Understanding Modern Transistors and Diodes

Half-title......Page 3
Title......Page 5
Copyright......Page 6
Dedication......Page 7
Contents......Page 9
Preface......Page 17
1 Introduction......Page 21
2.1 Periodic structures......Page 23
2.2 Periodic potential......Page 24
2.3 Schrodinger's equation......Page 26
2.4 Energy bands......Page 27
2.5 Reduced-zone plot......Page 30
2.6 Origin of the bandgaps......Page 31
2.7 Quantum states and material classification......Page 32
2.8 Band structure of real semiconductors......Page 33
2.9 Crystal momentum and effective mass......Page 36
2.9.1 Negative effective mass......Page 38
2.9.3 Parabolic-band approximation......Page 40
2.10 Constant-energy surfaces......Page 41
2.11 Effective-mass Schrodinger equation......Page 43
2.12 Energy-band diagram......Page 45
Exercises......Page 46
References......Page 48
3.1.1 Thermal generation......Page 50
3.1.2 Optical generation......Page 53
3.1.3 Electrical generation......Page 54
3.1.4 Chemical generation......Page 55
3.2 Recombination......Page 57
3.2.1 Band-to-band recombination......Page 58
3.2.2 Recombination-generation-centre recombination......Page 59
3.2.3 Auger recombination......Page 60
3.2.4 Recombination lifetime......Page 61
3.3 Carrier concentrations......Page 63
3.4.2 Holes......Page 66
Exercises......Page 67
References......Page 68
4.1 Collisions......Page 69
4.2 The Fermi level......Page 71
4.3 Equilibrium carrier concentrations and the Fermi level......Page 73
4.4 Equations involving intrinsic properties......Page 76
4.5 Mean unidirectional velocity of an equilibrium distribution......Page 77
4.5.2 Current and vR......Page 80
Exercises......Page 81
References......Page 82
5.1 Charge, current and energy......Page 83
5.2 The Boltzmann Transport Equation......Page 84
5.2.2 The continuity equations......Page 85
The Drift-Diffusion Equation......Page 87
The Hydrodynamic Equations......Page 88
5.3 The device equation set......Page 89
5.4 Mobility......Page 91
5.4.1 Empirical expressions for mobility......Page 93
Conductivity effective mass for holes......Page 94
5.5 Current......Page 95
5.5.1 Drift current......Page 96
5.5.2 Diffusion current......Page 97
5.5.3 Thermal current......Page 99
5.6 Ballistic transport......Page 100
5.7.1 Probability density current......Page 101
5.7.2 Transmission probability......Page 103
5.7.3 Tunnel current......Page 105
Tunnelling from a continuum of states......Page 106
Exercises......Page 107
References......Page 110
6.1 np-junction at equilibrium......Page 111
6.1.1 The built-in voltage......Page 113
6.1.2 Constructing an equilibrium energy-band diagram......Page 114
6.1.3 Potential profile......Page 115
6.2 The Depletion Approximation......Page 116
6.3 np-junction under bias......Page 118
6.3.2 Quasi-neutrality......Page 120
6.4 Quasi-Fermi levels......Page 122
6.5 Shockley's Law of the Junction......Page 125
6.6 The ideal-diode equation......Page 126
6.6.1 Deviations from ideality in diodes......Page 128
6.7 Np-junction electrostatics......Page 129
6.7.2 Junction space-charge region......Page 130
6.7.3 Quasi-Fermi-level splitting......Page 131
6.8 Emitter injection efficiency......Page 133
Exercises......Page 134
References......Page 135
7.1 The Sun as an electrical resource......Page 136
7.2 Absorption......Page 138
7.3 Generation......Page 139
7.4 Photocurrent......Page 140
7.4.1 Surface recombination velocity......Page 141
7.4.2 Emitter photocurrent......Page 142
7.4.4 Space-charge-layer photocurrent......Page 143
7.4.5 Total photocurrent......Page 144
7.5 Photovoltage......Page 146
7.5.1 Photovoltaic power......Page 148
7.6.1 Thin-film solar cells......Page 151
7.6.2 Tandem-junction cells......Page 152
7.7 Prospects for terrestrial photovoltaic power generation......Page 153
Exercises......Page 155
References......Page 156
8.1 Voltage efficiency......Page 158
8.2 Current efficiency......Page 160
8.2.1 Heterojunction diodes......Page 161
8.3 Radiative recombination efficiency......Page 162
8.4 Extraction efficiency......Page 163
8.6 Luminous efficacy and efficiency......Page 166
8.7 White-light LEDs......Page 167
8.8 Prospects for general-purpose solid-state lighting......Page 169
Exercises......Page 171
References......Page 172
9 HBT basics......Page 173
9.1 Basic properties......Page 174
9.2 Collector current......Page 176
9.3 Base current......Page 181
9.3.1 Recombination in the base......Page 182
9.3.2 Hole injection into the emitter......Page 183
9.4 DC equivalent-circuit model......Page 184
