半導(dǎo)體器件物理-負(fù)阻器件、功率器件、光電器件

1、1半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理Physics of Semiconductor DevicesS.M.SZE（周一：（周一：5、6；周三：；周三：1、2）2三部分內(nèi)容三部分內(nèi)容負(fù)阻器件；負(fù)阻器件；功率器件；功率器件；光電子器件光電子器件 CH8 隧道器件隧道器件CH9 碰撞電離雪崩渡越時間二極管碰撞電離雪崩渡越時間二極管CH10 轉(zhuǎn)移電子器件和轉(zhuǎn)移電子器件和(實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件)CH11 晶閘管和功率器件晶閘管和功率器件CH12 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器CH13 光電探測器和太陽電池光電探測器和太陽電池 3負(fù)阻器件負(fù)阻器件隧穿機(jī)制隧穿機(jī)制(隧穿條件隧穿條件)1

2、、隧道二極管、隧道二極管2、反向二極管、反向二極管3、MIS開關(guān)二極管開關(guān)二極管4、共振隧穿二極管、共振隧穿二極管渡越時間機(jī)制渡越時間機(jī)制(注入角與延遲角注入角與延遲角)1、IMPATT二極管二極管2、BARITT二極管二極管電子空間轉(zhuǎn)移機(jī)制電子空間轉(zhuǎn)移機(jī)制(非平衡電荷非平衡電荷)1、轉(zhuǎn)移電子器件（、轉(zhuǎn)移電子器件（TED）2、實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件（、實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件（RST）2341負(fù)阻產(chǎn)生機(jī)制負(fù)阻產(chǎn)生機(jī)制1、隧穿機(jī)制隧穿機(jī)制2、渡越時間機(jī)制渡越時間機(jī)制3、電子空間轉(zhuǎn)移機(jī)制電子空間轉(zhuǎn)移機(jī)制幾率與因素幾率與因素隧穿條件隧穿條件條件條件條件條件1、基本結(jié)構(gòu)及條件、基本結(jié)構(gòu)及條件2、基本特性及條件、基本特性

3、及條件3、工作機(jī)制與機(jī)理、工作機(jī)制與機(jī)理4功率器件功率器件晶閘管晶閘管1、二端晶閘管、二端晶閘管2、三端晶閘管、三端晶閘管3、門極可關(guān)斷、門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管(GTO)4、雙向常規(guī)晶閘管、雙向常規(guī)晶閘管5、雙向、雙向門極可關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管6、光控晶閘管、光控晶閘管其它功率器件其它功率器件1、VDMOSFET2、IGBT121、基本結(jié)構(gòu)及條件、基本結(jié)構(gòu)及條件2、基本特性及條件、基本特性及條件3、工作機(jī)制與機(jī)理、工作機(jī)制與機(jī)理等效電路等效電路正正/ /負(fù)反饋負(fù)反饋5光電子器件光電子器件電子電子-光子相互作用機(jī)制光子相互作用機(jī)制1、受激吸收、受激吸收2、受激輻射、受激輻射3、自發(fā)、自發(fā)輻

4、射輻射發(fā)光器件發(fā)光器件1、發(fā)光二極管、發(fā)光二極管2、pn結(jié)激光器結(jié)激光器光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件1、太陽電池、太陽電池1、pn結(jié)光電二極管結(jié)光電二極管2、pin光電二極管光電二極管 具有放大能力光電轉(zhuǎn)換器件具有放大能力光電轉(zhuǎn)換器件1、光電導(dǎo)、光電導(dǎo)2、雪崩光電二極管（、雪崩光電二極管（APD）3、光電晶體管（、光電晶體管（BJT，F(xiàn)ET） 圖像傳感器圖像傳感器1、電荷耦合器件（、電荷耦合器件（CCD）2、CMOS圖像傳感器圖像傳感器1231、基本結(jié)構(gòu)及條件、基本結(jié)構(gòu)及條件2、基本特性及條件、基本特性及條件3、工作機(jī)制與機(jī)理、工作機(jī)制與機(jī)理6基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)條件基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)條件基本特性及工作條件

5、基本特性及工作條件工作機(jī)制與機(jī)理工作機(jī)制與機(jī)理重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握123基本物理概念基本物理概念( (結(jié)構(gòu)、機(jī)制、機(jī)理結(jié)構(gòu)、機(jī)制、機(jī)理) )載流子載流子( (光子光子) )輸運(yùn)的輸運(yùn)的基本物理過程基本物理過程載流子載流子( (光子光子) )輸運(yùn)的輸運(yùn)的基本物理圖像基本物理圖像重點(diǎn)理解重點(diǎn)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優(yōu)優(yōu) 勢勢1、多數(shù)載流子器件；、多數(shù)載流子器件；2、隧穿時間極短，工作頻率極高；、隧穿時間極短，工作頻率極高；3、有微分負(fù)阻，可用于振蕩電路；、有微分負(fù)阻，可用于振蕩電路；4、隧穿器件集成有望實(shí)現(xiàn)高速低功耗。、隧穿器件集成有望實(shí)現(xiàn)高速低功耗。9IVIpVVVpqVpqVn一、隧道一、隧道(江崎江崎)二極管二極管-Tunnel Diode （江崎江崎1958年博士論文期間發(fā)現(xiàn)，年博士論文期間發(fā)現(xiàn)，1973獲諾貝爾獎）獲諾貝爾獎） 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu) -簡并簡并pn結(jié)結(jié)； qVp、qVn 幾個幾個kT/q ； xm10nm1、基本、基本I-V特性特性 VV V Vp：負(fù)微分

7、電阻負(fù)微分電阻 0VI103、I-V特性基本機(jī)理分析特性基本機(jī)理分析隧穿效應(yīng)隧穿效應(yīng) 反偏：反偏：正偏正偏V零偏零偏VV0VVVpn帶帶間間隧隧穿穿電電流流降降為為時時當(dāng)當(dāng) 從態(tài)密度解釋從態(tài)密度解釋114、隧穿必要條件、隧穿必要條件 1）電子隧出一側(cè)存在電子占據(jù)態(tài)；）電子隧出一側(cè)存在電子占據(jù)態(tài)；2）電子隧入一側(cè)相同能級存在）電子隧入一側(cè)相同能級存在 未被電子占據(jù)態(tài)；未被電子占據(jù)態(tài)；3）隧道勢壘高度足夠低，寬度足夠窄；）隧道勢壘高度足夠低，寬度足夠窄；4）隧穿過程能量、動量守恒。）隧穿過程能量、動量守恒。5、隧穿、隧穿E-k關(guān)系關(guān)系 直接帶隙直接帶隙能量、動量守恒能量、動量守恒間接帶隙間接帶隙能

