第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

1、第一章第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體能帶模型半導(dǎo)體能帶模型1.3 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子1.4 態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)1.5 載流子的傳輸載流子的傳輸1.6 PN結(jié)結(jié)1.7 金屬金屬半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸1.8 MOS FET器件基礎(chǔ)器件基礎(chǔ)1.1 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、離子團(tuán)一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、離子團(tuán)或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部相同質(zhì)點(diǎn)在相同質(zhì)點(diǎn)在三維空間均三維空間均呈周期性重復(fù)呈周期性重復(fù)。可分成單晶體和多

2、晶體可分成單晶體和多晶體 單晶：?jiǎn)尉В赫麄€(gè)晶體由單一的晶格連續(xù)組成。整個(gè)晶體由單一的晶格連續(xù)組成。 多晶：多晶：晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無(wú)規(guī)則地堆積而成晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無(wú)規(guī)則地堆積而成 非晶：固體中存在許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域的原子排列不同于其非晶：固體中存在許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域的原子排列不同于其它小區(qū)域的原子排列它小區(qū)域的原子排列 硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu), , 均為四面體結(jié)構(gòu)，并向空間無(wú)限伸展成空均為四面體結(jié)構(gòu)，并向空間無(wú)限伸展成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：硅的晶體

3、結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 硅晶體中任何一原子都有硅晶體中任何一原子都有4個(gè)最近鄰的原子與之形成共個(gè)最近鄰的原子與之形成共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體稱(chēng)為共價(jià)四面價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體稱(chēng)為共價(jià)四面體。體。1s2p2sEo原子間距原子間距禁帶禁帶禁帶禁帶能帶能帶當(dāng)有當(dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，它們是級(jí)，它們是N重簡(jiǎn)并的，當(dāng)這重簡(jiǎn)并的，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單原子的

4、中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）原子的中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（個(gè)非常靠近的能級(jí)（10-22ev）1.2 半導(dǎo)體能帶模型半導(dǎo)體能帶模型能帶論能帶論原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖電子能量簡(jiǎn)化能帶圖簡(jiǎn)化能帶圖價(jià)帶導(dǎo)帶Eg=帶隙EcEv在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)是被在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)是被電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這些原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的那些能些原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的那些能帶也是被電子所填滿的。其中能級(jí)較高帶也是被電子所填

5、滿的。其中能級(jí)較高的被電子填滿的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，價(jià)帶以的被電子填滿的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，價(jià)帶以上的能帶未被填滿，稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶和上的能帶未被填滿，稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙叫禁帶價(jià)帶間的能隙叫禁帶 1.3 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為載流子載流子，是在電場(chǎng)作用下能作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。是在電場(chǎng)作用下能作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。滿帶滿帶半（不）滿帶半（不）滿帶EE 當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子

6、不能形成電流。子不能形成電流。半滿帶的電子可在外半滿帶的電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。級(jí)的能級(jí)形成電流?？諑Э諑M帶滿帶禁帶禁帶-e-e-e-eEIeIP 1. 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體-不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體本征激發(fā)本征激發(fā)空空穴穴電電流流導(dǎo)電機(jī)制：導(dǎo)電機(jī)制：本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴（本征導(dǎo)電）（本征導(dǎo)電）2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體-含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜質(zhì)半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（施主雜質(zhì)半導(dǎo)體）在純凈半導(dǎo)中摻入少量可提供導(dǎo)電電子的在純凈半導(dǎo)中摻入少量可提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。

7、雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。例在四價(jià)硅（例在四價(jià)硅（Si）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）所形成的半導(dǎo)體所形成的半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 摻入摻入AS以后，五個(gè)以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周?chē)呐c周?chē)腉e組成共價(jià)鍵組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，晶體，還多余一個(gè)電子，此電子處于特殊的能級(jí)。此電子處于特殊的能級(jí)。滿帶滿帶空帶空帶施主能級(jí)施主能級(jí)gE能帶結(jié)構(gòu)：能帶結(jié)構(gòu)： 理論證明理論證明:

