第二章集成電路材料與器件物理基礎§2.1-2.3略§2.4PN結及結型二極管§2.5雙極型晶體管§2.6MOS晶體管§2.7MESFET第二章集成電路材料與器件物理基礎集成電路材料分類材料電導率（S/cm）導體鋁、金、鎢、銅等，鎳鉻等合金，重摻多晶硅~105半導體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵10-9~102絕緣體SiO2、Si3N410-22~10-14集成電路材料分類材料電導率（S/cm）導體鋁、金、鎢、銅等，§2.4PN結了解pn結的意義pn結---多數半導體器件的核心單元電子器件：整流器(rectifier)檢波器(radiodetector)雙極晶體管(BJT)光電器件：太陽能電池(solarcell)

發光二極管（LED）半導體激光器（LD）光電二極管(PD)§2.4PN結了解pn結的意義pn結---突變結線形緩變結pn根據雜質濃度的分布，可以劃分為：同質pn結異質pn結根據結兩邊的材料不同，可劃分為：通過控制施主與受主濃度的辦法，形成分別以電子和空穴為主的兩種導電區域，其交界處即被稱為p-n結。pn結的結構突變結pn根據雜質濃度的分布，可以劃分為：同質pn結根據在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖

pn結形成的物理過程電子空穴擴散eVbi

在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖pn結形成的物理過程電（b）接觸后的能帶圖平衡態的pn結

CE

FE

iE

VE

eVbi

漂移電流擴散電流內建電場E接觸電勢差Vbi

漂移

漂移

空間電荷區擴散擴散p

n

E（b）接觸后的能帶圖平衡態的pn結CEFEiEVE+--0pn電壓表反向偏壓下的PN結隨著反向偏壓的增加，PN結的耗盡區加寬。+--0pn電壓表反向偏壓下的PN結隨著反向偏壓的增加，PN+--0pn電壓表正向偏壓下的PN結隨著正向偏壓的增加，PN結的耗盡區變窄。+--0pn電壓表正向偏壓下的PN結隨著正向偏壓的增加，PNEvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEcEipEinEFqVD平衡態下理想PN結的能帶圖正向偏壓下理想PN結的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFp反向偏壓下理想PN結的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEc理想PN結半導體二極管電流方程PN結符號理想PN結半導體二極管電流方程PN結符號PN結的基本應用整流：使一個正弦波流經二極管，則只有大于零的正向部分會到達后面的電路，這種濾除負向信號的過程稱為整流電流隔離：電流單向流動PN結的基本應用整流：使一個正弦波流經二極管，則只有大于零的§2.4結型二極管內建電場EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金屬與N型材料接觸內建電場EE0EFmE0EFpEvEcqVD金屬與P型材料接觸EFEvEcqVD§2.4結型二極管內建電場EEFEvEcqVDE0EFm反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和半導體材料相接觸的時候，在界面處半導體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。勢壘的存在才導致了大的界面電阻。具有肖特基接觸的金屬與半導體界面形成結二極管，符號正向偏壓，墊壘降低，有電流通過反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸，而其接觸面的電阻值遠小于半導體本身的電阻。金屬作為半導體器件的電極，要求具有歐姆接觸。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc歐姆接觸的金屬與N型材料的選擇歐姆接觸的金屬與P型材料的選擇實現良好的歐姆接觸：(1)選擇金屬與半導體材料，使其結區勢壘較低(2)半導體材料高摻雜歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸，而其接觸面的電阻值遠雙極型晶體管

第一個PN結須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0.8V。整個器件上跨接5V的電壓，已經進入P區的電子會繼續向上運動。P區要很薄，才能保證跨接的5V的電壓對電子的控制。底部的N型半導體提供電子，叫發射極（Emitter）

P型半導體作為PN結的基本結構，叫基區（Base）頂部的N型半導體收集另一個N型半導體提供的電子，叫集電極（Collector)雙極型晶體管第一個PN結須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0

