1、1半导体器件物理半导体器件物理Physics of Semiconductor DevicesS.M.SZE（周一：（周一：5、6；周三：；周三：1、2）2三部分内容三部分内容负阻器件；负阻器件；功率器件；功率器件；光电子器件光电子器件 CH8 隧道器件隧道器件CH9 碰撞电离雪崩渡越时间二极管碰撞电离雪崩渡越时间二极管CH10 转移电子器件和转移电子器件和(实空间转移器件实空间转移器件)CH11 晶闸管和功率器件晶闸管和功率器件CH12 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器CH13 光电探测器和太阳电池光电探测器和太阳电池 3负阻器件负阻器件隧穿机制隧穿机制(隧穿条件隧穿条件)1
2、、隧道二极管、隧道二极管2、反向二极管、反向二极管3、MIS开关二极管开关二极管4、共振隧穿二极管、共振隧穿二极管渡越时间机制渡越时间机制(注入角与延迟角注入角与延迟角)1、IMPATT二极管二极管2、BARITT二极管二极管电子空间转移机制电子空间转移机制(非平衡电荷非平衡电荷)1、转移电子器件（、转移电子器件（TED）2、实空间转移器件（、实空间转移器件（RST）2341负阻产生机制负阻产生机制1、隧穿机制隧穿机制2、渡越时间机制渡越时间机制3、电子空间转移机制电子空间转移机制几率与因素几率与因素隧穿条件隧穿条件条件条件条件条件1、基本结构及条件、基本结构及条件2、基本特性及条件、基本特性
3、及条件3、工作机制与机理、工作机制与机理4功率器件功率器件晶闸管晶闸管1、二端晶闸管、二端晶闸管2、三端晶闸管、三端晶闸管3、门极可关断、门极可关断晶闸管晶闸管(GTO)4、双向常规晶闸管、双向常规晶闸管5、双向、双向门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管6、光控晶闸管、光控晶闸管其它功率器件其它功率器件1、VDMOSFET2、IGBT121、基本结构及条件、基本结构及条件2、基本特性及条件、基本特性及条件3、工作机制与机理、工作机制与机理等效电路等效电路正正/ /负反馈负反馈5光电子器件光电子器件电子电子-光子相互作用机制光子相互作用机制1、受激吸收、受激吸收2、受激辐射、受激辐射3、自发、自发辐
4、射辐射发光器件发光器件1、发光二极管、发光二极管2、pn结激光器结激光器光电转换器件光电转换器件1、太阳电池、太阳电池1、pn结光电二极管结光电二极管2、pin光电二极管光电二极管 具有放大能力光电转换器件具有放大能力光电转换器件1、光电导、光电导2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）3、光电晶体管（、光电晶体管（BJT，FET） 图像传感器图像传感器1、电荷耦合器件（、电荷耦合器件（CCD）2、CMOS图像传感器图像传感器1231、基本结构及条件、基本结构及条件2、基本特性及条件、基本特性及条件3、工作机制与机理、工作机制与机理6基本结构及结构条件基本结构及结构条件基本特性及工作条件
5、基本特性及工作条件工作机制与机理工作机制与机理重点掌握重点掌握123基本物理概念基本物理概念( (结构、机制、机理结构、机制、机理) )载流子载流子( (光子光子) )输运的输运的基本物理过程基本物理过程载流子载流子( (光子光子) )输运的输运的基本物理图像基本物理图像重点理解重点理解1237CH8 隧道器件隧道器件-Tunnel Devices Tunnel DiodeBackword Diode MIS Tunnel Diode MIM Tunnel Diode Tunneling HOT Electron Transistor MIS Switch Diode Resonant Tun
6、nel Diode8优优 势势1、多数载流子器件；、多数载流子器件；2、隧穿时间极短，工作频率极高；、隧穿时间极短，工作频率极高；3、有微分负阻，可用于振荡电路；、有微分负阻，可用于振荡电路；4、隧穿器件集成有望实现高速低功耗。、隧穿器件集成有望实现高速低功耗。9IVIpVVVpqVpqVn一、隧道一、隧道(江崎江崎)二极管二极管-Tunnel Diode （江崎江崎1958年博士论文期间发现，年博士论文期间发现，1973获诺贝尔奖）获诺贝尔奖） 2、基本结构、基本结构 -简并简并pn结结； qVp、qVn 几个几个kT/q ； xm10nm1、基本、基本I-V特性特性 VV V Vp：负微分
