移速度。

模电课件02第一章PN节

模电课件02第一章PN节
新的工作机制
未来可能会发现新的PN节工作机制， 从而彻底改变目前PN节的工作方式， 提高其性能。
05 结论
本章总结
PN节是半导体物理中的一个基 本概念，它描述了半导体中电子
和空穴的分布情况。
PN节是半导体器件的基本组成部 分，如二极管、晶体管等。
本章介绍了PN节的定义、特性以 及在半导体器件中的应用，有助
PN节的作用
PN节是半导体器件 中的重要组成部分， 如二极管、晶体管等。
在晶体管中，PN结 起到放大信号的作用， 能够放大微弱的电信 号。
在二极管中，PN结 起到整流的作用，能 够控制电流的方向和 大小。
PN节的特性
PN结具有单向导电性，即电流 只能从P型半导体流向N型半导
体，反之则不能。
PN结具有电容效应，即PN结能 够存储电荷，产生电场和电位差。
模电课件02第一章pn节
目录
• PN节的概述 • PN节的原理 • PN节的应用 • PN节的挑战与展望 • 结论
01 PN节的概述
PN节的定义
PN节是半导体器件中的基本结构，由P型和N型半导体材料结合而成，通常在同 一块半导体材料上形成PN结。
PN节的形成是由于半导体材料中空穴和电子的浓度差异，当P型和N型半导体接 触时，由于浓度差，空穴和电子会向对方扩散，形成空间电荷区，进而形成PN 结。
PN结具有击穿特性，当PN结的 反向电压超过一定值时，会发生 雪崩击穿现象，电流急剧增加。
02 PN节的原理
半导体材料的特性
半导体材料具有导电性，介于导体和 绝缘体之间。
半导体材料的电阻率可以通过掺杂等 手段进行调节。
半导体材料中存在自由电子和空穴， 它们在一定条件下可以移动，形成电 流。

模电课件02第一章PN节


U
Hale Waihona Puke UTlnpp
UT
ln nn
UT
ln
2
ppnn
势垒（电子势能）
UT =kT /q（热力学电压）常温下qU（φT空＝间30电0K荷）区UT =26mV
N区电子要到达P区或P区 空穴要到达N区必须克服势 垒qUφ
即势垒阻碍了扩散运动
P
qUφ
N
故PN结(空间电荷区)也称为 势垒区或阻挡层
PN结(空间电荷区)内由于有大量的不能移动的离子，是 载流子不能停留的区域
1.2 PN结（PN junction）
在一块N型半导体（或P型），用杂质补偿的方法掺入 一定数量的三价元素（或五价元素）将这一部分区域 转换成P型（或N型），则在它们的界面处便生成PN结。
PN结是晶体二极管及其它半导体的基本结构，在集成 电路及其元、器件中极其重要。
（1）PN结的形成
多子扩散
多P越型子过半扩界导散面体，中与空N空穴区间（电电多子荷子复区）合向，N区内扩建散电，场这些载少流子子漂一移旦
4(4正． ．比导导；)电体体(流中 中漂与的 的移电(( 扩场)散强电度流)电成与流正电)与电比场载流。强流与度子载成浓流正度子比梯浓。度度成梯正度比成； 5．当((P ))区区外外接接高高电电位而(N ))区区外外接接低低电电位时， PN结正偏。
66电，，荷PP区NN结结)。又又称称为为((势垒)、区( )、)(、阻(挡层))和、((耗尽层)。)和(空间
（1）空间电荷区的宽度决定于杂质浓度。N
杂质浓度越高，空间电荷区越薄P (2)空间电荷区是非中性区。
E电场强度
PN节有内建电位差 （接触电位差或内建电位差）P
内建电场E N

天津大学：微电子器件基础 教学课件第二章 PN 结二极管



PN结小信号工作特点：
信号电流与信号电压之间满足线性变化关系
2.2 频率特性和开关特性 小信号等效电路
2.3 PN结的电击穿
I
2.3.1 PN结击穿的含义
PN结反向电压超 过某一数值时，反向 电流急剧增加的现象 称为“PN结击穿”， 这时的电压称为击穿 电压（VR）
VR V
2.3 PN结的电击穿 2.3.2 产生击穿的机构
qVF / kT
1)
（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的 影响。 （4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入 qVF 2 KT I 与 e 成正比。 自建电场。 F （5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流 JG的影响。 （6）当T升高时，JF增大，JR增大。
微电子器件基础
第2章 PN 结二极管
第2章
PN 结二极管