8、摻入這種摻入這種雜質(zhì)后電子處于靠近空雜質(zhì)后電子處于靠近空帶下沿處的一個(gè)能級(jí)中帶下沿處的一個(gè)能級(jí)中(“施主能級(jí)施主能級(jí)”)DE施主能級(jí)與上施主能級(jí)與上空帶下能級(jí)的空帶下能級(jí)的能級(jí)間隔稱(chēng)能級(jí)間隔稱(chēng)“施主雜質(zhì)電離施主雜質(zhì)電離能能”( )DE這種雜質(zhì)可提這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶滿帶空帶空帶gE導(dǎo)電機(jī)制：導(dǎo)電機(jī)制：施主能級(jí)施主能級(jí)DEDE由于由于 較小較小,施主能級(jí)中的電子很容易激發(fā)到施主能級(jí)中的電子很容易激發(fā)到空帶而在施主能級(jí)上留下不可移動(dòng)的空穴空帶而在施主能級(jí)上留下不可移動(dòng)的空穴.此稱(chēng)此稱(chēng)“雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)”,當(dāng)然也存在本征激發(fā)當(dāng)然也存在本征激發(fā). 總之總之,

9、躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主能級(jí)中的空穴數(shù)能級(jí)中的空穴數(shù),由于施主能級(jí)中的空穴不能移由于施主能級(jí)中的空穴不能移動(dòng)動(dòng),故在常溫下故在常溫下,能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)小于電子數(shù)能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)小于電子數(shù),導(dǎo)電作用主要靠躍入空帶中的電子導(dǎo)電作用主要靠躍入空帶中的電子.（多數(shù)載流（多數(shù)載流子）子）導(dǎo)電機(jī)制：導(dǎo)電機(jī)制：故故n型半導(dǎo)體又稱(chēng)型半導(dǎo)體又稱(chēng)電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體這種雜質(zhì)可提這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶滿帶空帶空帶gE施主能級(jí)施主能級(jí)DE1.4 態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí) 態(tài)密度態(tài)密度 在能帶中，能量在能帶中，能量E附近單位能

10、量間隔內(nèi)的量子附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)態(tài)數(shù)dZ/dE)(Eg在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為量子態(tài)在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為量子態(tài)費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律 溫度為溫度為T(mén) T（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體中電子占據(jù)能量為（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體中電子占據(jù)能量為E E的量子態(tài)的幾率是的量子態(tài)的幾率是 k k是玻爾茲曼常數(shù)，是玻爾茲曼常數(shù)，E EF F是一個(gè)與摻雜有關(guān)的常數(shù)，稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。是一個(gè)與摻雜有關(guān)的常數(shù)，稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。 當(dāng)當(dāng)E-EE-EF FkTkT時(shí)，時(shí)，f f（E E）=0=0，說(shuō)明高于，說(shuō)明高于E EF F幾個(gè)幾個(gè)kTkT以上的能級(jí)都是

11、空的；而當(dāng)以上的能級(jí)都是空的；而當(dāng)E-EE-EF FkTkT時(shí)，時(shí)，f f（E E）1 1，說(shuō)明低于，說(shuō)明低于E EF F幾個(gè)幾個(gè)kTkT以下的能級(jí)被電子填滿。特別是在絕對(duì)零度時(shí)以下的能級(jí)被電子填滿。特別是在絕對(duì)零度時(shí)，EEEEEEF F的能級(jí)全是空的的能級(jí)全是空的, , E EF F是電子所占據(jù)的最高量子態(tài)的能是電子所占據(jù)的最高量子態(tài)的能量量。 E EF F反應(yīng)了半導(dǎo)體中被電子填滿了的能級(jí)水平，反應(yīng)了半導(dǎo)體中被電子填滿了的能級(jí)水平，費(fèi)米能級(jí)的物理意義是，該能級(jí)上費(fèi)米能級(jí)的物理意義是，該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費(fèi)米能級(jí)是理論上引入的虛構(gòu)的能級(jí)費(fèi)米能