7、电阻负微分电阻 0VI103、I-V特性基本机理分析特性基本机理分析隧穿效应隧穿效应 反偏：反偏：正偏正偏V零偏零偏VV0VVVpn带带间间隧隧穿穿电电流流降降为为时时当当 从态密度解释从态密度解释114、隧穿必要条件、隧穿必要条件 1）电子隧出一侧存在电子占据态；）电子隧出一侧存在电子占据态；2）电子隧入一侧相同能级存在）电子隧入一侧相同能级存在 未被电子占据态；未被电子占据态；3）隧道势垒高度足够低，宽度足够窄；）隧道势垒高度足够低，宽度足够窄；4）隧穿过程能量、动量守恒。）隧穿过程能量、动量守恒。5、隧穿、隧穿E-k关系关系 直接带隙直接带隙能量、动量守恒能量、动量守恒间接带隙间接带隙能
8、量守恒能量守恒动量守恒动量守恒声子参与声子参与声子与初始电子能量之声子与初始电子能量之和等于隧穿后能量和等于隧穿后能量E1E2Ge*/mkmk 222222E=E/ +E=12126、隧穿几率隧穿几率 3qE2m4expTExqdx)xq(mexpdxxEUmexpdx)x(kexpT23gtg1xxxxCxxWBKABt故故场为常数，则：场为常数，则：近似取三角形势垒内电近似取三角形势垒内电，那么，那么取取电子从势能底部进入，电子从势能底部进入，101010222222222 xqxE0 xUCoxx gtEmT未考虑间接隧穿；未考虑间接隧穿；未考虑垂直动量。未考虑垂直动量。 ikxexp
9、xExU2mxkk-EC2 关系：关系：三角形势阱，由三角形势阱，由EgX0=0 x1A B EC(x)电流？电流？13 pppt21SgSEEVC23gg22tVCtEEVC1CVVCtCCtVEEV1CVVVtCEEC1VCVV1expVVIIEEEEmq2EdEEE2exp1)E(F)E(FDq3Em24expDEm236qJdE)E(N)E(NT)E(F)E(FCIIIdE)E(N)E(F1T)E(N)E(FCIdE)E(N)E(F1T)E(N)E(FCIVpCnVpCnVpCnVpCn经验公式经验公式中较小者。中较小者。与与为为；其中其中式中式中 Egx1x2 1 1）隧穿电流隧穿电
10、流 7、电流电流- -电压特性电压特性平衡态：平衡态：加偏压加偏压：IVIpVVVpVE2E114 ppptVV1expVVII? pV当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压3VV(VqEE3VqE3VqEEEEE3VqEE0dEd3VqEE0dEd1pnpFpFnpFpnFnmmmmpFpmpVnFnmVVV)(V)E(n)E(n)E(N)E(F()E(p)E(N)E(F)E(npnpnnnnCVVpVCCnCCCC 时电流达极值，即时电流达极值，即在在有峰值时能量有峰值时能量当
11、当有峰值时能量有峰值时能量当当电子浓度分布电子浓度分布空穴浓度分布空穴浓度分布qVpqVn*152）过剩）过剩电流电流隧穿路径：隧穿路径： CAD CBD CABD CD电子需隧穿的能量电子需隧穿的能量BD（势垒高度）：（势垒高度）： EXEg+q(Vn + Vp ) qV = q(Vbi-V) V4Vxbi3x2tx2x23xtVVCexpJJVVqCexpDCTDCJ3qE2m4expT 经验公式经验公式过剩电流密度过剩电流密度隧穿几率隧穿几率Dx: B点占据态密度点占据态密度21)(2)( DASDAbix12mNNNNVVqqExxx xxxJVJDABDCqVbiqVbi163）pn
12、结扩散结扩散电流电流 1exp0kTqVJJd 1exp0kTqVJVVCexpJVV1expVVJJJJJV4Vpppdxt电流电流- -电压特性电压特性17178、器件等效电路器件等效电路LSRSCj- -R寄生参数寄生参数本征参数本征参数最小负阻最小负阻RminIVqVpqVn189、频率特性及应用频率特性及应用 - -工作条件工作条件LSRSCj- -R寄生参数寄生参数本征参数本征参数最小负阻最小负阻R RminminIV 222)(1)(1jjSjSinRCRCLjRCRRZ 输入阻抗：输入阻抗：1RRRC21fSjr 电阻截至频率电阻截至频率实部为零频率实部为零频率2jjSx)RC
