Bipolar Junction Transistors
双极晶体管
Introduction
Three basic transistors:
?Bipolar transistors
?MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field effect transistors)
?JFET(Junction field effect transistors)
Bipolar junction transistors
1)Bipolar: electrons & holes
2)Junction: 2 pn junctions
3)Basic principle: ambipolar transport theory
Differences between BJT and MOSFET:
?工作的核心结构：
BJT: 两个pn结；
MOSFET: 沟道。
?参与工作的载流子：
BJT: 电子和空穴；
MOSFET: 电子或空穴。
BJTs: 2 juctions, 3 terminals.
Essentially，BJTs are voltage controlling current sources.
哪两端的电压控制哪个电流？如何控制？
发射极作为载流子的源，形成电流（流向集电极的粒子流），在电流流经的途中加入基极（控制极），实现对电流的控制。
例如：
电路符号：
Kirchhoff’s
voltage & current laws
Two common circuit configurations ?Common base configuration ?Common emitter configuration Different input signal
Four different biasing modes:
Two applications: Anolog circuits & Digital circuits
Chapter 9
Static characteristics of bipolar junction transistors
目标：
?定性了解双极晶体管的基本工作原理
?定量分析双极晶体管中载流子的分布和电流的成分?影响双极晶体管性能的因素
?非理想效应
?双极晶体管的基本模型
?了解先进双极晶体管
基础：
pn结理论
审稿人建议作者考虑如下问题、并进行适当修改：
1. 诚如原文“τ为零外磁场下自由层内的总磁矩偏离初始平衡状态向准平衡态弛豫的弛豫时间，该弛豫包含了Gilbert弛豫过程、由各向异性能变化引起的恢复扭矩、自旋动力学弛豫过程以及
自旋翻转散射等效应。”请问如何确定计算中τ的大小？有何物
理依据？
2. 文中考察了Co（20nm）/Cu（4nm）/Co（3nm）的结构。请问在计算中是如何考虑电子界面散射对临界电流的影响的？单纯
用自旋流连续条件确定η1和η2其物理依据是什么？
3．请试由所计算的结果给出无外场下，临界电流ICP→AP和ICAP→P不相等的物理原因？即最直观的物理概念的表述是什么？
4. 请给出物理图象，为何外场可以改变临界电流或使电流驱动效应消失？这个电流驱动效应消失的物理本质是什么？
请作者尽其所能，做出合理解释或限制性说明，以保证论文阐
述的严谨性。
?从实际器件到基本模型
?How to achieve control of current ?
Current control means ——establishing correlation between base current (I B)and collector current (I C).
?How about a thick base region?
Two isolated back-to-back pn junctions.
?How to establish this correlation?
The base region must be very thin.
正偏V BE >0
N + N -P E B
P C B L nB 反偏V BC <0 L pC p nE0p nE n pB0
n pB
L pE L nB n pB0 n pB p nC0 p nC
Review of minority carrier distribution in a pn junction diode
的浓度梯度造成的自建场)
。Why?