12、級(jí)是理論上引入的虛構(gòu)的能級(jí) 1)exp(1)(kTEEEfF摻雜半導(dǎo)體能帶圖摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著摻雜濃度型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著摻雜濃度ND的增加，的增加，費(fèi)米能級(jí)更加靠近導(dǎo)帶底費(fèi)米能級(jí)更加靠近導(dǎo)帶底 ；p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂 本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)叫本征費(fèi)米能級(jí)本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)叫本征費(fèi)米能級(jí)1.5 載流子的傳輸載流子的傳輸 載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合復(fù)合 載流子的擴(kuò)散載流子的擴(kuò)散 由于濃度差而產(chǎn)生的，濃度高的向濃度低的方向擴(kuò)散由于濃度差而產(chǎn)生的，濃度高的向濃

13、度低的方向擴(kuò)散 漂移：帶電粒子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)漂移：帶電粒子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子熱運(yùn)動(dòng)示意圖載流子熱運(yùn)動(dòng)示意圖外電場(chǎng)作用下電子的漂移運(yùn)動(dòng)外電場(chǎng)作用下電子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí) 載流子熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，運(yùn)動(dòng)速度各向同性，不引起宏觀遷移，從而不載流子熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，運(yùn)動(dòng)速度各向同性，不引起宏觀遷移，從而不會(huì)產(chǎn)生電流。會(huì)產(chǎn)生電流。外加電場(chǎng)作用時(shí)外加電場(chǎng)作用時(shí) 載流子沿電場(chǎng)方向的速度分量比其它方向大，將會(huì)引起載流子的宏觀遷移載流子沿電場(chǎng)方向的速度分量比其它方向大，將會(huì)引起載流子的宏觀遷移，從而形成電流。，從而形成電流。漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用

14、而產(chǎn)生的、沿電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)（電子和空穴漂移運(yùn)漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的、沿電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)（電子和空穴漂移運(yùn)動(dòng)方向相反）。動(dòng)方向相反）。漂移速度：定向運(yùn)動(dòng)的速度。漂移速度：定向運(yùn)動(dòng)的速度。漂移電流：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所引起的電流。漂移電流：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所引起的電流。載流子的漂移遷移率（載流子的漂移遷移率（）指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，即載流子在指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，即載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度，運(yùn)動(dòng)得越快，遷移率越大；運(yùn)動(dòng)得慢電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度，運(yùn)動(dòng)得越快，遷移率越大；運(yùn)動(dòng)得慢，遷移率小。，遷移率小。 單位

15、是單位是cm2Vs平均自由時(shí)間愈長(zhǎng)，或者說(shuō)單位時(shí)間內(nèi)遭受散射的次數(shù)愈少，平均自由時(shí)間愈長(zhǎng)，或者說(shuō)單位時(shí)間內(nèi)遭受散射的次數(shù)愈少， 載流子的遷載流子的遷移率愈高；電子和空穴的遷移率是不同的，因?yàn)樗鼈兊钠骄杂蓵r(shí)間和有移率愈高；電子和空穴的遷移率是不同的，因?yàn)樗鼈兊钠骄杂蓵r(shí)間和有效質(zhì)量不同。效質(zhì)量不同。Hall效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢(shì)差，其方向同時(shí)垂直則在半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢(shì)差，其方向同時(shí)垂直于電流和磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的于電流和磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的Hall效應(yīng)。效應(yīng)。測(cè)