13、(1CL121f 电电抗抗截截止止频频率率虚虚部部为为零零频频率率0r0rrSminjmin0rminfff1RRCR21fR低低于于换换言言之之，有有负负阻阻时时频频率率为为电电阻阻为为零零的的最最高高频频率率处处，则则电电阻阻截截止止频频率率偏偏置置在在 容容性性阻阻抗抗换换言言之之，频频率率再再低低为为电电为为电电抗抗为为零零的的最最低低频频率率处处，则则电电抗抗截截止止频频率率偏偏置置在在0 xx2jminjS0 xminff)CR(1CL121fR 二二极极管管工工作作于于负负阻阻区区二二极极管管发发生生振振荡荡若若00r0 x0 x00rffffff 工作频率工作频率,此时有负阻和
14、电抗此时有负阻和电抗此时为负阻和容抗此时为负阻和容抗寄生电阻与电寄生电阻与电感要做小感要做小19LSRSCj- -R寄生参数寄生参数本征参数本征参数开关速度开关速度取决于充放电时常数取决于充放电时常数-RC 希望隧穿电流大希望隧穿电流大表征参数：表征参数：速度指数速度指数(品质因子品质因子)Ip/Cj(VV)速度指数速度指数Jp耗尽层宽度耗尽层宽度速度指数与耗尽层宽度及峰值电流关系示意图速度指数与耗尽层宽度及峰值电流关系示意图最小负阻最小负阻R RminminIVIpVVVpV20基本结构基本结构 工作机制工作机制 工作机理工作机理输运过程输运过程 物理图像物理图像思考题思考题 若系弱简并若系
15、弱简并pn结，结，I-V特性曲线如何？特性曲线如何？ 若由强逐渐过渡弱简并，若由强逐渐过渡弱简并，I-V特性规律特性规律 如何？如何？21二、反向二极管二、反向二极管（ Backword Diode ）IVIV弱简并弱简并更弱简并更弱简并机理？机理？峰值电流小峰值电流小峰值电流小峰值电流小机理？机理？22结构结构简并简并pnpn结；结；隧穿隧穿条件；条件；峰值电流峰值电流简并度；简并度；电流成份电流成份隧穿电流，过剩电流，热电流隧穿电流，过剩电流，热电流23作作 业业1 1、依据隧道二极管、依据隧道二极管I-VI-V特性曲线，叙述其基本结构特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理，以及其振
16、荡及负阻工作条件、工作机制与机理，以及其振荡及负阻工作条件；条件；2 2、依据反向二极管、依据反向二极管I-VI-V特性曲线，叙述其基本结构特性曲线，叙述其基本结构条件、工作机制与机理。条件、工作机制与机理。3 3、试画出、试画出pnpn结由简并到弱简并，再到非简并条件下结由简并到弱简并，再到非简并条件下I-VI-V特性曲线示意图（特性曲线示意图（p p区、区、n n区同）。区同）。24三、三、MIS隧道二极管隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）1、基本结构、基本结构2、基本原理、基本原理隧穿效应。隧穿效应。作用可略；作用可略；隧穿可略；隧穿可略；:nm7t:t:nm7toxox
17、ox 1nm1nm3nm1nm oxtnmtox7 nmtox5 EFmEFmEFm25四、四、MIM隧道二极管隧道二极管（ MIM Tunnel Diode ）1、基本结构、基本结构2、基本原理、基本原理EFmEFm26五、隧穿热电子晶体管五、隧穿热电子晶体管 （ Tunneling HOT Electron Transistor ）优点：潜在增益大、速度高、电流大优点：潜在增益大、速度高、电流大2、基本原理、基本原理隧穿热电子转移放大器隧穿热电子转移放大器(THETA)1、基本结构、基本结构-放大状态偏置放大状态偏置EFmEFm发射区发射区基区基区集电区集电区M-I-M-I- MEFm发射
18、区发射区基区基区集电区集电区M-I-M-SEFm发射区发射区基区基区集电区集电区M-I-p-n集电区集电区基区基区发射区发射区窄窄 带带本征宽带本征宽带1030nm750nm100250nm27六、六、MIS开关二极管开关二极管（ MIS Switch Diode -MISS）1、基本结构及特性、基本结构及特性VAKIVSVhIhnP+AKt0 x=1.54nm优点：开关速度高优点：开关速度高 1ns应用：数字逻辑应用：数字逻辑 移位寄存器移位寄存器 存储器存储器 振荡电路振荡电路 缺点：栅氧一致性差缺点：栅氧一致性差EFm平衡态平衡态282、工作机制与机理、工作机制与机理VAKIVSVh1.