首页->人才培养->本科生培养 一、简介 微纳电子系本科生一级学科名称为电子科学与技术，二级学科名称为微电子学。共有2003级本科生92人，2004级本科生66人，2005级本科生67人。2007年微纳电子系开设了21门本科生课程，其中专业核心课8门，专业限选课5门，平台课2门，专业任选课4门，新生研讨课2门。 二、课程设置 ?课程编号：30260093 课程名称：固体物理学 课程属性：专业核心课 任课教师：王燕 内容简介：固体物理学是固体材料和固体器件的基础。该课程主要研究晶体的结构及对称性，晶体中缺陷的形成及特征，晶格动力学，能带理论的基础知识以及晶体中的载流子输运现象等。是微纳电子专业的核心课。 ?课程编号：40260103 课程名称：数字集成电路分析与设计 课程属性：专业核心课 任课教师：吴行军 内容简介：本课程从半导体器件的模型开始，然后逐渐向上进行，涉及到反相器，复杂逻辑门（NAND，NOR，XOR），功能模块（加法器，乘法器，移位器，寄存器）和系统模块（数据通路，控制器，存储器）的各个抽象层次。对于这些层次中的每一层，都确定了其最主要的设计参数，建立简化模型并除去了不重要的细节。 ?课程编号：40260173
课程名称：数字集成电路分析与设计（英） 课程属性：专业核心课 任课教师：刘雷波 内容简介：数字集成电路的分析与设计，包括：CMOS反相器、组合和时序逻辑电路分析与设计、算术运算逻辑功能部件、半导体存储器的结构与实现、互连线模型与寄生效应的分析。并介绍常用数字集成电路的设计方法和流程。 ?课程编号：30260072 课程名称：微电子工艺技术 课程属性：专业核心课 任课教师：岳瑞峰 内容简介：本课程授课目的是使学生掌握微电子制造的各单项工艺技术，以及亚微米CMOS集成电路的工艺集成技术。本课程讲授微电子制造工艺各单项工艺的基本原理（包括氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺等），并介绍常用的工艺检测方法和MEMS加工技术、集成电路工艺集成技术和工艺技术的发展趋势等问题。另通过计算机试验，可学习氧化、扩散、离子注入等工艺设备的简单操作和模拟。 ?课程编号：40260033 课程名称：模拟集成电路分析与设计 课程属性：专业核心课 任课教师：王自强 内容简介：本课程介绍模拟集成电路的分析与设计方法，帮助学生学习基础电路理论，实现简单的模拟集成电路。课程分成3个部分：电路理论知识、电路仿真和版图介绍。课程以讲述电路理论为主，通过电路仿真对电路理论加以验证，最后介绍版图、流片方面的内容，使学生对全定制集成电路的设计流程有初步了解。 ?课程编号：40260054
高等半导体物理 课程内容（前置课程：量子力学，固体物理） 第一章能带理论，半导体中的电子态 第二章半导体中的电输运 第三章半导体中的光学性质 第四章超晶格，量子阱 前言：半导体理论和器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论（里程碑） 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管，带来了现代电子技术的革命，同时也促进了半导体物理研究的蓬勃发展。从那以后的几十年间，无论在半导体物理研究方面，还是半导体器件应用方面都有了飞速的发展。 1954半导体有效质量理论的提出，这是半导体理论的一个重大发展，它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构，给出了研究浅能级、激子、磁能级等的理论方法，促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念的提出，使得固体能带的计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交的性质，用一个赝势代替真实的原子势，得到了一个固体中价电子态满足的方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体的比较精确的能带结构。 1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出，Esaki (江歧), Tsu （朱兆祥）
* 超高真空表面能谱分析技术相继出现，开始了对半导体表面、界面物理的研究 1971 第一个超晶格Al x Ga 1-x As/GaAs 制备，标志着半导体材料的发展开始进入人 工设计的新时代。 1980 德国的Von Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高的Al x Ga 1-x As/GaAs异质结中发现了分数量子 Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克效应，以及由激子吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线性效应，为设计新一代光双稳器件提供了重要的依据。 1990 英国的Canham首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光，使人们看到了全硅光电子集成技术的新曙光。 近年来，各国科学家将选择生成超薄层外延技术和精细束加工技术密切结合起来，研制量子线与量子点及其光电器件，预期能发现一些新的物理现象和得到更好的器件性能。在器件长度小于电子平均自由程的所谓介观系统中，电子输运不再遵循通常的欧姆定律，电子运动完全由它的波动性质决定。人们发现电子输运的Aharonov-Bohm振荡，电子波的相干振荡以及量子点的库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象的发现产生新的器件设计思想，促进新一代半导体器件的发展。 半导体材料分类： ?元素半导体， Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 10-12/cm3 ,
微电子器件课程设计报告 题目： NPN型双极晶体管 班级：微电0802班 学号： 080803206 姓名：李子忠 指导老师：刘剑霜 2011 年6月6日