16、量測(cè)量Hall系數(shù)示意圖系數(shù)示意圖 Hall系數(shù)系數(shù)RH定義定義 單位磁場(chǎng)作用下通過(guò)單位電流密度所產(chǎn)生的霍單位磁場(chǎng)作用下通過(guò)單位電流密度所產(chǎn)生的霍耳電場(chǎng)耳電場(chǎng) RH 與宏觀測(cè)量值間關(guān)系，與宏觀測(cè)量值間關(guān)系，d為半導(dǎo)體厚度為半導(dǎo)體厚度 Hall遷移率遷移率 RH與電導(dǎo)率與電導(dǎo)率的乘積，即的乘積，即RH，具有遷移率的量綱，具有遷移率的量綱, 故特別稱(chēng)為故特別稱(chēng)為Hall遷移率，表示為遷移率，表示為H =RHHall系數(shù)的一般表達(dá)式系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，大多數(shù)半導(dǎo)體，b1對(duì)對(duì)n型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，np，故，故對(duì)對(duì)p型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，p

17、n，故，故Hall效應(yīng)的意義效應(yīng)的意義： Hall系數(shù)有正負(fù)之分，且與載流子濃度有關(guān)。系數(shù)有正負(fù)之分，且與載流子濃度有關(guān)。通過(guò)通過(guò)Hall系數(shù)的測(cè)量，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型及載流子濃度。證實(shí)空穴系數(shù)的測(cè)量，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型及載流子濃度。證實(shí)空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一RH 與與T有關(guān)。有關(guān)。1.6 PN結(jié)結(jié) 平衡平衡PN結(jié)結(jié) 正偏正偏 反偏反偏 平衡平衡PN結(jié)結(jié) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) W0=Wp+Wn是空間電荷區(qū)的總寬度是空間電荷區(qū)的總寬度 qV0EFNEFPV V0 0和和PNPN結(jié)兩邊的摻雜濃度（結(jié)兩邊

18、的摻雜濃度（N ND D，N NA A），），溫度（溫度（T T），材料（），材料（n ni i）有關(guān)。溫度）有關(guān)。溫度T T一一定時(shí)，定時(shí)，N ND D，N NA A愈大，愈大，V V0 0愈大；材料禁帶愈大；材料禁帶寬度愈大，寬度愈大，n ni i愈小，愈小，V V0 0也愈大也愈大 nnoxx = 0pnopponpolog( n), log(p)-eNa eNd MxE (x)B-h+p n M As+eWpWnNeutral n-regionNeutral p-regionSpace charge regionVoV(x)xPE (x)Electron PE (x)M etallur

19、gical Junction( (a a) )( (b b ) )( (c c) )( (e e) )( (f f) )xWpWn( (d d ) )0eVox( (g g ) )eVoHole PE (x) Eo Eo Mne t MWnWpniP Pr ro op pe er rt ti ie es s o of f t th he e p pn n j ju un nc ct ti io on n. . 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 平衡平衡PN結(jié)特性結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)中性中性P區(qū)區(qū)(a)(b)(c)-Wp正偏正偏

20、當(dāng)當(dāng)P區(qū)接電源的正極，區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓V基本上降落在勢(shì)壘區(qū)，在勢(shì)壘基本上降落在勢(shì)壘區(qū)，在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生外加電場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生外加電場(chǎng) PN結(jié)的正向電流是由注入的非平衡少子引起的結(jié)的正向電流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿過(guò)空穴穿過(guò)P區(qū)時(shí)是多子電流，經(jīng)過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)時(shí)是多子電流，經(jīng)過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入N區(qū)成為非平衡少子，它邊擴(kuò)散區(qū)成為非平衡少子，它邊擴(kuò)散邊復(fù)合，最后消失。少子被多子復(fù)合并非電流的中斷，因?yàn)榕c少子復(fù)合的多邊復(fù)合，最后消失。少子被多子復(fù)合并非電流的中斷，因?yàn)榕c少子復(fù)合的多子是從子是從N區(qū)過(guò)來(lái)的多子，它們的復(fù)合正好實(shí)現(xiàn)了少子電流到多子電流的轉(zhuǎn)換區(qū)過(guò)來(lái)的多子，它們的復(fù)合

21、正好實(shí)現(xiàn)了少子電流到多子電流的轉(zhuǎn)換 Jelecxn-regionJ = Jelec + JholeSCLMinority carrier diffusioncurrentMajority carrier diffusionand drift currentTotal current JholeWnWpp-region JThe total currentanywhere in the device isconstant. Just outside thedepletion region it is dueto the diffusion ofminority carriers. 1999 S.