19、5Ih1) 正栅压正栅压:VAK 0 pn结反偏；结反偏；半导体表面堆积；半导体表面堆积；电流为电流为pn结结耗尽层产生流、反向扩散流的隧耗尽层产生流、反向扩散流的隧穿穿,直至击穿。直至击穿。212)|(|2 DbiAKSGiGjiGNVVqnWqnJ VAK 0 2、工作机制与机理、工作机制与机理a.|V|VS|： pn结正偏结正偏; n型表面深耗尽型表面深耗尽; 电流主要是表面耗尽层产生流电流主要是表面耗尽层产生流2122DSSGiGDiGNqnWqnJ b.|V|=|VS|：表面深耗尽层与表面深耗尽层与pn结耗尽层穿通结耗尽层穿通 S2fDSS2)WW(qNV 表面势表面势正偏正偏pnp
20、n结耗结耗尽层宽度尽层宽度表面势表面势|V|VS|AnP+AKW+|V|=|VS|VAKIVSVhIhEFmEFmWDVVVAKAK =C =C|V|=|VS|EFmEFmEFm31穿通；穿通；积累；积累；表面势；表面势；隧穿几率隧穿几率3232七、共振隧穿二极管七、共振隧穿二极管（ Resonant Tunnel Diode ） 量子隧穿产生负阻量子隧穿产生负阻1、基本结构、基本结构2、基本特性、基本特性n+n+iii 5nm1.55nm简并发射区简并发射区简并收集区简并收集区iiEVEVECEC应用：应用： 振荡器振荡器 1THz; 多值逻辑；多值逻辑； 存储器；存储器；-3、工作机制、工
21、作机制-隧穿效应隧穿效应JV负阻负阻负阻负阻334、工作机理、工作机理量子化效应量子化效应1) 势阱内载流子能量量子化（势阱内载流子能量量子化（z方向）方向） 势阱中电子遵循薛定谔方程势阱中电子遵循薛定谔方程: : zyxEzyx)z(Vzyxm222 Lz00LZ0zV)z(V0)z()yx()zyx( V与与x、y无关无关 zyxEzyx)z(Vzyxm 222w0V0zwn+n+iiiEFEFEFEnECwxy34 )kk(m2EykxkjexpAy,x)y,x(E)y,x(m2x2y2x2xyyxxy22 解之有解之有波函数形式波函数形式平面内：平面内：、 y分离变量法求解：分离变量法
22、求解： mEmm8nhm8nhm2)n(EE0zsinzzczsinBzEm2)z(E)z(m2zn22222222nzwz2z2z222kkk2wEww4321nnw0c00222y2x2wz0z总能量总能量导带底参考点导带底参考点故故，即即，；有有，边界条件边界条件解之有解之有令令方向：方向： zyxEzyx)z(Vzyxm 222x、y方向能量连续方向能量连续- 2DEG（2DHG）导带能量量子化导带能量量子化n+n+iiiEFEFEFEnECw价带类似价带类似0V0zw35 度降低而减少度降低而减少能级数与能级间隔随深能级数与能级间隔随深对于有限深势阱，量子对于有限深势阱，量子有效禁带
23、宽度有效禁带宽度22h222e23Dgeffgnwm2)(nwm2)(EE EhhELh价带有类似结果价带有类似结果,3 ,2 , 1nWm8nEE,3 ,2 , 1nWm8nEE2h22nvVw2e22Cwne EhhELh362) 工作机制与机理工作机制与机理-隧穿隧穿n+n+iiiEFEFEFEnECw低温下，发射区低温下，发射区EC与与En对齐电流最大；对齐电流最大；考虑散射，考虑散射，En在发射区在发射区Ef以下形成隧穿电流；以下形成隧穿电流；En位于位于Ef 与与EC之间时有最大电流。之间时有最大电流。JVacVpbabCE EF F低于低于E E1 1不会隧穿不会隧穿373) 工
24、作条件工作条件-隧穿能量与动量守恒隧穿能量与动量守恒动量：隧穿方向动量动量：隧穿方向动量 横向动量横向动量能量：能量： 2mk2mk2mkW8mn2mk2mk222z222222222zw2ffCEwCwwCwwEEhEEE发射区发射区内内阱阱隧穿方向动量隧穿方向动量横向动量横向动量Exy隧穿：能量守恒隧穿：能量守恒EE(发射区发射区)= Ew (阱区阱区) 横向动横向动量守恒量守恒EnEF 隧穿几率极低隧穿几率极低EF EC有隧穿有隧穿En EC隧穿几率极低隧穿几率极低EkECEFEkE1(En)wEkECEFEk E1(En)wE En n位于位于E Ef f 与与E EC C之间时有之间