一、目标结构 NPN 型双极晶体管 二、目标参数 最终从IV曲线中提取出包括fT和 Gain在内的设计参数. 三、在该例中将使用: （1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟； （2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解过程: 1. 设置集电极偏压为2V. 2. 用 log语句用来定义Gummel plot数据集文件. 3.用extract语句提取BJT的最大增益"maxgain"以及最大ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流 Ib与基极-发射极电压 Vbe关系图(以半对数坐标的形式). 四、制造工艺设计 4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂，掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um 处）此时形成N++型杂质（发射区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使
用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。 4.2.三次注入硼的目的： 第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和p+ 基极接触的connection.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开 p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。 4.3.遇到的问题 经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT 用来重建网格,从而以实现整个半导体区域内无钝角三角形. 五、原胞版图和工艺仿真结果： 用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构：
半导体物理知识点总结 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征）本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点； 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。
半导体物理考点归纳 一· 1.金刚石 1) 结构特点： a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成 b. 属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。 c. 配位数为4，较低，较稳定。(配位数：最近邻原子数) d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。 2) 代表性半导体：IV 族的C ，Si ，Ge 等元素半导体大多属于这种结构。 2.闪锌矿 1) 结构特点： a. 共价性占优势，立方对称性； b. 晶胞结构类似于金刚石结构，但为双原子复式晶格； c. 属共价键晶体，但有不同的离子性。 2) 代表性半导体：GaAs 等三五族元素化合物均属于此种结构。 3.电子共有化运动： 原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。 4.布洛赫波： 晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 5.布里渊区： 禁带出现在k=n/2a 处，即在布里渊区边界上； 允带出现在以下几个区： 第一布里渊区:－1/2a 《半导体物理学》课程辅导教案 关于教案的几点说明: 教案的基本内容:包括课程的课程重点,课程难点,基本概念,基本要求,参考资料,思考题和自测题,教学进度及学时分配. 教材:采用高等学校工科电子类(电子信息类)规划教材《半导体物理学》,由刘思科,朱秉升,罗晋生等编写.本教材多次获奖,如全国高等学校优秀教材奖,电子类专业优秀教材特等奖,普通高等学校教材全国特等奖. 参考资料(书目) 叶良修(北大)《半导体物理学》 刘文明(吉大)《半导体物理学》 顾祖毅(清华)《半导体物理学》 格罗夫(美)A.S.Grove《半导体器件物理与工艺》 王家骅(南开)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《现代半导体器件物理》 目录 第一章半导体中的电子状态 §1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 §1.2 半导体中的电子状态 §1.3 电子在周期场中的运动——能带论 §1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 §1.5 半导体的导电机构 §1.6 回旋共振 §1.7 硅和锗的能带结构 §1.8 化合物半导体的能带结构 第二章半导体中杂质和缺陷能级 §2.1 硅,锗晶体中的杂质能级 §2.2 化合物半导体中的杂质能级 §2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels) 第三章半导体中热平衡载流子的统计分布 §3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度 §3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 §3.3 本征半导体的载流子浓度 §3.4 杂质半导体的载流子浓度 §3.5 一般情况下地载流子统计分布 §3.6 简并半导体 第四章半导体的导电性 §4.1 载流子的漂移运动,迁移率 §4.2 载流子的散射 §4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 §4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 §4.6 强电场效应,热载流子 §4.7 耿氏效应,多能谷散射 第五章非平衡载流子 §5.1 非平衡载流子的注入 §5.2 非平衡载流子的复合和寿命 §5.3 准费米能级 §5.4 复合理论 §5.5 陷阱效应 §5.6 载流子的扩散运动 §5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 §5.8 连续性方程及其应用 第六章p–n结 §6.1 p–n结及其能带图 §6.2 p–n结电流电压特性 §6.3 p–n结电容 §6.4 p–n结击穿 §6.5(*) p–n结隧道效应 第一章半导体中的电子状态（光14学时微14学时）§1.1 晶体结构预备知识半导体晶体结构 ◆本节内容: 目录 1.