8、量守恒能量守恒動量守恒動量守恒聲子參與聲子參與聲子與初始電子能量之聲子與初始電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、隧穿幾率隧穿幾率 3qE2m4expTExqdx)xq(mexpdxxEUmexpdx)x(kexpT23gtg1xxxxCxxWBKABt故故場為常數(shù)，則：場為常數(shù)，則：近似取三角形勢壘內(nèi)電近似取三角形勢壘內(nèi)電，那么，那么取取電子從勢能底部進(jìn)入，電子從勢能底部進(jìn)入，101010222222222 xqxE0 xUCoxx gtEmT未考慮間接隧穿；未考慮間接隧穿；未考慮垂直動量。未考慮垂直動量。 ikxexp

9、xExU2mxkk-EC2 關(guān)系：關(guān)系：三角形勢阱，由三角形勢阱，由EgX0=0 x1A B EC(x)電流？電流？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經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式中較小者。中較小者。與與為為；其中其中式中式中 Egx1x2 1 1）隧穿電流隧穿電

10、流 7、電流電流- -電壓特性電壓特性平衡態(tài)：平衡態(tài)：加偏壓加偏壓：IVIpVVVpVE2E114 ppptVV1expVVII? pV當(dāng)偏壓使電子態(tài)分布的峰值與空穴分布的峰值當(dāng)偏壓使電子態(tài)分布的峰值與空穴分布的峰值對應(yīng)同一能量時的偏壓為峰值電流的電壓對應(yīng)同一能量時的偏壓為峰值電流的電壓3VV(VqEE3VqE3VqEEEEE3VqEE0dEd3VqEE0dEd1pnpFpFnpFpnFnmmmmpFpmpVnFnmVVV)(V)E(n)E(n)E(N)E(F()E(p)E(N)E(F)E(npnpnnnnCVVpVCCnCCCC 時電流達(dá)極值，即時電流達(dá)極值，即在在有峰值時能量有峰值時能量當(dāng)

11、當(dāng)有峰值時能量有峰值時能量當(dāng)當(dāng)電子濃度分布電子濃度分布空穴濃度分布空穴濃度分布qVpqVn*152）過剩）過剩電流電流隧穿路徑：隧穿路徑： CAD CBD CABD CD電子需隧穿的能量電子需隧穿的能量BD（勢壘高度）：（勢壘高度）： EXEg+q(Vn + Vp ) qV = q(Vbi-V) V4Vxbi3x2tx2x23xtVVCexpJJVVqCexpDCTDCJ3qE2m4expT 經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式過剩電流密度過剩電流密度隧穿幾率隧穿幾率Dx: B點(diǎn)占據(jù)態(tài)密度點(diǎn)占據(jù)態(tài)密度21)(2)( DASDAbix12mNNNNVVqqExxx xxxJVJDABDCqVbiqVbi163）pn

12、結(jié)擴(kuò)散結(jié)擴(kuò)散電流電流 1exp0kTqVJJd 1exp0kTqVJVVCexpJVV1expVVJJJJJV4Vpppdxt電流電流- -電壓特性電壓特性17178、器件等效電路器件等效電路LSRSCj- -R寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)最小負(fù)阻最小負(fù)阻RminIVqVpqVn189、頻率特性及應(yīng)用頻率特性及應(yīng)用 - -工作條件工作條件LSRSCj- -R寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)最小負(fù)阻最小負(fù)阻R RminminIV 222)(1)(1jjSjSinRCRCLjRCRRZ 輸入阻抗：輸入阻抗：1RRRC21fSjr 電阻截至頻率電阻截至頻率實(shí)部為零頻率實(shí)部為零頻率2jjSx)RC

13、(1CL121f 電電抗抗截截止止頻頻率率虛虛部部為為零零頻頻率率0r0rrSminjmin0rminfff1RRCR21fR低低于于換換言言之之，有有負(fù)負(fù)阻阻時時頻頻率率為為電電阻阻為為零零的的最最高高頻頻率率處處，則則電電阻阻截截止止頻頻率率偏偏置置在在 容容性性阻阻抗抗換換言言之之，頻頻率率再再低低為為電電為為電電抗抗為為零零的的最最低低頻頻率率處處，則則電電抗抗截截止止頻頻率率偏偏置置在在0 xx2jminjS0 xminff)CR(1CL121fR 二二極極管管工工作作于于負(fù)負(fù)阻阻區(qū)區(qū)二二極極管管發(fā)發(fā)生生振振蕩蕩若若00r0 x0 x00rffffff 工作頻率工作頻率,此時有負(fù)阻和

14、電抗此時有負(fù)阻和電抗此時為負(fù)阻和容抗此時為負(fù)阻和容抗寄生電阻與電寄生電阻與電感要做小感要做小19LSRSCj- -R寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)開關(guān)速度開關(guān)速度取決于充放電時常數(shù)取決于充放電時常數(shù)-RC 希望隧穿電流大希望隧穿電流大表征參數(shù)：表征參數(shù)：速度指數(shù)速度指數(shù)(品質(zhì)因子品質(zhì)因子)Ip/Cj(VV)速度指數(shù)速度指數(shù)Jp耗盡層寬度耗盡層寬度速度指數(shù)與耗盡層寬度及峰值電流關(guān)系示意圖速度指數(shù)與耗盡層寬度及峰值電流關(guān)系示意圖最小負(fù)阻最小負(fù)阻R RminminIVIpVVVpV20基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 工作機(jī)制工作機(jī)制 工作機(jī)理工作機(jī)理輸運(yùn)過程輸運(yùn)過程 物理圖像物理圖像思考題思考題 若系弱簡并若系

15、弱簡并pn結(jié)，結(jié)，I-V特性曲線如何？特性曲線如何？ 若由強(qiáng)逐漸過渡弱簡并，若由強(qiáng)逐漸過渡弱簡并，I-V特性規(guī)律特性規(guī)律 如何？如何？21二、反向二極管二、反向二極管（ Backword Diode ）IVIV弱簡并弱簡并更弱簡并更弱簡并機(jī)理？機(jī)理？峰值電流小峰值電流小峰值電流小峰值電流小機(jī)理？機(jī)理？22結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡并簡并pnpn結(jié)；結(jié)；隧穿隧穿條件；條件；峰值電流峰值電流簡并度；簡并度；電流成份電流成份隧穿電流，過剩電流，熱電流隧穿電流，過剩電流，熱電流23作作 業(yè)業(yè)1 1、依據(jù)隧道二極管、依據(jù)隧道二極管I-VI-V特性曲線，敘述其基本結(jié)構(gòu)特性曲線，敘述其基本結(jié)構(gòu)條件、工作機(jī)制與機(jī)理，以及其振