22、O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)-Wp少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流總電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流N區(qū)P區(qū)反偏反偏加反偏電壓加反偏電壓V V-V-Vr r時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了勢(shì)壘區(qū)中時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，勢(shì)壘區(qū)加寬，勢(shì)壘高度由的電場(chǎng)強(qiáng)度，勢(shì)壘區(qū)加寬，勢(shì)壘高度由qVqV0 0增加為增加為q q（V V0 0+V+Vr r）。勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的）。勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的增強(qiáng)，打破了原有的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，打破了原有的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這時(shí)。這時(shí)N N

23、區(qū)中空穴一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界區(qū)中空穴一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界x=Wx=Wn n處就要被電場(chǎng)掃向處就要被電場(chǎng)掃向P P區(qū)，區(qū)，P P區(qū)中的區(qū)中的電子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界電子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界x=Wx=Wp p，也要被電場(chǎng)掃向，也要被電場(chǎng)掃向N N區(qū)。區(qū)。由于在勢(shì)壘邊界，少子濃度很小，若由于在勢(shì)壘邊界，少子濃度很小，若V Vr r25mv25mvkT/ekT/e，p pn0n0幾乎為幾乎為0 0，而勢(shì)壘區(qū)，而勢(shì)壘區(qū)中空穴濃度為平衡載流子濃度。在勢(shì)壘區(qū)以外的少子要向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散中空穴濃度為平衡載流子濃度。在勢(shì)壘區(qū)以外的少子要向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的少子一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界，就被電場(chǎng)掃向?qū)Ψ?，它們?gòu)成了進(jìn)來(lái)的少子

24、一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界，就被電場(chǎng)掃向?qū)Ψ?，它們?gòu)成了PNPN結(jié)的反結(jié)的反向電流。向電流。正偏正偏與反偏與反偏 EcEvEcEFpMEFneVopnEoEvnp(a)VInpEoEe(VoV)eVEcEFnEvEvEcEFp(b)(c)Vrnpe(Vo+Vr)EcEFnEvEvEcEFpEo+E(d)I = V ery SmallVrnpThermalgenerationEcEFnEvEcEFpEve(Vo+Vr)Eo+EEnergy band diagrams for a pn junction under (a) open circuit, (b) forwardbias and (c) rev

25、erse bias conditions. (d) Thermal generation of electron holepairs in the depletion region results in a small reverse current.SCL 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)PN結(jié)能帶圖（a）開(kāi)路，(b) 正偏，(c) 反偏，(d) 反偏電流I非常小熱產(chǎn)生1.7 金屬金屬半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要

26、的最小值?？罩兴枰淖钚≈?。金屬中的電子勢(shì)阱金屬中的電子勢(shì)阱0E(EF)m 越大越大, 金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)的定義的定義: 真空中靜止電子的能量真空中靜止電子的能量 E0 與與 金屬的金屬的 EF 能量之差能量之差mFmEE 0mm半導(dǎo)體功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)的定義的定義: 真空中靜止電子的能量真空中靜止電子的能量 E0 與與 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的 EF 能量之差，能量之差，即即E0ECEFEV電子的親合能電子的親合能CEE 0ssFsEE 0EvsFE )(0ECEnEmFE )(半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為nsFCsEEE)(smsm半導(dǎo)體一邊