發射結正偏，集電結反偏時，為放大工作狀態。發射結正偏，集電結也正偏時，為飽和工作狀態。發射結反偏，集電結也反偏時，為載斷工作狀態。發射結反偏，集電結正偏時，為反向工作狀態。雙極型晶體管發射結集電結NPN工作狀態：發射結正偏，集電結反偏時，為放大工作狀態。雙極型晶體管發射§2.6MOS晶體管

場效應晶體管（FET）由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應稱為場效應。源漏源漏附近正電壓所產生的場效應有效提高半導體材料表面電子數目，從而獲得更大電流負電壓使越來越多的電穴聚積起來，源漏電流越來越小，最終形成NPN結構，無源漏電流§2.6MOS晶體管

場效應晶體管（FET）源漏源漏附近夾斷夾斷MOS晶體管常開型，也稱耗盡型晶體管源漏柵常關型，也稱增強型晶體管MOS晶體管常開型，也稱耗盡型晶體管源漏柵常關型，也稱增強MOS晶體管柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。增強型MOS晶體管柵區較小且形狀不隨電場變化。

CMOS電路里，全部采用增強型的NMOS和PMOS。ComplementaryMetalOxideSemiconductor（CMOS）MOS晶體管柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。CMOS晶體管源漏GNDVGS+VDS+N載止區：VGS<VT，無電流通過VT為引起溝通區表面反型的最小柵電壓，也稱閥值電壓。源漏GNDVGS+VDS+飽和區：0<(VGS-VT）<VDS，電流與VDS無關N源漏GNDVGS+VDS+線性區：(VGS-VT）>VDS>0，電流與VDS，VGS有關NMOS晶體管源漏GNDVGSVDSN載止區：VGS<VT，MOS晶體管載止區線性區飽和區其中為跨導系數IDS和哪些參數有關？引入跨導衡量MOS器件的增益線性區飽和區MOS晶體管載止區線性區飽和區其中JFET（junctiongatefield-effecttransistor

）pnn源漏柵耗盡層IDSVDS按VGS=0時，溝道的開啟情況，JFET同樣可分為常開型（耗盡型）和常關型（增強型）JFET（junctiongatefield-effecMESFET（metalsemiconductorfieldeffecttransistor）金屬柵極nn源漏IDSVDS

結構和原理與JEFT相似，不同的是采用肖特基結（金屬/半導體）代替PN結。常采用GaAs,InP或SiC作為溝通材料，與硅鍺相比，具有更高的開關速度及工作在更高的頻率下，廣泛用于微波通信與雷達領域。MESFET（metalsemiconductorfie第二章集成電路材料與器件物理基礎§2.1-2.3略§2.4PN結及結型二極管§2.5雙極型晶體管§2.6MOS晶體管§2.7MESFET第二章集成電路材料與器件物理基礎集成電路材料分類材料電導率（S/cm）導體鋁、金、鎢、銅等，鎳鉻等合金，重摻多晶硅~105半導體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵10-9~102絕緣體SiO2、Si3N410-22~10-14集成電路材料分類材料電導率（S/cm）導體鋁、金、鎢、銅等，§2.4PN結了解pn結的意義pn結---多數半導體器件的核心單元電子器件：整流器(rectifier)檢波器(radiodetector)雙極晶體管(BJT)光電器件：太陽能電池(solarcell)

發光二極管（LED）半導體激光器（LD）光電二極管(PD)§2.4PN結了解pn結的意義pn結---突變結線形緩變結pn根據雜質濃度的分布，可以劃分為：同質pn結異質pn結根據結兩邊的材料不同，可劃分為：通過控制施主與受主濃度的辦法，形成分別以電子和空穴為主的兩種導電區域，其交界處即被稱為p-n結。pn結的結構突變結pn根據雜質濃度的分布，可以劃分為：同質pn結根據在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖

pn結形成的物理過程電子空穴擴散eVbi

在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖pn結形成的物理過程電（b）接觸后的能帶圖平衡態的pn結