2.1 直流特性 2.2 频率特性和开关特性 2.3 PN结的电击穿
2.1 直流特性 2.1.1 非平衡PN结

处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结。

当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向 PN结。反之，则称反向PN结。
2.1 直流特性
二.坐标 以xn、xp为坐标原点分 别建立坐标系。 步骤： 求解“非少子”的扩散 方程 →求“非少子”浓度的 边界值 →求“非少子”浓度梯 度 →分别求电子、空穴的 扩散电流密度 →求PN结电流
2.1 直流特性
2.1 直流特性
PN结N区边界处少子扩散电流密度： Dp qV 由：j p q p 0 j p q pn 0 exp L kT p PN结P区边界处少子扩散电流密度： Dp 1 Lp

微电子器件原理与设计1


对于p区，空穴离开后留下了不可动的电离受主 杂质，在pn结附近p区一侧出现了一个负电荷区。 内建电场 同理，在pn结附 近n区一侧，也出 现了一个由电离施 － － － － － － + + + + + 主杂质构成的正电 － － － － － － + + + + + 荷区。通常把在pn －－－－ － － + + + + + 结附近的这些电离 施主和电离受主所 － － － － － － + + + + + 带的电荷，称为空 空间电荷区 间电荷。 空间电荷所存在的区域，称为空间电荷区。由于 在该区域没有载流子，因此，空间电荷区又称为载 流子耗尽层。
NA-ND
ND N A j (x x j )
xj
x
式中αj 是 xj 处切线的斜率，称为杂质浓度梯度，由 扩散杂质的实际分布确定。
若采用高浓度扩散源且扩散时间较短，则进入半 导体的杂质大多在其表面附近，如图所示。 这种由扩散形成的高表 面浓度浅pn结，由于结处 的杂质浓度梯度很大，受 主杂质浓度远高于施主杂 质浓度，因此可以采用突 变结近似。
0 n ( EFn Ei )/ kBT
即得
n p n e
0 n 0 p
0 n 0 p
2 ( EFn EFp )/ kBT i
在室温附近，本征激发不明显，但杂质基本上已 全部电离，近似有
n N d p N a
从平衡pn结的能带图可知，势垒高度正好补偿了 n 区和p 区费米能级之差，因此有
合金结的杂质分布如图所示。 由图可知合金结的杂质分 布具有以下特点: n 型区中施主杂质浓度为 ND，并且均匀分布; p型区中 的受主杂质浓度为NA，也均 匀分布。

微电子 04-PN结1


kT NAND Vbi =ψn ψ p = ln( ) 2 q ni
空间电荷(space charge) ： 空间电荷
热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结
由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 ( 间电荷区) 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
0 < x ≤ xn
半导体的总电荷中性要求p侧每单位面积总负空间电荷必须 精确地和n侧每单位面积总正空间电荷相同：
N A x p = N D xn
总耗尽层宽度W即为
W = x p + xn
由
d ψ qN A = 2 dx εs
2
xp ≤ x < 0 和
耗尽区 ψ d
2
dx
2
=
qN D
εs
0 < x ≤ xn
x
E 0
εm Vbi （d）
W
x
ψ
Vbi
0
W
x
（a）在热平衡时，单边突变结 N A >> N D） （b）空间电荷分布 （ （c）电场分布 （d)随距离改变的电势分布，其中 Vbi 为内建电势
电场分布的表示式仍为：
耗尽区
V=0
（a） ND （b） NA （c） p＋ ND NA
E ( x) = E m +
p-n结
本节内容 热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流电流-电压特性 电荷储存与暂态响应 结击穿 异质结
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KT 1 dp E ( x) q p dx
由此可求VD
1.1 平衡PN结
1.1.1 内建电场和内建电势
kT N A N D VD ln q ni2
热电压
式中 NA：P区掺杂浓度； ND：N区掺杂浓度 ni ：本征载流子浓度
kT Vt 0.026 V q
T 300K
对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V
PN结
P
N
1.1 平衡PN结
1.1.1 内建电场和内建电势 1、突变结
P区 N区