课程设计目的与任务 (2) 2.设计的内容 (2) 3.设计的要求与数据 (2) 4.物理参数设计 (3) 4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3) 4.2 集电区厚度Wc的选择 (6) 4.3 基区宽度WB (6) 4.4 扩散结深 (10) 4.5 芯片厚度和质量 (10) 4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10) 5.工艺参数设计 (11) 5.1 工艺部分杂质参数 (11) 5.2 基区相关参数的计算过程 (11) 5.3 发射区相关参数的计算过程 (13) 5.4 氧化时间的计算 (14) 6.设计参数总结 (16) 7.工艺流程图 (17) 8.生产工艺流程 (19) 9.版图 (28) 10.心得体会 (29) 11.参考文献 (30) PNP 双极型晶体管的设计 1、课程设计目的与任务 《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。 目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。 2、设计的内容 设计一个均匀掺杂的pnp 型双极晶体管，使T=300K 时，β=120，V CEO =15V,V CBO =80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I C =5mA 。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。 3、设计的要求与数据 （1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。 （2）根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E , N B , 和N C ,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命 等。 （3）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度W c ， 基本宽度W b ，发射区宽度W e 和扩散结深X jc ,发射结结深X je 等。 （4）根据扩散结深X jc ,发射结结深X je 等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩 散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化 时间。 （5）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、 发射区和金属接触孔的光刻版图。 高等半导体物理 课程内容(前置课程: 量子力学,固体物理) 第一章能带理论,半导体中得电子态 第二章半导体中得电输运 第三章半导体中得光学性质 第四章超晶格,量子阱 前言:半导体理论与器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论(里程碑) 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管,带来了现代电子技术得革命,同时也促进了半导体物理研究得蓬勃发展。从那以后得几十年间,无论在半导体物理研究方面,还就是半导体器件应用方面都有了飞速得发展。 1954半导体有效质量理论得提出,这就是半导体理论得一个重大发展,它定量地描述了半导体导带与价带边附近细致得能带结构,给出了研究浅能级、激子、磁能级等得理论方法,促进了当时得回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念得提出,使得固体能带得计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交得性质,用一个赝势代替真实得原子势,得到了一个固体中价电子态满足得方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体得比较精确得能带结构。1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出,Esaki (江歧), Tsu (朱兆祥) * 超高真空表面能谱分析技术相继出现,开始了对半导体表面、界面物理得研究 1971 第一个超晶格Al x Ga1x As/GaAs 制备,标志着半导体材料得发展开始进入人工设计得新时代。 1980 德国得V on Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高得Al x Ga1x As/GaAs异质结中发现了分数量子Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移得量子限制斯塔克效应,以及由激子吸收系数或折射率变化引起得激子光学非线性效应,为设计新一代光双稳器件提供了重要得依据。 1990 英国得Canham首次在室温下观测到多孔硅得可见光光致发光,使人们瞧到了全硅光电子集成技术得新曙光。近年来,各国科学家将选择生成超薄层外延技术与精细束加工技术密切结合起来,研制量子线与量子点及其光电器件,预期能发现一些新得物理现象与得到更好得器件性能。