16、蕩及負(fù)阻工作條件、工作機(jī)制與機(jī)理，以及其振蕩及負(fù)阻工作條件；條件；2 2、依據(jù)反向二極管、依據(jù)反向二極管I-VI-V特性曲線，敘述其基本結(jié)構(gòu)特性曲線，敘述其基本結(jié)構(gòu)條件、工作機(jī)制與機(jī)理。條件、工作機(jī)制與機(jī)理。3 3、試畫出、試畫出pnpn結(jié)由簡并到弱簡并，再到非簡并條件下結(jié)由簡并到弱簡并，再到非簡并條件下I-VI-V特性曲線示意圖（特性曲線示意圖（p p區(qū)、區(qū)、n n區(qū)同）。區(qū)同）。24三、三、MIS隧道二極管隧道二極管（ MIS Tunnel Diode ）1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)2、基本原理、基本原理隧穿效應(yīng)。隧穿效應(yīng)。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隧道二極管隧道二極管（ MIM Tunnel Diode ）1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)2、基本原理、基本原理EFmEFm26五、隧穿熱電子晶體管五、隧穿熱電子晶體管 （ Tunneling HOT Electron Transistor ）優(yōu)點(diǎn)：潛在增益大、速度高、電流大優(yōu)點(diǎn)：潛在增益大、速度高、電流大2、基本原理、基本原理隧穿熱電子轉(zhuǎn)移放大器隧穿熱電子轉(zhuǎn)移放大器(THETA)1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)-放大狀態(tài)偏置放大狀態(tài)偏置EFmEFm發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)M-I-M-I- MEFm發(fā)射

18、區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)M-I-M-SEFm發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)M-I-p-n集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)窄窄 帶帶本征寬帶本征寬帶1030nm750nm100250nm27六、六、MIS開關(guān)二極管開關(guān)二極管（ MIS Switch Diode -MISS）1、基本結(jié)構(gòu)及特性、基本結(jié)構(gòu)及特性VAKIVSVhIhnP+AKt0 x=1.54nm優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度高優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度高 1ns應(yīng)用：數(shù)字邏輯應(yīng)用：數(shù)字邏輯 移位寄存器移位寄存器 存儲器存儲器 振蕩電路振蕩電路 缺點(diǎn)：柵氧一致性差缺點(diǎn)：柵氧一致性差EFm平衡態(tài)平衡態(tài)282、工作機(jī)制與機(jī)理、工作機(jī)制與機(jī)理VAKIVSVh1.

19、5Ih1) 正柵壓正柵壓:VAK 0 pn結(jié)反偏；結(jié)反偏；半導(dǎo)體表面堆積；半導(dǎo)體表面堆積；電流為電流為pn結(jié)結(jié)耗盡層產(chǎn)生流、反向擴(kuò)散流的隧耗盡層產(chǎn)生流、反向擴(kuò)散流的隧穿穿,直至擊穿。直至擊穿。212)|(|2 DbiAKSGiGjiGNVVqnWqnJ VAK 0 2、工作機(jī)制與機(jī)理、工作機(jī)制與機(jī)理a.|V|VS|： pn結(jié)正偏結(jié)正偏; n型表面深耗盡型表面深耗盡; 電流主要是表面耗盡層產(chǎn)生流電流主要是表面耗盡層產(chǎn)生流2122DSSGiGDiGNqnWqnJ b.|V|=|VS|：表面深耗盡層與表面深耗盡層與pn結(jié)耗盡層穿通結(jié)耗盡層穿通 S2fDSS2)WW(qNV 表面勢表面勢正偏正偏pnp

20、n結(jié)耗結(jié)耗盡層寬度盡層寬度表面勢表面勢|V|VS|AnP+AKW+|V|=|VS|VAKIVSVhIhEFmEFmWDVVVAKAK =C =C|V|=|VS|EFmEFmEFm31穿通；穿通；積累；積累；表面勢；表面勢；隧穿幾率隧穿幾率3232七、共振隧穿二極管七、共振隧穿二極管（ Resonant Tunnel Diode ） 量子隧穿產(chǎn)生負(fù)阻量子隧穿產(chǎn)生負(fù)阻1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)2、基本特性、基本特性n+n+iii 5nm1.55nm簡并發(fā)射區(qū)簡并發(fā)射區(qū)簡并收集區(qū)簡并收集區(qū)iiEVEVECEC應(yīng)用：應(yīng)用： 振蕩器振蕩器 1THz; 多值邏輯；多值邏輯； 存儲器；存儲器；-3、工作機(jī)制、工

21、作機(jī)制-隧穿效應(yīng)隧穿效應(yīng)JV負(fù)阻負(fù)阻負(fù)阻負(fù)阻334、工作機(jī)理、工作機(jī)理量子化效應(yīng)量子化效應(yīng)1) 勢阱內(nèi)載流子能量量子化（勢阱內(nèi)載流子能量量子化（z方向）方向） 勢阱中電子遵循薛定諤方程勢阱中電子遵循薛定諤方程: : zyxEzyx)z(Vzyxm222 Lz00LZ0zV)z(V0)z()yx()zyx( V與與x、y無關(guān)無關(guān) zyxEzyx)z(Vzyxm 222w0V0zwn+n+iiiEFEFEFEnECwxy34 )kk(m2EykxkjexpAy,x)y,x(E)y,x(m2x2y2x2xyyxxy22 解之有解之有波函數(shù)形式波函數(shù)形式平面內(nèi)：平面內(nèi)：、 y分離變量法求解：分離變量法

22、求解： mEmm8nhm8nhm2)n(EE0zsinzzczsinBzEm2)z(E)z(m2zn22222222nzwz2z2z222kkk2wEww4321nnw0c00222y2x2wz0z總能量總能量導(dǎo)帶底參考點(diǎn)導(dǎo)帶底參考點(diǎn)故故，即即，；有有，邊界條件邊界條件解之有解之有令令方向：方向： zyxEzyx)z(Vzyxm 222x、y方向能量連續(xù)方向能量連續(xù)- 2DEG（2DHG）導(dǎo)帶能量量子化導(dǎo)帶能量量子化n+n+iiiEFEFEFEnECw價帶類似價帶類似0V0zw35 度降低而減少度降低而減少能級數(shù)與能級間隔隨深能級數(shù)與能級間隔隨深對于有限深勢阱，量子對于有限深勢阱，量子有效禁帶

23、寬度有效禁帶寬度22h222e23Dgeffgnwm2)(nwm2)(EE EhhELh價帶有類似結(jié)果價帶有類似結(jié)果,3 ,2 , 1nWm8nEE,3 ,2 , 1nWm8nEE2h22nvVw2e22Cwne EhhELh362) 工作機(jī)制與機(jī)理工作機(jī)制與機(jī)理-隧穿隧穿n+n+iiiEFEFEFEnECw低溫下，發(fā)射區(qū)低溫下，發(fā)射區(qū)EC與與En對齊電流最大；對齊電流最大；考慮散射，考慮散射，En在發(fā)射區(qū)在發(fā)射區(qū)Ef以下形成隧穿電流；以下形成隧穿電流；En位于位于Ef 與與EC之間時有最大電流。之間時有最大電流。JVacVpbabCE EF F低于低于E E1 1不會隧穿不會隧穿373) 工