25、时有最大电流最大电流VJ负阻负阻负阻负阻 2mk2mk2222wf 2mk2mk2222wfEkECEFEkE1(En)w发射区发射区阱区阱区k kw38原因：原因：散射，声子辅助隧穿，散射，声子辅助隧穿，热电子发射，等。热电子发射，等。4) 隧穿几率隧穿几率 设：发射区、收集区与阱隧穿几率分别为设：发射区、收集区与阱隧穿几率分别为TE、TC 当入射载流子能量与势阱内以量子化能级匹配时，隧穿几率当入射载流子能量与势阱内以量子化能级匹配时，隧穿几率1)(4)(2 CECEnTTTTEET当入射载流子能量与势阱内以量子化能级不匹配时，当入射载流子能量与势阱内以量子化能级不匹配时，隧穿几率隧穿几率:
26、CETTT 对称势垒对称势垒,TE=TC110-410-8隧穿几率隧穿几率能量能量En395、共振隧穿电流、共振隧穿电流dEETENqJ)()(2 N(E):发射区单位面积能量发射区单位面积能量E电子数电子数决定电流机制是决定电流机制是TE ，阱到，阱到收集区隧穿限制少收集区隧穿限制少能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒Vp2(En-EC)/q(近似用近似用En=EC表征表征)EnacbECECEC kTEEkTEEfffekTmdEekTmdEEEfEgEN1ln112020 JVacVpbVp=?40量子化；量子化；隧穿；隧穿；能量动量守恒能量动量守恒41作业：作业：1、试简要叙述隧穿二极管、
27、反向二极管、试简要叙述隧穿二极管、反向二极管、MIS开关二极管、共振隧穿二极管的工作开关二极管、共振隧穿二极管的工作机制及其机制及其I-V特性形成机理；特性形成机理；2、试证明、试证明,如果电流注入漂移区存在时间延如果电流注入漂移区存在时间延迟，那么在载流子渡越漂移区时间满足一迟，那么在载流子渡越漂移区时间满足一定条件即可产生负阻效应。定条件即可产生负阻效应。 4242CH 9 IMPATT和相关渡越时间二极管和相关渡越时间二极管Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode and Related Transit Time Diode 一、一、I
28、MPATT(碰撞电离雪崩渡越时间碰撞电离雪崩渡越时间)二极管二极管二、二、BARITT(势垒注入渡越时间势垒注入渡越时间)二极管二极管三、三、TUNNETT (隧道渡越时间隧道渡越时间)二极管二极管 （另一类机理负阻器件）（另一类机理负阻器件）43漂移区漂移区 v=vs0Wx43# #、注入注入时间延迟和渡越时间效应时间延迟和渡越时间效应 tjexpJjexpJ)(J 0c漂移区电流：传导电流与位移电流漂移区电流：传导电流与位移电流)(exp1xxxxxxsdcdcssssssSvxjjJ)x(E)x(EjvxjexpjexpJJ)(J)(J)tjexp(E)x(E)x(Ejt)x(E)(Jv
29、xjexpjexpJvxtjexpJ)(J)(J)(JJ)(J)(J 总总总总0漂移区总电流漂移区总电流4444 渡越角渡越角势垒电容势垒电容积分，有交流阻抗积分，有交流阻抗到到从从ssDDssssvWWCjjexpjexpCjvWjvWjexpjexpWjdx)x(EJZvxjjJ)x(E 1111111W0)(exp1W0s雪崩区雪崩区漂移区漂移区 v=vs0Wx45Csin)sin(C1XC)cos(-cosRjjexp1jexp1Cj1ZDDDD 阻阻抗抗虚虚部部阻阻抗抗实实部部结论：结论：1、注入相位角、注入相位角=0，无负阻；，无负阻；2、注入相位角、注入相位角0，满足一定条件产生
30、负阻。满足一定条件产生负阻。 如：如： =时，时， r负阻负阻近似近似564、大信号负阻特性分析、大信号负阻特性分析 雪崩区产生的电子波包在漂移区雪崩区产生的电子波包在漂移区 移动感生外电流。移动感生外电流。 外电流密度外电流密度 雪崩区产生的电子波包密度雪崩区产生的电子波包密度: :Qava ； 阳极感生电荷密度：阳极感生电荷密度：QA(t) 雪崩区注入漂区的电流迟后雪崩区注入漂区的电流迟后180180，始终有负阻；，始终有负阻； 漂移区渡越角漂移区渡越角180180负阻最大。负阻最大。 最佳工作频率最佳工作频率-周期为二倍渡越时间周期为二倍渡越时间 ADsavaACADsavaADAava
31、AxWvQttQJxWtvQxWxxQtQVVBttt输出电流输出电流雪崩注入电流雪崩注入电流雪崩区雪崩区漂移区漂移区 V=VSxAWD0 x DssADWvvxWf221 57IMPATT二极管振荡器原理电路二极管振荡器原理电路电流源偏置电路电流源偏置电路电压源偏置电路电压源偏置电路外端谐振器谐振频率与外端谐振器谐振频率与IMPATT相同；相同；直流偏置时的正反馈，可在直流偏置时的正反馈，可在IMPATT二端形成满足要求的二端形成满足要求的 电流、交流电压信号和稳定的交流输出波形；电流、交流电压信号和稳定的交流输出波形；输出电流脉冲的结束时间由渡越延迟决定。输出电流脉冲的结束时间由渡越延迟决