在器件长度小于电子平均自由程得所谓介观系统中,电子输运不再遵循通常得欧姆定律,电子运动完全由它得波动性质决定。人们发现电子输运得AharonovBohm振荡,电子波得相干振荡以及量子点得库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象得发现产生新得器件设计思想,促进新一代半导体器件得发展。 半导体材料分类: ?元素半导体, Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 1012/cm3 , Dislocation densities <103 /cm3 Size 20 inches (50 cm) in diameter P V 族 S, Te, Se VI 族 ?二元化合物, 1.IIIV族化合物: GaAS系列,闪锌矿结构, 电荷转移 GaAs, 1、47 eV InAs 0、36 eV GaP, 2、23 eV GaSb, 0、68 eV GaN, 3、3 eV BN 4、6 eV AlN 3、8 eV 一、简介 微纳电子系本科生一级学科名称为电子科学与技术,二级学科名称为微电子学。 二、课程设置 课程编号:30260093 课程名称:固体物理学 课程属性:专业核心课开课学期:09秋 任课教师:王燕 内容简介:固体物理学是固体材料和固体器件的基础。该课程主要研究晶体的结构及对称性,晶体中缺陷的形成及特征,晶格动力学,能带理论的基础知识以及晶体中的载流子输运现象等。是微纳电子专业的核心课。 课程编号:40260103 课程名称:数字集成电路分析与设计 课程属性:专业核心课开课学期:09秋 任课教师:吴行军 内容简介:本课程从半导体器件的模型开始, 然后逐渐向上进行, 涉及到反相器, 复杂逻辑门 (NAND , NOR , XOR , 功能模块(加法器,乘法器,移位器,寄存器和系统模块(数据通路,控制器,存储器的各个抽象层次。对于这些层次中的每一层,都确定了其最主要的设计参数,建立简化模型并除去了不重要的细节。 课程编号:40260173 课程名称:数字集成电路分析与设计(英 课程属性:专业核心课开课学期:09秋 任课教师:刘雷波 内容简介:数字集成电路的分析与设计,包括:CMOS 反相器、组合和时序逻辑电路分析与设计、算术运算逻辑功能部件、半导体存储器的结构与实现、互连线模型与寄生效应的分析。并介绍常用数字集成电路的设计方法和流程。 课程编号:30260072 课程名称:微电子工艺技术 课程属性:专业核心课开课学期:09秋 任课教师:岳瑞峰 内容简介:本课程授课目的是使学生掌握微电子制造的各单项工艺技术, 以及亚微米 CMOS 集成电路的工艺集成技术。本课程讲授微电子制造工艺各单项工艺的基本原理(包括氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺等,并介绍常用的工艺检测方法和 MEMS 加工技术、集成电路工艺集成技术和工艺技术的发展趋势等问题。另通过计算机试验,可学习氧化、扩散、离子注入等工艺设备的简单操作和模拟。 课程编号:40260054 课程名称:半导体物理与器件 课程属性:专业核心课开课学期:09春 任课教师:许军 内容介绍:主要讲授半导体材料的基本物理知识,半导体器件的工作原理以及现代半导体器件的新进展。主要内容包括:半导体中的电子态和平衡载流子统计,载流子的输运(非平衡载流子,产生和复合,载流子的漂移、扩散,电流连续性方程, PN 结二极管和双极型晶体管,场效应晶体管,半导体光电器件,纳电子器件基础。 课程编号:40260033 课程名称:模拟集成电路分析与设计 课程属性:专业核心课开课学期:09春 任课教师:王自强 习题参考答案 第一章 1） 求基函数为一般平面波、哈密顿量为自由电子系统的哈密顿量时，矩阵元1?1H 和2?1H 的值。 解：令r k i e V ?= 111，r k i e V ?=212，222??-=m H ，有： m k r d e e mV k r d e V m e V H r k i V r k i r k i V r k i 221)2(11?121202122201111 =?=?-=??-??-??021)2(12?121210222220=?=?-=??-??-??r d e e mV k r d e V m e V H r k i V r k i r k i V r k i 2） 证明)2(πNa l k =，)2(πNa l k ' ='，l '和l 均为整数。 证：由Bloch 定理可得： )()(r e R r n R ik n ψψ?=+ 考虑一维情况，由周期性边界条件，可得： π πψψψ221 )()()(Na l k l Na k e r e r Na r Na ik Na ik =?=??=?==+??? 同理可证)2(πNa l k ' = '。 3） 在近自由电子近似下，由 022122?11?1=--E H H H E H 推导出0)()(002 1=--εεεεk n n k V V 。 解：令r k i e V ?= 111，r k i e V ?=212， V r V V m V V r V m r V m H -++?-=-++?-=+?-=)(2)(2)(2?22 2222 V m V k V V V m V k r d e V e V r d e r V e V V m V k r d e V V r V V m e V H r k i V r k i r k i V r k i r k i V r k i +=-++=-++=-++?-=??-??-??-???2)2(1)(1)2(1])(2[11?121221200212220111111 令V mV k k += 22 1201 ε，即有01 1?1k H ε=。 同理有： 02 2?2k H ε=。 n r k i V r k i r k i V r k i V r d e r V e V r d e V r V m e V H =+=+?-=??-??-?? 2121)(101)](2[12?10 220 其中r d e r V e V V r k i V r k i n ??