24、作條件工作條件-隧穿能量與動量守恒隧穿能量與動量守恒動量：隧穿方向動量動量：隧穿方向動量 橫向動量橫向動量能量：能量： 2mk2mk2mkW8mn2mk2mk222z222222222zw2ffCEwCwwCwwEEhEEE發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)內(nèi)內(nèi)阱阱隧穿方向動量隧穿方向動量橫向動量橫向動量Exy隧穿：能量守恒隧穿：能量守恒EE(發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))= Ew (阱區(qū)阱區(qū)) 橫向動橫向動量守恒量守恒EnEF 隧穿幾率極低隧穿幾率極低EF EC有隧穿有隧穿En EC隧穿幾率極低隧穿幾率極低EkECEFEkE1(En)wEkECEFEk E1(En)wE En n位于位于E Ef f 與與E EC C之間時有之間

25、時有最大電流最大電流VJ負(fù)阻負(fù)阻負(fù)阻負(fù)阻 2mk2mk2222wf 2mk2mk2222wfEkECEFEkE1(En)w發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)阱區(qū)阱區(qū)k kw38原因：原因：散射，聲子輔助隧穿，散射，聲子輔助隧穿，熱電子發(fā)射，等。熱電子發(fā)射，等。4) 隧穿幾率隧穿幾率 設(shè)：發(fā)射區(qū)、收集區(qū)與阱隧穿幾率分別為設(shè)：發(fā)射區(qū)、收集區(qū)與阱隧穿幾率分別為TE、TC 當(dāng)入射載流子能量與勢阱內(nèi)以量子化能級匹配時，隧穿幾率當(dāng)入射載流子能量與勢阱內(nèi)以量子化能級匹配時，隧穿幾率1)(4)(2 CECEnTTTTEET當(dāng)入射載流子能量與勢阱內(nèi)以量子化能級不匹配時，當(dāng)入射載流子能量與勢阱內(nèi)以量子化能級不匹配時，隧穿幾率隧穿幾率:

26、CETTT 對稱勢壘對稱勢壘,TE=TC110-410-8隧穿幾率隧穿幾率能量能量En395、共振隧穿電流、共振隧穿電流dEETENqJ)()(2 N(E):發(fā)射區(qū)單位面積能量發(fā)射區(qū)單位面積能量E電子數(shù)電子數(shù)決定電流機(jī)制是決定電流機(jī)制是TE ，阱到，阱到收集區(qū)隧穿限制少收集區(qū)隧穿限制少能量守恒能量守恒動量守恒動量守恒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；能量動量守恒能量動量守恒41作業(yè)：作業(yè)：1、試簡要敘述隧穿二極管、

27、反向二極管、試簡要敘述隧穿二極管、反向二極管、MIS開關(guān)二極管、共振隧穿二極管的工作開關(guān)二極管、共振隧穿二極管的工作機(jī)制及其機(jī)制及其I-V特性形成機(jī)理；特性形成機(jī)理；2、試證明、試證明,如果電流注入漂移區(qū)存在時間延如果電流注入漂移區(qū)存在時間延遲，那么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一遲，那么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一定條件即可產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。定條件即可產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。 4242CH 9 IMPATT和相關(guān)渡越時間二極管和相關(guān)渡越時間二極管Impact Ionization Avalanche Transit Time Diode and Related Transit Time Diode 一、一、I

28、MPATT(碰撞電離雪崩渡越時間碰撞電離雪崩渡越時間)二極管二極管二、二、BARITT(勢壘注入渡越時間勢壘注入渡越時間)二極管二極管三、三、TUNNETT (隧道渡越時間隧道渡越時間)二極管二極管 （另一類機(jī)理負(fù)阻器件）（另一類機(jī)理負(fù)阻器件）43漂移區(qū)漂移區(qū) v=vs0Wx43# #、注入注入時間延遲和渡越時間效應(yīng)時間延遲和渡越時間效應(yīng) tjexpJjexpJ)(J 0c漂移區(qū)電流：傳導(dǎo)電流與位移電流漂移區(qū)電流：傳導(dǎo)電流與位移電流)(exp1xxxxxxsdcdcssssssSvxjjJ)x(E)x(EjvxjexpjexpJJ)(J)(J)tjexp(E)x(E)x(Ejt)x(E)(Jv

29、xjexpjexpJvxtjexpJ)(J)(J)(JJ)(J)(J 總總總總0漂移區(qū)總電流漂移區(qū)總電流4444 渡越角渡越角勢壘電容勢壘電容積分，有交流阻抗積分，有交流阻抗到到從從ssDDssssvWWCjjexpjexpCjvWjvWjexpjexpWjdx)x(EJZvxjjJ)x(E 1111111W0)(exp1W0s雪崩區(qū)雪崩區(qū)漂移區(qū)漂移區(qū) v=vs0Wx45Csin)sin(C1XC)cos(-cosRjjexp1jexp1Cj1ZDDDD 阻阻抗抗虛虛部部阻阻抗抗實(shí)實(shí)部部結(jié)論：結(jié)論：1、注入相位角、注入相位角=0，無負(fù)阻；，無負(fù)阻；2、注入相位角、注入相位角0，滿足一定條件產(chǎn)生

30、負(fù)阻。滿足一定條件產(chǎn)生負(fù)阻。 如：如： =時，時， r負(fù)阻負(fù)阻近似近似564、大信號負(fù)阻特性分析、大信號負(fù)阻特性分析 雪崩區(qū)產(chǎn)生的電子波包在漂移區(qū)雪崩區(qū)產(chǎn)生的電子波包在漂移區(qū) 移動感生外電流。移動感生外電流。 外電流密度外電流密度 雪崩區(qū)產(chǎn)生的電子波包密度雪崩區(qū)產(chǎn)生的電子波包密度: :Qava ； 陽極感生電荷密度：陽極感生電荷密度：QA(t) 雪崩區(qū)注入漂區(qū)的電流遲后雪崩區(qū)注入漂區(qū)的電流遲后180180，始終有負(fù)阻；，始終有負(fù)阻； 漂移區(qū)渡越角漂移區(qū)渡越角180180負(fù)阻最大。負(fù)阻最大。 最佳工作頻率最佳工作頻率-周期為二倍渡越時間周期為二倍渡越時間 ADsavaACADsavaADAava

31、AxWvQttQJxWtvQxWxxQtQVVBttt輸出電流輸出電流雪崩注入電流雪崩注入電流雪崩區(qū)雪崩區(qū)漂移區(qū)漂移區(qū) V=VSxAWD0 x DssADWvvxWf221 57IMPATT二極管振蕩器原理電路二極管振蕩器原理電路電流源偏置電路電流源偏置電路電壓源偏置電路電壓源偏置電路外端諧振器諧振頻率與外端諧振器諧振頻率與IMPATT相同；相同；直流偏置時的正反饋，可在直流偏置時的正反饋，可在IMPATT二端形成滿足要求的二端形成滿足要求的 電流、交流電壓信號和穩(wěn)定的交流輸出波形；電流、交流電壓信號和穩(wěn)定的交流輸出波形；輸出電流脈沖的結(jié)束時間由渡越延遲決定。輸出電流脈沖的結(jié)束時間由渡越延遲決