Exercises......Page 186
References......Page 188
10.1 Transfer characteristic......Page 189
10.2.1 MOS capacitor......Page 193
10.2.2 MOSFET......Page 195
10.3.1 Surface potential......Page 196
10.3.2 Drain current......Page 199
10.4.1 Basic assumptions of the model......Page 202
10.4.2 Drain current for constant mobility......Page 203
10.4.4 Threshold voltage, body-effect coefficient and channel charge density......Page 205
10.4.5 ID when mobility is field-dependent......Page 207
10.5 Sub-threshold current......Page 209
10.6 Applying the long-channel models......Page 210
10.7 DC equivalent-circuit model......Page 211
Exercises......Page 212
References......Page 213
11.1 Schottky barrier......Page 215
11.1.1 Thermionic emission and tunnelling......Page 218
11.2.1 Channel formation and threshold voltage......Page 219
11.2.2 Drain current......Page 220
11.3 HEMT......Page 222
11.3.1 The 2-DEG......Page 223
11.3.2 The finite well......Page 225
11.3.3 Electron concentration in the 2-DEG......Page 226
11.3.4 Controlling the channel charge by the gate potential......Page 227
Exercises......Page 228
References......Page 229
12.1 Defining capacitance......Page 230
12.2.1 Intrinsic MOSFET capacitances......Page 233
12.3 HBT capacitance......Page 237
12.3.1 Emitter-base junction capacitance......Page 238
12.3.2 Base storage capacitance......Page 239
12.3.4 Base-emitter transit capacitance......Page 240
‘Transit capacitance’ in FETs......Page 241
Exercises......Page 242
References......Page 244
13.1.1 General features of CMOS......Page 245
13.1.2 The ON-current......Page 247
13.1.3 Channel mobility and strain......Page 249
13.1.4 Oxide capacitance and high-k dielectrics......Page 252
13.1.5 Metal gates and poly-silicon capacitance......Page 253
13.1.6 Gate leakage current......Page 254
13.1.7 Threshold voltage: the short-channel effect......Page 255
13.1.8 Threshold voltage: a quantum-mechanical effect......Page 259
13.1.9 Silicon-on Insulator FET......Page 260
13.1.10 Power dissipation......Page 262
Dynamic power dissipation......Page 263
Static power dissipation......Page 264
13.1.11 Large-signal equivalent-circuit model......Page 265
13.2 Emitter-coupled logic......Page 266
13.2.1 Large-signal equivalent-circuit model......Page 267
Exercises......Page 268
References......Page 270
14.1 Quasi-static analysis......Page 271
14.2 The generic small-signal model......Page 273
14.3 Hybrid-pi small-signal model for HBTs......Page 275
14.4 fT: the extrapolated unity-current-gain frequency......Page 276
14.4.1 An expression for fT......Page 277
14.5 Designing an HBT for high fT......Page 279
14.5.1 SiGe HBT......Page 280
14.6 fmax: the extrapolated unity-power-gain frequency......Page 282
14.6.1 Base-spreading resistance......Page 284
14.7 fT and fmax for FETs......Page 286
14.7.1 fT......Page 287
14.8 Power gain, oscillation and stability......Page 288
Exercises......Page 289
References......Page 291
15.1 Flash memory......Page 293
15.2 Dynamic Random Access Memory......Page 297
References......Page 300
16.1 Avalanche breakdown......Page 301
16.3 Transistors for power amplifiers......Page 304
16.3.1 GaAs HBTs......Page 305
16.3.2 GaN HJFETs......Page 309
16.4 Transistors for high-voltage power supplies......Page 312
16.4.1 Si L-DMOSFETs......Page 313
16.4.2 Lateral insulated-gate bipolar transistor......Page 314
Exercises......Page 316
References......Page 317
17.1 Noise: general properties......Page 319
17.2.1 Thermal noise......Page 320
17.2.2 Shot noise......Page 321
17.2.3 Flicker noise......Page 322
17.2.4 Induced gate noise......Page 323
17.3 Representation of noise in an equivalent circuit......Page 324
17.4 Noise figure......Page 326
17.4.1 Associated gain......Page 327
References......Page 329
18 Transistors for the future......Page 330
18.1.1 Density of states......Page 331
18.1.2 Carrier density......Page 332
18.1.3 Mean, unidirectional velocity of a 1-D equilibrium distribution......Page 333
18.2 1-D ballistic transport......Page 334
18.2.3 Evaluating the charge......Page 336
18.3 Master set of equations for 1-D simulations......Page 338
18.4 Comparison of 1-D and 2-D currents......Page 339
18.5 Novel features of carbon nanotube FETs......Page 341
18.5.1 Quantum capacitance and transconductance......Page 342
18.5.2 Ambipolarity......Page 343
Exercises......Page 344
References......Page 346
19.2 Appendix B: Selected material properties......Page 347
19.3 Appendix C: N-MOSFET parameters......Page 349
Index......Page 350