-? =21)(10 ，是周期场V(x)的第n 个傅立叶系数。 同理，n V H =1?2。 于是有： 0) ()(0021=--εεεεk n n k V V 。 第三讲双极型晶体管 1.3 双极型晶体管 半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管 二是场效应半导体三极管 双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN 结组合而成，是一种CCCS器件。 场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。 1.3.1晶体管的结构及类型 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。 E-B间的PN结称为发射结（Je）， C-B间的PN结称为集电结（Jc）。 两种极性的双极型三极管 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。 1.3.2 晶体管的电流放大作用 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。 双极型三极管的电流传输关系（动画2-1） 发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为I EN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为I EP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流I CN。在基区被复合的电子形成的电流是I BN。 另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流I CBO。于是可得如下电流关系式： I E= I EN＋I EP 且有I EN>>I EP I EN=I CN+ I BN 且有I EN>> I BN，I CN>>I BN I C=I CN+ I CBO I B=I EP+ I BN－I CBO I E=I EP+I EN=I EP+I CN+I BN=(I CN+I CBO)+(I BN+I EP－I CBO)=I C+I B 以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。 双极型半导体三极管的电流关系 (1) 三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图02.03。 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。 半导体物理习题及答案 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN# 复习思考题与自测题 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。 答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。 当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。 2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。 答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量 3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么 答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么 双极型晶体管 晶体管的极限参数 双极型晶体管（Bipolar Transistor） 由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。 晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管. 晶体管分类：NPN型管和PNP型管 输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。 输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。可表示为： 双击型晶体管输出特性可分为三个区 ★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。 ★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。 ★放大区：发射结正偏，集电结反偏。 放大区的特点是： ◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。 ◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。 ◆伏安特性最低的那条线为IB=0，表示基极开路，IC很小，此时的IC就是穿透电流ICEO。 ◆在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=βIB ◆在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。 极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。 试卷结构： 一、选择题（每小题2分，共30分） 二、填空题（每空2分，共20分） 三、简答题（每小题10分，共20分） 四、证明题(10分)（第六章） 五、计算题（20分）（第五章） §1.1锗和硅的晶体结构特征金刚石结构的基本特征（重点） §1.2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。 