32、定。 RLRLVVBttt輸出電流輸出電流雪崩注入電流雪崩注入電流58功率功率-頻率限制頻率限制 最大電流最大電流 232222242DssmDsssmmssmDssmmDCmmmDssmDsavaACmWvEWvvEfpvEWvEEWJVpWvEWvQttQJ 21fp 最大功率最大功率功率功率-頻率積頻率積功率功率-頻率限制頻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輸輸出出功功率率漂移區(qū)直流電壓漂移區(qū)直流電壓調(diào)制因子調(diào)制因子漂移區(qū)交流漂移區(qū)交流 電壓幅值電壓幅值雪崩區(qū)直流電壓雪崩

33、區(qū)直流電壓60雪崩區(qū)產(chǎn)生電荷滯后；雪崩區(qū)產(chǎn)生電荷滯后；漂移區(qū)渡越時間漂移區(qū)渡越時間6161二、二、BARITT二極管二極管(勢壘注入渡越時間二極管勢壘注入渡越時間二極管) (Barrier Injection Transit Time Diode) 利用利用pnpn結(jié)結(jié)或金半結(jié)或金半結(jié)少子注入延遲和渡越漂移區(qū)延遲形成負(fù)阻少子注入延遲和渡越漂移區(qū)延遲形成負(fù)阻工作電壓：工作電壓： VFB V VRT1、基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) MMnEEExxxp+np+EEExxx穿通穿通VRT平帶平帶VFBMnp+EEExxx低偏壓低偏壓+-+-勢壘結(jié)勢壘結(jié)62622、基本特性、基本特性 VVtttJ注入電流注入電流

34、輸出電流輸出電流J取決于渡越時間取決于渡越時間VFBVVRT3、基本、基本機(jī)理機(jī)理 1）偏置于穿通與平帶之間）偏置于穿通與平帶之間 2）耗盡層穿通；）耗盡層穿通； 3）正偏結(jié)少子注入延遲；）正偏結(jié)少子注入延遲； 4）注入少子渡越漂移區(qū)延遲。）注入少子渡越漂移區(qū)延遲。634、穿通電壓與平帶電壓穿通電壓與平帶電壓 s21bi221s2211s2211222121221222121121221121212221112VV322222220222222221 WqNVWWVqNWWqNVVqNWWqNVqNVVVqNWWWWWWWWWVVVqNVVVqNVVqNVVqNWWWVVVqNWVVqNWDF

35、BDsbiDDbisDDRTDRTsbiDsDDDDDDbiRTDRTsbiDsbiDsbiDsDDRTbiDsDbiDsD 且且，）平帶電壓）平帶電壓）穿通電壓）穿通電壓）低偏壓耗盡層寬度）低偏壓耗盡層寬度p+np+ExExEx穿穿 通通平平 帶帶低低 壓壓WD1WD2WV2V1ppWD2WD1+V2V164 穿通后電流迅速增加。穿通后電流迅速增加。結(jié)耗盡層產(chǎn)生流；結(jié)耗盡層產(chǎn)生流；穿通前電流為反偏穿通前電流為反偏有有由由結(jié)正偏電流結(jié)正偏電流）穿通后）穿通后，邊界條件：邊界條件：有穿通后電流密度有穿通后電流密度積分二次，利用積分二次，利用漂移區(qū)漂移區(qū)則則若若為為穿通后金半結(jié)正偏電流穿通后金半結(jié)

36、正偏電流pn020 xV0 x2120 x0 xs22 FBFB2*BpFBDsDFBsssDsDsFBFBBp2*1biBp2*1biBp2*V4kTVVqexpTAJ，a：pnEVVNqVJWqNVVJqVJNqdxxdENqVJaV4kTVVqexpkTqexpTA1kTVVqexpkTqexpTA1kTqVexpkTVqexpTAJ) FB2FBbiRTRTDbisDbisDDRTFB2FBbi4VVVVVVVWqNVVqNWVVqNWWqNV4VVVVV 1s2211211s21V2222，則則有有二二邊邊平平方方，并并近近似似取?。?、電流輸運(yùn)、電流輸運(yùn) （VFB V VRT）65

37、6、小信號負(fù)阻、小信號負(fù)阻(VRTVn23）主能谷態(tài)密度）主能谷態(tài)密度 kT, E Eg機(jī)理：遷移率下降機(jī)理：遷移率下降81811 1、瞬態(tài)空間電荷效應(yīng)、瞬態(tài)空間電荷效應(yīng)( (以電子為例以電子為例) )四、微波振蕩機(jī)理四、微波振蕩機(jī)理 22001233211xt ,xnDt ,xnqnt ,xntt ,xnxxt ,xnqDt ,xEt ,xnqJnt ,xnqxt ,xExJqtt ,xnnnsnns ），有），有）帶入，并帶入（）帶入，并帶入（微分，將（微分，將（）對）對式（式（）（）（）（略產(chǎn)生與復(fù)合略產(chǎn)生與復(fù)合82 。長長衡電荷將隨時間指數(shù)增衡電荷將隨時間指數(shù)增即：負(fù)阻區(qū)，任何非平即：

38、負(fù)阻區(qū)，任何非平隨時間指數(shù)增長隨時間指數(shù)增長，則非平衡載流子電荷，則非平衡載流子電荷）若）若（隨時間衰減到平衡值；隨時間衰減到平衡值；，則非平衡載流子電荷，則非平衡載流子電荷）若）若（時間響應(yīng)解：時間響應(yīng)解：；有空間響應(yīng)解有空間響應(yīng)解分離變量：分離變量：,dJdEdJdEnqt ,xt ,xnqtexpn,xnnt ,xnxt ,xnDt ,xnqnt ,xntt ,xnnsssnsRRtnns020100000220 介質(zhì)弛豫時間介質(zhì)弛豫時間即：任一點(diǎn)處載流子的隨機(jī)起伏其濃度將隨時間指數(shù)增長即：任一點(diǎn)處載流子的隨機(jī)起伏其濃度將隨時間指數(shù)增長83振蕩模式：振蕩模式： 渡越時間偶極層模式渡越時間

39、偶極層模式； 理想均勻場模式；猝滅偶極層模式；積累層模式。理想均勻場模式；猝滅偶極層模式；積累層模式。2、TED振蕩機(jī)理振蕩機(jī)理 nn+n+nMnn+n+Mnn+陽極陽極陰極陰極GaAs(InP)GaAs(InP)GaAs(InP）電子加熱產(chǎn)生死區(qū)電子加熱產(chǎn)生死區(qū)熱電子直接注入熱電子直接注入熱電子直接注入熱電子直接注入+負(fù)阻區(qū)：電場強(qiáng)，遷移率低；負(fù)阻區(qū)：電場強(qiáng)，遷移率低； 非平衡載流子指數(shù)增長非平衡載流子指數(shù)增長+84渡越時間偶極層模式：渡越時間偶極層模式：1）偏置于負(fù)阻區(qū)，即：）偏置于負(fù)阻區(qū)，即：LE V， Vth E AlGaAs EJAlGaAsGaAs+-89實(shí)空間轉(zhuǎn)移實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管