32、定。 RLRLVVBttt输出电流输出电流雪崩注入电流雪崩注入电流58功率功率-频率限制频率限制 最大电流最大电流 232222242DssmDsssmmssmDssmmDCmmmDssmDsavaACmWvEWvvEfpvEWvEEWJVpWvEWvQttQJ 21fp 最大功率最大功率功率功率-频率积频率积功率功率-频率限制频率限制高斯定理高斯定理高斯定理高斯定理59 IMPATT效率限制效率限制 DAVVm DAAD0D0VV112mVVJVm2J 直直流流功功率率交交流流输输出出功功率率漂移区直流电压漂移区直流电压调制因子调制因子漂移区交流漂移区交流 电压幅值电压幅值雪崩区直流电压雪崩
33、区直流电压60雪崩区产生电荷滞后；雪崩区产生电荷滞后；漂移区渡越时间漂移区渡越时间6161二、二、BARITT二极管二极管(势垒注入渡越时间二极管势垒注入渡越时间二极管) (Barrier Injection Transit Time Diode) 利用利用pnpn结结或金半结或金半结少子注入延迟和渡越漂移区延迟形成负阻少子注入延迟和渡越漂移区延迟形成负阻工作电压：工作电压： VFB V VRT1、基本结构基本结构 MMnEEExxxp+np+EEExxx穿通穿通VRT平带平带VFBMnp+EEExxx低偏压低偏压+-+-势垒结势垒结62622、基本特性、基本特性 VVtttJ注入电流注入电流
34、输出电流输出电流J取决于渡越时间取决于渡越时间VFBVVRT3、基本、基本机理机理 1）偏置于穿通与平带之间）偏置于穿通与平带之间 2）耗尽层穿通；）耗尽层穿通； 3）正偏结少子注入延迟；）正偏结少子注入延迟； 4）注入少子渡越漂移区延迟。）注入少子渡越漂移区延迟。634、穿通电压与平带电压穿通电压与平带电压 s21bi221s2211s2211222121221222121121221121212221112VV322222220222222221 WqNVWWVqNWWqNVVqNWWqNVqNVVVqNWWWWWWWWWVVVqNVVVqNVVqNVVqNWWWVVVqNWVVqNWDF
35、BDsbiDDbisDDRTDRTsbiDsDDDDDDbiRTDRTsbiDsbiDsbiDsDDRTbiDsDbiDsD 且且，）平带电压）平带电压）穿通电压）穿通电压）低偏压耗尽层宽度）低偏压耗尽层宽度p+np+ExExEx穿穿 通通平平 带带低低 压压WD1WD2WV2V1ppWD2WD1+V2V164 穿通后电流迅速增加。穿通后电流迅速增加。结耗尽层产生流；结耗尽层产生流；穿通前电流为反偏穿通前电流为反偏有有由由结正偏电流结正偏电流）穿通后）穿通后，边界条件：边界条件：有穿通后电流密度有穿通后电流密度积分二次，利用积分二次，利用漂移区漂移区则则若若为为穿通后金半结正偏电流穿通后金半结
36、正偏电流pn020 xV0 x2120 x0 xs22 FBFB2*BpFBDsDFBsssDsDsFBFBBp2*1biBp2*1biBp2*V4kTVVqexpTAJ，a：pnEVVNqVJWqNVVJqVJNqdxxdENqVJaV4kTVVqexpkTqexpTA1kTVVqexpkTqexpTA1kTqVexpkTVqexpTAJ) FB2FBbiRTRTDbisDbisDDRTFB2FBbi4VVVVVVVWqNVVqNWVVqNWWqNV4VVVVV 1s2211211s21V2222，则则有有二二边边平平方方，并并近近似似取取：5、电流输运、电流输运 （VFB V VRT）65
37、6、小信号负阻、小信号负阻(VRTVn23）主能谷态密度）主能谷态密度 kT, E Eg机理：迁移率下降机理：迁移率下降81811 1、瞬态空间电荷效应、瞬态空间电荷效应( (以电子为例以电子为例) )四、微波振荡机理四、微波振荡机理 22001233211xt ,xnDt ,xnqnt ,xntt ,xnxxt ,xnqDt ,xEt ,xnqJnt ,xnqxt ,xExJqtt ,xnnnsnns ），有），有）带入，并带入（）带入，并带入（微分，将（微分，将（）对）对式（式（）（）（）（略产生与复合略产生与复合82 。长长衡电荷将随时间指数增衡电荷将随时间指数增即：负阻区，任何非平即：