绝缘体、半导体和导体的能带特征： 几种常用半导体的禁带宽度：硅1.12eV ，锗0.67eV ，砷化镓1.43eV 本征激发的概念：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。 §1.3 半导体中电子的运动 有效质量 导带底和价带顶附近的E(k)~k 关系：()()2 *2n k E k E m 2h -0=； 半导体中电子的平均速度：dE v hdk = ； 有效质量的公式：2 22*11dk E d h m n =。 窄带、宽带与有效质量大小关系：窄大宽小 §1.4本征半导体的导电机构 空穴 空穴的特征：带正电；p n m m ** =-；n p E E =-；p n k k =- §1.6 硅和锗的能带结构 硅和锗的能带结构特征：（1）导带结构：导带底的吸收峰位置、个数；（2） 价带结构：价带顶的位置，重空穴带、轻空穴带以及自旋-轨道耦合分裂出来的能带。 硅和锗是间接带隙半导体 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 施主杂质：V 族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n 型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。 受主杂质：因III 族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p 型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。 杂质的电离能：施主杂质电离能2 00r n D E m m E ε* =?，受主杂质电离能20 0r p A E m m E ε*=? 杂质的补偿作用（重点）： 清华考研辅导班-2020清华大学832半导体器件与电子电路考研真题 经验参考书 清华大学832半导体器件与电子电路考试科目，2020年初试考试时间为12月22日下午14:00-17:00进行笔试，清华大学自主命题，考试时间3小时。 一、适用院系及专业 清华大学026微电子与纳电子学系085400电子信息专业学位 二、考研参考书目 清华大学832半导体器件与电子电路2019年没有官方指定的考研参考书目，盛世清北根据专业老师指导及历年考生学员用书，推荐使用如下参考书目： 《电子线路基础》高教出版社，1997 高文焕，刘润生 《数字电子技术基础》高等教育出版社，第4版阎石 《半导体物理与器件》（第三版）电子工业出版社，ISBN: 7-121-00863-7 (美) Donald A. Neamen著; 赵毅强, 姚素英, 谢晓东等译 盛世清北建议： 参考书的阅读方法 目录法：先通读各本参考书的目录，对于知识体系有着初步了解，了解书的内在逻辑结构，然后再去深入研读书的内容。 体系法：为自己所学的知识建立起框架，否则知识内容浩繁，容易遗忘，最好能够闭上眼睛的时候，眼前出现完整的知识体系。 问题法：将自己所学的知识总结成问题写出来，每章的主标题和副标题都是很好的出题素材。尽可能把所有的知识要点都能够整理成问题。 三、考研历年真题 2018年清华大学832半导体器件与电子电路考研真题（回忆版） 今年的题整体来看与往年风格略不同 半器四道题 证明费米能级 给半导体掺杂浓度算内建电场，画载流子分布 画n+n结的能带图计算接触电势 老生常谈的mos管电流计算 数电4道题 给真值表化简并画电路图 3-8译码＋数据选择器的真值表 求一个组合逻辑的表达式并画状态转换图 最要吐槽的就是这个！流水线给延时求周期 模电也与往年风格略不同 3道题 分别是电流镜、集成运放以及波特图。 2010年清华大学832半导体器件与电子电路考研真题（回忆版） 选择天空全是半导体与电子器件的概念 大题： 1、算二极管参数 2、算MOS阈值电压 3、MOS放大2级算静态工作电流电压增益米勒电容去零点电阻 4、负反馈 5、集成预防搭电路 6、二进制数反补原+ 运算 7、卡诺图 8、2个电阻2个非门组合问工作原理电压传输曲线正负阈值电压 9、D触发器时序图 10、画COMS 异或门 盛世清北建议： 认真分析历年试题，做好总结，对于考生明确复习方向，确定复习范围和重点，做好应试准备都具有十分重要的作用。分析试题主要应当了解以下几个方面：命题的风格（如难易程度，是注重基础知识、应用能力还是发挥能力，是否存在偏、难、怪现象等）、题型、题量、考试范围、分值分布、考试重点、考查的侧重点等。考生可以根据这些特点，有针对性地复习和准备，并进行一些有针对性的练习，这样既可以检查自己的复习效果，发现自己的不足之处，以待改进；又可以巩固所学的知识，使之条理化、系统化。 四、全年复习规划 1 第二章半导体中的电子状态 要求：掌握能带、有效质量和空穴的概念、 常见半导体的能带结构、杂质能级。 纲要 ?半导体中的电子状态和能带的概念?半导体中电子在外力下的运动，有效质量?材料导电性的差别（半导体如何导电）?空穴的概念 ?常见半导体的能带结构（结论性知识）?杂质和缺陷能级 2 其中 布洛赫波为一个被周期函数u k (r )所调制的平面波。电子的空间分布几率|Ψ*Ψ|=|u *u |是晶格的周期函数。 u k (r )反映电子在原胞内的运动。e ik·r 反映电子在整个晶体中的共有化运动（如何理解？）。 §2.1 半导体中的电子状态和能带（复习） 布洛赫波 采用单电子近似，在晶体的周期场中，电子的波函数为布洛赫波函数： （a n 为任意晶格矢） r k i k k e r u r v v v v v v ?=)()(ψ)()(n k k a r u r u v v v v v += 3 半导体能带的两种处理方法（半导体中的电子介于自由和强束缚之间） 1、近自由电子近似：从自由出发，加束缚条件 2、紧束缚近似：从束缚出发，减弱束缚 ?电子在原胞中不同位置上出现的几率不同(归一化)。 ?电子在不同原胞的对应位置出现的几率相同（几率能否叠加？），真正反映电子的共有化运动。?如何理解电子的宏观运动？ 电子的波函数几率和统计力学得到电子空间分布的变化，电子空间分布变化表现为宏观的电子运动。 4 例：Si(金刚石结构）能带的形成(SP 3杂化和电子占据能态情况) 1、能级数目； 2、能级间隔； 3、电子不再是局域的。 5 轨道杂化和电子占据情况：价带完全填满；导带没有电子。 