40、晶體管(RST)-負(fù)阻器件負(fù)阻器件(材料間轉(zhuǎn)移材料間轉(zhuǎn)移) CDDSIIVSCDVCVDECEVn+n+n+ii室溫峰室溫峰-谷電流比高于谷電流比高于3400090實(shí)空間轉(zhuǎn)移實(shí)空間轉(zhuǎn)移器件（器件（RST）-邏輯器件邏輯器件V1V3V2電壓電壓 V1=0 V1=0 V1=0 V2:0 V3:高高 V2:高高 V3:高高 V2:0 V3:0電流電流 0 高高 高高 高高 0 0邏輯邏輯 或或or與與 與與 與與 v2v1v3vC電流大小判別電流大小判別電流大小判別電流大小判別91不同帶間轉(zhuǎn)移；不同帶間轉(zhuǎn)移；電流分流電流分流92主要類型：主要類型：1. 二端晶閘管二端晶閘管(SCR): 單向整流，不

41、能自關(guān)斷。單向整流，不能自關(guān)斷。2. 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)：單向整流，能自關(guān)斷。單向整流，能自關(guān)斷。3. 雙向晶閘管雙向晶閘管：雙向整流，不能自關(guān)斷。雙向整流，不能自關(guān)斷。4. 光控晶閘管光控晶閘管：單向整流，不能自關(guān)斷。單向整流，不能自關(guān)斷。主要特征：主要特征：反向阻斷電壓反向阻斷電壓(可承受的反向電壓可承受的反向電壓)高，能高于高，能高于10000V；正向?qū)娏鞔?，可大于正向?qū)娏鞔?，可大?000A。(雙極晶體管能承受的反向電壓不超過雙極晶體管能承受的反向電壓不超過2000V，電流，電流數(shù)百安數(shù)百安) 晶閘管：晶閘管： 雙極型大功率整流器件，功率處理能力強(qiáng)，可達(dá)

42、雙極型大功率整流器件，功率處理能力強(qiáng)，可達(dá)1MW以上。以上。CH 11 晶閘管和功率器件晶閘管和功率器件集成器件結(jié)構(gòu)中寄生器件集成器件結(jié)構(gòu)中寄生器件93一、一、 晶閘管基本結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管基本結(jié)構(gòu)及工作原理1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu): 四層、三個四層、三個pn結(jié)結(jié)雙極型半導(dǎo)體器件雙極型半導(dǎo)體器件四層四層-PNPN三端三端or二端二端引出電極：引出電極： 陽極（陽極（A）-輸出端輸出端(IA) 陰極（陰極（K）-共用端共用端(IK) 門極（門極（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(二個結(jié)正偏二個結(jié)正偏); VAK0（三端器件）：機(jī)

43、理同。（三端器件）：機(jī)理同。IG起控制轉(zhuǎn)折電壓作用起控制轉(zhuǎn)折電壓作用偏置條件：晶體管偏置條件：晶體管T1、T2都滿足放大條件。都滿足放大條件。2)T2進(jìn)入放大狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)T1進(jìn)入放大狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)T1、T2飽和飽和IA由負(fù)載決定由負(fù)載決定飽和壓降約飽和壓降約1V若柵極開路若柵極開路(IG=0)（二端器件）（二端器件）T1、T2截止截止IA為為p2N1結(jié)反向電流結(jié)反向電流倍增使電流放大系數(shù)增大倍增使電流放大系數(shù)增大1)反偏反偏一定條件一定條件迅速轉(zhuǎn)折迅速轉(zhuǎn)折IsVh正反饋正反饋975.轉(zhuǎn)折條件轉(zhuǎn)折條件IA = Ic1 + Ic2= 1IA + 2IA +2IG + IcR IK = IG

44、+ IA IA = M1IA + M2IA +M2IG + M IcR 電流經(jīng)集電結(jié)倍增，倍增因子電流經(jīng)集電結(jié)倍增，倍增因子 M：)(M1)II (MI21G2cRA M(1 + 2) =1轉(zhuǎn)折條件：轉(zhuǎn)折條件：驅(qū)使驅(qū)使T1、T2過渡至飽和導(dǎo)通狀態(tài)過渡至飽和導(dǎo)通狀態(tài)IcR = Ic1R + Ic2R Ic1 = 1IA + Ic1R Ic2 = 2IK + Ic2RIG作用：作用：IG1 、2 M轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓VBF IsVh986.轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓-VBF n1211BVBFV211nBVBFV11nBVV11M211M1 )21M( 故故又又7.反向轉(zhuǎn)折電壓反向轉(zhuǎn)折電壓-VBR 雪崩擊穿電

45、壓雪崩擊穿電壓n：與材料及低摻雜：與材料及低摻雜 側(cè)導(dǎo)電類型相關(guān)。側(cè)導(dǎo)電類型相關(guān)。 對對Si-N型側(cè)，型側(cè)，n=4 -P型側(cè)，型側(cè)，n=299當(dāng)晶閘管過渡到低壓、大電流時，當(dāng)晶閘管過渡到低壓、大電流時，不存在倍增效應(yīng)，即倍增因子不存在倍增效應(yīng)，即倍增因子M=1 那么那么)(1I)(1III21G221G2cRA 所以，晶閘管的所以，晶閘管的導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件為為 (1 + 2) =1 凡能使電流增加的機(jī)制都可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通凡能使電流增加的機(jī)制都可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通7.導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：IsVh分析問題應(yīng)用之一：分析問題應(yīng)用之一：CMOS寄生晶閘管寄生晶閘管100二、二、晶閘管派生器件晶閘管派生器件

46、 1、二端雙向晶閘管、二端雙向晶閘管 基本結(jié)構(gòu)及特性基本結(jié)構(gòu)及特性p2p1n4n2n1M1M2J3J2J4J1VMI-M2I1012、三端雙向晶閘管、三端雙向晶閘管 p2p1n4n3n2n1M1M2GJ3J2J4J5J1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 基本特性基本特性VMI-M2I短路作用：降低電流放大系數(shù)，提升轉(zhuǎn)折電壓；短路作用：降低電流放大系數(shù)，提升轉(zhuǎn)折電壓； 輔佐三端器件轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。輔佐三端器件轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。102 1）VM1 M2 0，VG-M2 0工作原理與常規(guī)器件同工作原理與常規(guī)器件同VG控制轉(zhuǎn)折電壓。控制轉(zhuǎn)折電壓。M2Gp1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0 2