38、负阻区，任何非平随时间指数增长随时间指数增长，则非平衡载流子电荷，则非平衡载流子电荷）若）若（随时间衰减到平衡值；随时间衰减到平衡值；，则非平衡载流子电荷，则非平衡载流子电荷）若）若（时间响应解：时间响应解：；有空间响应解有空间响应解分离变量：分离变量：,dJdEdJdEnqt ,xt ,xnqtexpn,xnnt ,xnxt ,xnDt ,xnqnt ,xntt ,xnnsssnsRRtnns020100000220 介质弛豫时间介质弛豫时间即：任一点处载流子的随机起伏其浓度将随时间指数增长即：任一点处载流子的随机起伏其浓度将随时间指数增长83振荡模式：振荡模式： 渡越时间偶极层模式渡越时间
39、偶极层模式； 理想均匀场模式；猝灭偶极层模式；积累层模式。理想均匀场模式；猝灭偶极层模式；积累层模式。2、TED振荡机理振荡机理 nn+n+nMnn+n+Mnn+阳极阳极阴极阴极GaAs(InP)GaAs(InP)GaAs(InP）电子加热产生死区电子加热产生死区热电子直接注入热电子直接注入热电子直接注入热电子直接注入+负阻区：电场强，迁移率低；负阻区：电场强，迁移率低； 非平衡载流子指数增长非平衡载流子指数增长+84渡越时间偶极层模式：渡越时间偶极层模式：1）偏置于负阻区，即：）偏置于负阻区，即：LE V， Vth E AlGaAs EJAlGaAsGaAs+-89实空间转移实空间转移晶体管
40、晶体管(RST)-负阻器件负阻器件(材料间转移材料间转移) CDDSIIVSCDVCVDECEVn+n+n+ii室温峰室温峰-谷电流比高于谷电流比高于3400090实空间转移实空间转移器件（器件（RST）-逻辑器件逻辑器件V1V3V2电压电压 V1=0 V1=0 V1=0 V2:0 V3:高高 V2:高高 V3:高高 V2:0 V3:0电流电流 0 高高 高高 高高 0 0逻辑逻辑 或或or与与 与与 与与 v2v1v3vC电流大小判别电流大小判别电流大小判别电流大小判别91不同带间转移；不同带间转移；电流分流电流分流92主要类型：主要类型：1. 二端晶闸管二端晶闸管(SCR): 单向整流，不
41、能自关断。单向整流，不能自关断。2. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)：单向整流，能自关断。单向整流，能自关断。3. 双向晶闸管双向晶闸管：双向整流，不能自关断。双向整流，不能自关断。4. 光控晶闸管光控晶闸管：单向整流，不能自关断。单向整流，不能自关断。主要特征：主要特征：反向阻断电压反向阻断电压(可承受的反向电压可承受的反向电压)高，能高于高，能高于10000V；正向导通电流大，可大于正向导通电流大，可大于5000A。(双极晶体管能承受的反向电压不超过双极晶体管能承受的反向电压不超过2000V，电流，电流数百安数百安) 晶闸管：晶闸管： 双极型大功率整流器件，功率处理能力强，可达
42、双极型大功率整流器件，功率处理能力强，可达1MW以上。以上。CH 11 晶闸管和功率器件晶闸管和功率器件集成器件结构中寄生器件集成器件结构中寄生器件93一、一、 晶闸管基本结构及工作原理晶闸管基本结构及工作原理1.基本结构基本结构: 四层、三个四层、三个pn结结双极型半导体器件双极型半导体器件四层四层-PNPN三端三端or二端二端引出电极：引出电极： 阳极（阳极（A）-输出端输出端(IA) 阴极（阴极（K）-共用端共用端(IK) 门极（门极（G）-控制端控制端(IG)942.基本工作特性基本工作特性 (a)偏置偏置 VAK0-正向偏置正向偏置(二个结正偏二个结正偏); VAK0（三端器件）：机
43、理同。（三端器件）：机理同。IG起控制转折电压作用起控制转折电压作用偏置条件：晶体管偏置条件：晶体管T1、T2都满足放大条件。都满足放大条件。2)T2进入放大状态进入放大状态T1进入放大状态进入放大状态T1、T2饱和饱和IA由负载决定由负载决定饱和压降约饱和压降约1V若栅极开路若栅极开路(IG=0)（二端器件）（二端器件）T1、T2截止截止IA为为p2N1结反向电流结反向电流倍增使电流放大系数增大倍增使电流放大系数增大1)反偏反偏一定条件一定条件迅速转折迅速转折IsVh正反馈正反馈975.转折条件转折条件IA = Ic1 + Ic2= 1IA + 2IA +2IG + IcR IK = IG
44、+ IA IA = M1IA + M2IA +M2IG + M IcR 电流经集电结倍增，倍增因子电流经集电结倍增，倍增因子 M：)(M1)II (MI21G2cRA M(1 + 2) =1转折条件：转折条件：驱使驱使T1、T2过渡至饱和导通状态过渡至饱和导通状态IcR = Ic1R + Ic2R Ic1 = 1IA + Ic1R Ic2 = 2IK + Ic2RIG作用：作用：IG1 、2 M转折电压转折电压VBF IsVh986.转折电压转折电压-VBF n1211BVBFV211nBVBFV11nBVV11M211M1 )21M( 故故又又7.反向转折电压反向转折电压-VBR 雪崩击穿电