半导体物理学基本概念 有效质量-----载流子在晶体中的表观质量，它体现了周期场对电子运动的影响。其物理意义：1）有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2）有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。 空穴-----是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中的少量空态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，描述了近满带中大量电子的运动行为。 回旋共振----半导体中的电子在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。 施主-----在半导体中起施予电子作用的杂质。 受主-----在半导体中起接受电子作用的杂质。 杂质电离能-----使中性施主杂质束缚的电子电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。 n-型半导体------以电子为主要载流子的半导体。 p-型半导体------以空穴为主要载流子的半导体。 浅能级杂质------杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电性质有较大的影响。 深能级杂质-------杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂质对半导体导电性质影响较小，但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。 杂质补偿-----在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。 直接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k空间同一位置时称为直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。间接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k空间不同位置时称为间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率较小。 平衡状态与非平衡状态-----半导体处于热平衡态时，载流子遵从平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。 电中性条件-----半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单位体积内正电荷数与负电荷数相等。 非简并半导体----半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体。 简并半导体-----半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导带或价带中，此时载流子分布必须用费米分布描述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：1）杂质不能充分电离；2）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带或价带相连，则禁带宽度将减小。 本征半导体-----本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度增加呈指数规律增加。 杂质半导体----在半导体中人为地，有控制地掺入少量的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导体中载流浓度不变。 多数载流子与少数载流子------多数载流子是在半导体输运过程中起主要作用的载流子，如n-型半导体中的电子。而少数载流子在是在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如n-型半导体中的空穴。 费米分布------费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，其物理意义是在温度T时，电子占据能量为E的状态的几率，或能量为E的状态上的平均电子数。 费米能级-----费米能级是T=0 K时电子系统中电子占据态和未占据态的分界线，是T=0 K时系统中电子所能具有的最高能量。 漂移速度----载流子在外场作用下定向运动的平均速度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。 迁移率----描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。 电导率-----描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观机制看，电导率与载流子的散射过程有关。 电阻率-----电导率的倒数。本征半导体电阻率随温度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。 金属电阻率-----随温度上升而上升。（晶格振动散射） 散射几率-----载流子在单位时间内被散射的次数。 平均自由时间-----载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。《半导体物理学》课程辅导教案
PNP双极型晶体管的设计
高等半导体物理讲义
清华大学微电子本科生培养课程设置.
高等半导体物理参考答案
《双极型晶体管》word版
半导体物理习题及答案
双极型晶体管介绍
半导体物理究极版.doc
清华考研辅导班-2020清华大学832半导体器件与电子电路考研真题经验参考书
第2章-清华大学半导体物理与器件
半导体物理学基本概念
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