CE

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漂移電流擴散電流內建電場E接觸電勢差Vbi

漂移

漂移

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n

E（b）接觸后的能帶圖平衡態的pn結CEFEiEVE+--0pn電壓表反向偏壓下的PN結隨著反向偏壓的增加，PN結的耗盡區加寬。+--0pn電壓表反向偏壓下的PN結隨著反向偏壓的增加，PN+--0pn電壓表正向偏壓下的PN結隨著正向偏壓的增加，PN結的耗盡區變窄。+--0pn電壓表正向偏壓下的PN結隨著正向偏壓的增加，PNEvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEcEipEinEFqVD平衡態下理想PN結的能帶圖正向偏壓下理想PN結的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFp反向偏壓下理想PN結的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEc理想PN結半導體二極管電流方程PN結符號理想PN結半導體二極管電流方程PN結符號PN結的基本應用整流：使一個正弦波流經二極管，則只有大于零的正向部分會到達后面的電路，這種濾除負向信號的過程稱為整流電流隔離：電流單向流動PN結的基本應用整流：使一個正弦波流經二極管，則只有大于零的§2.4結型二極管內建電場EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金屬與N型材料接觸內建電場EE0EFmE0EFpEvEcqVD金屬與P型材料接觸EFEvEcqVD§2.4結型二極管內建電場EEFEvEcqVDE0EFm反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和半導體材料相接觸的時候，在界面處半導體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。勢壘的存在才導致了大的界面電阻。具有肖特基接觸的金屬與半導體界面形成結二極管，符號正向偏壓，墊壘降低，有電流通過反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸，而其接觸面的電阻值遠小于半導體本身的電阻。金屬作為半導體器件的電極，要求具有歐姆接觸。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc歐姆接觸的金屬與N型材料的選擇歐姆接觸的金屬與P型材料的選擇實現良好的歐姆接觸：(1)選擇金屬與半導體材料，使其結區勢壘較低(2)半導體材料高摻雜歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸，而其接觸面的電阻值遠雙極型晶體管

第一個PN結須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0.8V。整個器件上跨接5V的電壓，已經進入P區的電子會繼續向上運動。P區要很薄，才能保證跨接的5V的電壓對電子的控制。底部的N型半導體提供電子，叫發射極（Emitter）

P型半導體作為PN結的基本結構，叫基區（Base）頂部的N型半導體收集另一個N型半導體提供的電子，叫集電極（Collector)雙極型晶體管第一個PN結須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0

發射結正偏，集電結反偏時，為放大工作狀態。發射結正偏，集電結也正偏時，為飽和工作狀態。發射結反偏，集電結也反偏時，為載斷工作狀態。發射結反偏，集電結正偏時，為反向工作狀態。雙極型晶體管發射結集電結NPN工作狀態：發射結正偏，集電結反偏時，為放大工作狀態。雙極型晶體管發射§2.6MOS晶體管

場效應晶體管（FET）由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應稱為場效應。源漏源漏附近正電壓所產生的場效應有效提高半導體材料表面電子數目，從而獲得更大電流負電壓使越來越多的電穴聚積起來，源漏電流越來越小，最終形成NPN結構，無源漏電流§2.6MOS晶體管

場效應晶體管（FET）源漏源漏附近夾斷夾斷MOS晶體管常開型，也稱耗盡型晶體管源漏柵常關型，也稱增強型晶體管MOS晶體管常開型，也稱耗盡型晶體管源漏柵常關型，也稱增強MOS晶體管柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。增強型MOS晶體管柵區較小且形狀不隨電場變化。

CMOS電路里，全部采用增強型的NMOS和PMOS。ComplementaryMetalOxideSemiconductor（CMOS）MOS晶體管柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。CMOS晶體管源漏GNDVGS+VDS+N載止區：VGS<VT，無電流通過VT為引起溝通區表面反型的最小柵