单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND xj x
1.1 平衡PN结
空间电荷区
1.1.1 内建电场和内建电势
电位
电子势能
P
xp VD
内建电场
N
xn
qVD
2、平衡PN结能带图
qVD
EC EF Ei EV
对于硅PN结，通常可取 VD=0.6—0.7V
1.1 平衡PN结 1.1.2 耗尽近似 耗尽近似假定空间电荷区内载流子全部耗尽，离 化杂质中心提供空间电荷，空间电荷的分布在边 界上突变过渡。 在耗尽近似下，边界区被忽略，空间电荷区内载 流子全部耗尽，因而提到PN结时，空间电荷区 以及耗尽区两术语可交替使用。
1.3 过渡区电容和扩散电容 二、突变结势垒电容计算
q 0 N A N D CT A 2(VD V )( N A N D )
三、线性缓变结势垒电容计算
q( 0 ) a 1 / 3 CT A[ ] 12(VD V )
2
1.3 过渡区电容和扩散电容 四、势垒电容的讨论
（1）PN结势垒电容和平板电容的不同，是非线性电容 （2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应
（3）PN结势垒电容与外加电压有关
正偏电压越高，电容越大。
反偏电压越高，电容越小。 （4）PN结势垒电容与外加电压的关系与PN结的杂质分布有关
（5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与实际值接 近，而正偏下计算的CT则误差较大
1.3 过渡区电容和扩散电容 1.3.2 PN结扩散电容
一、定义 正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变 化所产生的电容效应称为“扩散电容” 。 当PN结外加正向偏压V，在其势垒区二边的 扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。 当V升高，注入的“少子”电荷增多。相当于电 容“充电”；当V降低，注入的“少子”电荷减 少，相当于电容“放电”。
微电子器件基础
第1章 PN 结
第1章
PN 结

1.1 平衡PN结 1.2 空间电荷区的电场和电势分布
1.3 过渡区电容和扩散电容
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 平衡PN结 PN 结含义： 在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工 艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶 相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型， 在二者交界面的过渡区即称为PN结。
1.3 过渡区电容和扩散电容
1.3 过渡区电容和扩散电容
二、扩散电容计算
设扩散区内，非平衡载流子的分布近似为线性分布。则LP内的总电荷为 ：
qV QP qA pN pN 0 dx qLp pN 0 exp kT xn 2 Aq Lp pN 0 qV / kT dQP CDP e dV kT
1.1 平衡PN结
N
P
1.1.3 准中性近似
杂 质 浓 度 ND -NA
缓变结
xj
x
1.1 平衡PN结 1.1.3 准中性近似
N P
缓变结近似 缓变PN结附近杂质浓度 的两种近似处理方法 A．线性缓变结近似 B．突变结近似
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
x
1.1 平衡PN结 1.1.3 准中性近似
当-xp x 0时
eNa 2 (x) (x x p ) 2s
当0 x xn时
eNd x 2 eNa 2 (x) (x n x ) xp s 2 2s
1.3 过渡区电容和扩散电容
PN结电容
过渡区电容 （势垒电容）
扩散电容
1.3 过渡区电容CT和扩散电容CD 1.3.1 过渡区电容 一、过渡区电容的来源 当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地 流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电， 这就是PN结过渡区电容，亦称势垒电容。
能量
1.1 平衡PN结
1.1.1 内建电场和内建电 势
电位
空间电荷区
P
xp
内建电场
N
xn
2、平衡PN结能带图
VD
电子势能
qVD

VD : 接触电势差 空间电荷区又称 势垒区 耗尽层
qVD
EC EF Ei EV
能量
1.1 平衡PN结
1.1.1 内建电场和内建电势 3、内建电势差
dp J p qD p q p pE 0 dx
杂 质 浓 度
缓变结近似 A．线性缓变结近似 适用于表面杂质浓度 较低、结深较深的缓 变结
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
ND N A a j x x j
dN ( x) a j dx
x x j
αj
xj x
c
1.1 平衡PN结 PN结的类型
杂 质 浓 度
缓变结近似
ND -NA
B．突变结近似 适用于表面杂质浓度 较高、结深较浅的缓 变结
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
1.1 平衡PN结 1.1.3 准中性近似
缓变杂质分布区的内建电场
1.2 空间电荷区的电场和电势分布 空间电荷区

几个基本概念：
空间电荷 空间电荷区 内建电场 内建电势差VD

1.2 空间电荷区的电场和电势分布
同理，在Ln内 ：

1
CDN
dQN Aq 2 Ln nP 0 qV / kT e dV kT
2
CD CDn CDp Aq (
nP 0 Ln pN 0 Lp kT
)e
qV / kT
习题
1.硅突变结的掺杂浓度为Na=2 1016cm-3，Nd=2
1015cm-3，温度为T=300K。计算（a）Vbi，（b）
均匀掺杂pn结空间电荷区的电场
1.2 空间电荷区的电场和电势分布 突变结 当-xp x 0时
eNa E (x x p ) s
eNd E (x n x) s
当0 x xn时
1.2 空间电荷区的电场和电势分布 均匀掺杂pn结空间电荷区的电势
1.2 空间电荷区的电场和电势分布