47、）VM1 M2 0，VG-M2 0p2n3結(jié)正偏，結(jié)正偏，n3p2n1工作工作;電子流向電子流向n1;p2n1p1工作工作;晶閘管晶閘管p1n1p2n3導(dǎo)通；導(dǎo)通；p2區(qū)橫向壓降使區(qū)橫向壓降使p2n2導(dǎo)通導(dǎo)通 p1n1p2n2導(dǎo)通。導(dǎo)通。VG控制轉(zhuǎn)折電壓?？刂妻D(zhuǎn)折電壓。 基本原理：基本原理：M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0+- -p2103 3）VM1 M2 0柵壓使柵壓使p2n2正偏提升正偏提升-電子在電子在p2n1勢壘區(qū)電場作用下勢壘區(qū)電場作用下（n2p2n1）漂移至）漂移至n1-p2n1p1橫橫向電流使向電流使p1n4導(dǎo)通導(dǎo)通- p2n1p1 n4導(dǎo)通

48、；導(dǎo)通； VG控制轉(zhuǎn)折電壓?？刂妻D(zhuǎn)折電壓。柵壓使柵壓使p2n3正偏，之后過程與正偏，之后過程與上相同。上相同。p2n1p1n4導(dǎo)通工作；導(dǎo)通工作；柵極電壓使柵極電壓使p2n1結(jié)正偏提高，結(jié)正偏提高， VG控制轉(zhuǎn)折電壓?？刂妻D(zhuǎn)折電壓。 4）VM1 M2 0，VG-M2 0M2Gp2p1n4n3n2n1M1J3J2J4J5J1VG-M2 0VM1 M2 0VM1 M2 0+- - - - -1043、二端雙向、二端雙向npn nnpVMI-M2IM1M21054、光控晶閘管、光控晶閘管 由光能觸發(fā)的晶閘管由光能觸發(fā)的晶閘管 無柵極，無柵極，偏置與普通晶閘管相同。偏置與普通晶閘管相同。機(jī)理：機(jī)理：反

49、偏反偏J J2 2結(jié)勢壘區(qū)及結(jié)勢壘區(qū)及P P2 2、N N1 1區(qū)擴(kuò)散長度內(nèi)產(chǎn)生的區(qū)擴(kuò)散長度內(nèi)產(chǎn)生的空穴、電子分別漂移空穴、電子分別漂移到到P P2 2、N N1 1區(qū)，構(gòu)成二只區(qū)，構(gòu)成二只晶體管基極電流晶體管基極電流自建電場自建電場-+-+106106借助極性相反的門借助極性相反的門( (柵柵) )極極電壓既可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通又可電壓既可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通又可以自行關(guān)斷的晶閘管。以自行關(guān)斷的晶閘管。 1）基本結(jié)構(gòu)）基本結(jié)構(gòu) 2）導(dǎo)通與特性）導(dǎo)通與特性 導(dǎo)通原理、過程、條件與導(dǎo)通原理、過程、條件與普通晶閘管相同。普通晶閘管相同。 偏置條件與普通晶閘管相同；偏置條件與普通晶閘管相同；N2區(qū)是細(xì)而窄的長條區(qū)是細(xì)

50、而窄的長條5、門極可關(guān)斷晶閘管（、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1071073）關(guān)斷過程與機(jī)理）關(guān)斷過程與機(jī)理 柵極抽取電流使柵極抽取電流使T2脫離飽和脫離飽和G1c2bIII T2晶體管基極電流晶體管基極電流: )II (G1c K2I )1( 欲關(guān)斷，欲關(guān)斷，T2晶體管基極電流應(yīng)滿足：晶體管基極電流應(yīng)滿足：Ib2 Ib2ST2晶體管臨界飽和基極電流晶體管臨界飽和基極電流:K2S2bI )1(I 1081084）關(guān)斷條件）關(guān)斷條件GAKIII A11cII )II (G1c K2I )1 ( 200V: Repi起主導(dǎo)作用。起主導(dǎo)作用。 并隨擊穿電壓的提高，比例迅速增大。并隨擊穿電壓的提高，比例

51、迅速增大。BVDS 0，PNP晶體管滿足晶體管滿足 放大及飽和的偏置條件；放大及飽和的偏置條件；VGK VT， MOSFET導(dǎo)通，導(dǎo)通， 形成形成PNP晶體管的基極電晶體管的基極電 流，產(chǎn)生輸出電流；流，產(chǎn)生輸出電流；VGK 增大，輸出電流增大。增大，輸出電流增大。VGK 0VGS=0VGS0, VDS01. VGS較小時，溝道勢壘高，電流小，器件截止；較小時，溝道勢壘高，電流小，器件截止；2. VGS較大時，溝道勢壘降低，形成電流；較大時，溝道勢壘降低，形成電流；3. VGS再大時，中性溝道形成，且空穴從柵區(qū)注入溝道區(qū)再大時，中性溝道形成，且空穴從柵區(qū)注入溝道區(qū) 不可略，溝道電導(dǎo)調(diào)制，電流增

52、大，勢壘進(jìn)一步降低，進(jìn)入不可略，溝道電導(dǎo)調(diào)制，電流增大，勢壘進(jìn)一步降低，進(jìn)入 雙極模式雙極模式。4.溝道較窄，較小溝道較窄，較小VDS下溝道區(qū)載流子速度飽和，電流飽和。下溝道區(qū)載流子速度飽和，電流飽和。SIT模式模式1302）伏安特性和主要電參數(shù)）伏安特性和主要電參數(shù) 伏安特性伏安特性電流增益電流增益 大電流負(fù)溫度系數(shù)大電流負(fù)溫度系數(shù)速度飽和速度飽和VGS1313、靜電感應(yīng)晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管 靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（Static Induction Thyristor，簡稱，簡稱 SITH） 利用利用靜電感應(yīng)效應(yīng)靜電感應(yīng)效應(yīng)控制器件的工作，是一種自關(guān)斷器件?？刂破骷墓ぷ鳎且环N自

53、關(guān)斷器件。通態(tài)電阻小，正向壓降低，電流密度大，阻斷電壓高；開通態(tài)電阻小，正向壓降低，電流密度大，阻斷電壓高；開關(guān)速度快，功率損耗?。豢馆椛淠芰?qiáng)，工作溫度高。關(guān)速度快，功率損耗?。豢馆椛淠芰?qiáng)，工作溫度高。工作頻率可達(dá)工作頻率可達(dá)400kHz以上，比以上，比GTO高出一個數(shù)量級；高出一個數(shù)量級；SITH的可控功率達(dá)的可控功率達(dá)100kW以上。以上。1321）基本結(jié)構(gòu)和工作原理）基本結(jié)構(gòu)和工作原理 (1)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)將將SIT或或BSIT漏區(qū)漏區(qū)N+換成換成P+區(qū)區(qū)(2)常開型基本工作原理常開型基本工作原理 有：有：常開型；常開型；常閉型。常閉型。多為常開型。多為常開型。VGK=0，VAK0