45、压雪崩击穿电压n：与材料及低掺杂：与材料及低掺杂 侧导电类型相关。侧导电类型相关。 对对Si-N型侧，型侧，n=4 -P型侧，型侧，n=299当晶闸管过渡到低压、大电流时，当晶闸管过渡到低压、大电流时，不存在倍增效应，即倍增因子不存在倍增效应，即倍增因子M=1 那么那么)(1I)(1III21G221G2cRA 所以，晶闸管的所以，晶闸管的导通条件导通条件为为 (1 + 2) =1 凡能使电流增加的机制都可触发晶闸管导通凡能使电流增加的机制都可触发晶闸管导通7.导通条件：导通条件：IsVh分析问题应用之一：分析问题应用之一：CMOS寄生晶闸管寄生晶闸管100二、二、晶闸管派生器件晶闸管派生器件
46、 1、二端双向晶闸管、二端双向晶闸管 基本结构及特性基本结构及特性p2p1n4n2n1M1M2J3J2J4J1VMI-M2I1012、三端双向晶闸管、三端双向晶闸管 p2p1n4n3n2n1M1M2GJ3J2J4J5J1 基本结构基本结构 基本特性基本特性VMI-M2I短路作用：降低电流放大系数，提升转折电压；短路作用：降低电流放大系数，提升转折电压； 辅佐三端器件转折导通。辅佐三端器件转折导通。102 1）VM1 M2 0，VG-M2 0工作原理与常规器件同工作原理与常规器件同VG控制转折电压。控制转折电压。M2Gp1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0 2
47、）VM1 M2 0，VG-M2 0p2n3结正偏，结正偏，n3p2n1工作工作;电子流向电子流向n1;p2n1p1工作工作;晶闸管晶闸管p1n1p2n3导通；导通；p2区横向压降使区横向压降使p2n2导通导通 p1n1p2n2导通。导通。VG控制转折电压。控制转折电压。 基本原理：基本原理：M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0+- -p2103 3）VM1 M2 0栅压使栅压使p2n2正偏提升正偏提升-电子在电子在p2n1势垒区电场作用下势垒区电场作用下（n2p2n1）漂移至）漂移至n1-p2n1p1横横向电流使向电流使p1n4导通导通- p2n1p1 n4导通
48、；导通； VG控制转折电压。控制转折电压。栅压使栅压使p2n3正偏，之后过程与正偏，之后过程与上相同。上相同。p2n1p1n4导通工作；导通工作；栅极电压使栅极电压使p2n1结正偏提高，结正偏提高， VG控制转折电压。控制转折电压。 4）VM1 M2 0，VG-M2 0M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0VM1 M2 0+- - - - -1043、二端双向、二端双向npn nnpVMI-M2IM1M21054、光控晶闸管、光控晶闸管 由光能触发的晶闸管由光能触发的晶闸管 无栅极，无栅极，偏置与普通晶闸管相同。偏置与普通晶闸管相同。机理：机理：反
49、偏反偏J J2 2结势垒区及结势垒区及P P2 2、N N1 1区扩散长度内产生的区扩散长度内产生的空穴、电子分别漂移空穴、电子分别漂移到到P P2 2、N N1 1区，构成二只区，构成二只晶体管基极电流晶体管基极电流自建电场自建电场-+-+106106借助极性相反的门借助极性相反的门( (栅栅) )极极电压既可以实现导通又可电压既可以实现导通又可以自行关断的晶闸管。以自行关断的晶闸管。 1）基本结构）基本结构 2）导通与特性）导通与特性 导通原理、过程、条件与导通原理、过程、条件与普通晶闸管相同。普通晶闸管相同。 偏置条件与普通晶闸管相同；偏置条件与普通晶闸管相同；N2区是细而窄的长条区是细
50、而窄的长条5、门极可关断晶闸管（、门极可关断晶闸管（GTO）1071073）关断过程与机理）关断过程与机理 栅极抽取电流使栅极抽取电流使T2脱离饱和脱离饱和G1c2bIII T2晶体管基极电流晶体管基极电流: )II (G1c K2I )1( 欲关断，欲关断，T2晶体管基极电流应满足：晶体管基极电流应满足：Ib2 Ib2ST2晶体管临界饱和基极电流晶体管临界饱和基极电流:K2S2bI )1(I 1081084）关断条件）关断条件GAKIII A11cII )II (G1c K2I )1 ( 200V: Repi起主导作用。起主导作用。 并随击穿电压的提高，比例迅速增大。并随击穿电压的提高，比例