54、,導(dǎo)通；導(dǎo)通；VGK0,靜電感應(yīng)。靜電感應(yīng)。1332)電流電流-電壓特性電壓特性 )VV(VKTqexpIIDGKnAKA 0正向阻斷電壓正向阻斷電壓 (2)阻斷電壓增益阻斷電壓增益 CIGKAKAdVdV (3)大電流轉(zhuǎn)折特性大電流轉(zhuǎn)折特性 (1)小電流特性小電流特性pn正向?qū)妷海驅(qū)妷?，?dǎo)通電阻小導(dǎo)通電阻小機(jī)理：機(jī)理：夾斷狀態(tài)夾斷狀態(tài)pnp導(dǎo)通導(dǎo)通134作業(yè)作業(yè)1、試基于隧道二極管、試基于隧道二極管、MIS開關(guān)二極管、共振隧穿開關(guān)二極管、共振隧穿二極管，二極管，IMPATT二極管、二極管、BARITT二極管，轉(zhuǎn)移二極管，轉(zhuǎn)移電子器件的電子器件的I-V特性曲線特性曲線，分別簡述（畫

55、出）它們分別簡述（畫出）它們的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)條件、產(chǎn)生負(fù)阻（震蕩）的工的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)條件、產(chǎn)生負(fù)阻（震蕩）的工作機(jī)制（條件）及機(jī)理；作機(jī)制（條件）及機(jī)理；2、 試證明試證明,如果電流注入漂移區(qū)存在時間延遲，那如果電流注入漂移區(qū)存在時間延遲，那么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一定條件即可產(chǎn)么在載流子渡越漂移區(qū)時間滿足一定條件即可產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)生負(fù)阻效應(yīng)；3、試從載流子一維連續(xù)性方程，證明若半導(dǎo)體材料、試從載流子一維連續(xù)性方程，證明若半導(dǎo)體材料處負(fù)微分遷移率狀態(tài)（負(fù)阻區(qū)）處負(fù)微分遷移率狀態(tài)（負(fù)阻區(qū)）,產(chǎn)生的非平衡載產(chǎn)生的非平衡載流子將隨時間增長。流子將隨時間增長。135第第篇篇 光電子器件光電子器件P

56、hotonic Devices 緒緒 光子與電子相互作用物理過程光子與電子相互作用物理過程 Ch 12 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器 Ch 13 光電探測器光電探測器 Ch 14 太陽電池太陽電池136緒緒 光子與電子相互作用物理過程光子與電子相互作用物理過程137緒緒 光子與電子相互作用物理過程光子與電子相互作用物理過程一、介電常數(shù)、折射率與吸收系數(shù)一、介電常數(shù)、折射率與吸收系數(shù) 介電常數(shù)表征介質(zhì)宏觀電學(xué)性質(zhì)；介電常數(shù)表征介質(zhì)宏觀電學(xué)性質(zhì)； 折射率折射率與與吸收系數(shù)吸收系數(shù)描述光在介質(zhì)中的傳播。描述光在介質(zhì)中的傳播。二、半導(dǎo)體光吸收二、半導(dǎo)體光吸收 吸收機(jī)制吸收機(jī)制與機(jī)理

57、與機(jī)理三、半導(dǎo)體光輻射三、半導(dǎo)體光輻射 輻射（發(fā)光）機(jī)制輻射（發(fā)光）機(jī)制與機(jī)理與機(jī)理四、光子與電子相互作用物理過程四、光子與電子相互作用物理過程138一、折射率與吸收系數(shù)一、折射率與吸收系數(shù) 1、折射率：光在半導(dǎo)體中傳播服從、折射率：光在半導(dǎo)體中傳播服從Maxwell方程方程)5(0EEE-E)(E)H(tE21)4(0)3(0)2()1(220002222200000 tEtEtEtEEHtEEHtHErrr 又又）式有）式有）、（）、（由（由（0 、0 真空真空 介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；r媒質(zhì)相對介電常數(shù)媒質(zhì)相對介電常數(shù)139設(shè)設(shè):沿沿z方向傳播的平面波電場在方向傳播的平面波電

58、場在y方向偏振方向偏振 則：波動方程則：波動方程(5)變?yōu)樽優(yōu)?5(0E22000y2 tEtEyry 光波衰減。光波衰減?！狈Q為消光系數(shù)，引起”稱為消光系數(shù)，引起“子吸收所引起。子吸收所引起。的產(chǎn)生機(jī)理系自由載流的產(chǎn)生機(jī)理系自由載流。時，時，在在似形式與結(jié)果）似形式與結(jié)果）的類的類方向振動的磁場有相同方向振動的磁場有相同衰減（對于在衰減（對于在可見，光波振幅按可見，光波振幅按有有，并代入，并代入基于基于；是復(fù)數(shù)，可設(shè)其為：是復(fù)數(shù)，可設(shè)其為：時，折射率時，折射率在在故故真空中光速真空中光速折射率，折射率，有，有代入代入電場形式為電場形式為KKKKK1c 00 xczexp)cnz-(tjexp

59、cz-expEE)6(NcvjKnNN0jjcNc-NNcvjv1(5)(6)vz-(texpjEE0y0r0000r22000r0020y 速度速度140結(jié)論：結(jié)論： 1.光波在光波在 介質(zhì)中以速度介質(zhì)中以速度c/N沿沿z方向傳播時，其方向傳播時，其 分別在分別在y與與x方向偏振的電場和磁場矢量的振幅方向偏振的電場和磁場矢量的振幅 都按都按 衰減。衰減。0 cKz exp 2.折射率折射率 N=n-jK，成為復(fù)數(shù)。，成為復(fù)數(shù)。 n是通常的折射是通常的折射 率，率，K表征光振幅衰減的參數(shù)，稱為消光系數(shù)。表征光振幅衰減的參數(shù)，稱為消光系數(shù)。3.光振幅衰減是由于介質(zhì)內(nèi)存在自由電荷，光波光振幅衰減是

60、由于介質(zhì)內(nèi)存在自由電荷，光波 的部分能量激起傳導(dǎo)電流。的部分能量激起傳導(dǎo)電流。1412、吸收系數(shù)、吸收系數(shù) 處被基本吸收。處被基本吸收?？梢?，光子在距表面可見，光子在距表面處光強(qiáng)為處光強(qiáng)為那么，材料那么，材料若表面起始光強(qiáng)為若表面起始光強(qiáng)為即：即：內(nèi)吸收能量為內(nèi)吸收能量為則，在則，在單位距離吸收系數(shù)為單位距離吸收系數(shù)為設(shè)：光強(qiáng)度為設(shè)：光強(qiáng)度為級躍遷至高能級。級躍遷至高能級。或吸收光子能量從低能或吸收光子能量從低能躍遷到導(dǎo)帶躍遷到導(dǎo)帶價帶電子吸收光子能量價帶電子吸收光子能量機(jī)理：若機(jī)理：若 14e0pxPx0PxPdxxdPdxxPxPdxcmxPEhEx1g d,;,常用半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)與光