27、的勢(shì)壘高度半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度FECEVEnE忽略接觸間隙忽略接觸間隙qVD,smDqVmnDBEqVB1. 半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)2. 電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面3. 半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢(shì)壘成表面勢(shì)壘當(dāng)金屬與當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸型半導(dǎo)體接觸在勢(shì)壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比在勢(shì)壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。體內(nèi)小得多，因此它

28、是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。sm當(dāng)金屬與當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸型半導(dǎo)體接觸1. 半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)2. 電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)3. 半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層。的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層。反阻擋層薄, 高電導(dǎo), 對(duì)接觸電阻影響小EcEvEF-msmms 隧道效應(yīng)：隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，

29、則勢(shì)壘寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生大寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的隧道電流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。實(shí)際的歐姆接觸實(shí)際的歐姆接觸1.8 MOSFET -場(chǎng)效應(yīng)理論場(chǎng)效應(yīng)理論 1.8.1 MOS結(jié)構(gòu) 1. 理想MOS結(jié)構(gòu)（1）金屬柵足夠厚 ,是等勢(shì)體（2）氧化層是完美的絕緣體無(wú)電流流過(guò)氧化層（3）在氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面沒(méi)有電荷中心（4）半導(dǎo)體均勻摻雜（5）半導(dǎo)體足夠厚，無(wú)論VG多大，總有零電場(chǎng)區(qū)域（6）半導(dǎo)體與器件背面金屬之間處于歐姆

30、接觸（7）MOS電容是一維結(jié)構(gòu)，所有變量?jī)H是x的函數(shù) （8）M= S=+(EC-EF)FB金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容柵背接觸或襯底接觸0.011.0m零偏壓VG0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到由分立能帶圖得到MOS能帶圖包括能帶圖包括兩個(gè)步驟；兩個(gè)步驟；（a）將）將M和和S放到一起相距為放到一起相距為x0，達(dá)，達(dá)到平衡時(shí)，到平衡時(shí)，M和和S的費(fèi)米能級(jí)必須持的費(fèi)米能級(jí)必須持平；因假設(shè)平；因假設(shè) m= S真空能級(jí)也必須對(duì)真空能級(jí)也必須對(duì)準(zhǔn)。（在準(zhǔn)。（在M-空隙空隙-S系統(tǒng)的任何地方系統(tǒng)的任何地方都沒(méi)有電荷和電場(chǎng)）都沒(méi)有電荷和電場(chǎng)）（b)將厚度為將厚度為x0的絕緣體插入的絕緣體插入M與與S之間

31、的空隙。之間的空隙。 理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖特殊偏置區(qū)域nVG0, (較小負(fù)偏置），空穴的濃度在較小負(fù)偏置），空穴的濃度在O-S界面附近降低，稱(chēng)界面附近降低，稱(chēng)為空穴被為空穴被“耗盡耗盡”，留下帶負(fù)電的受主雜質(zhì)。，留下帶負(fù)電的受主雜質(zhì)。n若正偏電壓越來(lái)越大，半導(dǎo)體表面的能帶會(huì)越來(lái)越彎曲，在若正偏電壓越來(lái)越大，半導(dǎo)體表面的能帶會(huì)越來(lái)越彎曲，在表面的電子濃度越來(lái)越多，增加到表面的電子濃度越來(lái)越多，增加到ns=NA, VG=VTH時(shí)，表面時(shí)，表面不再耗盡不再耗盡nVGVTH時(shí)時(shí), 表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這種表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這種情況稱(chēng)為情況稱(chēng)

32、為“反型反型”。 N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.21.8.2（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管漏極漏極D源極源極S柵極柵極G襯底襯底B電極電極金屬金屬絕緣層絕緣層氧化物氧化物基體基體半導(dǎo)體半導(dǎo)體因此稱(chēng)之為因此稱(chēng)之為MOS管管 當(dāng)當(dāng)VGS較小較小時(shí)，雖然在時(shí)，雖然在P型襯型襯底表面形成一層底表面形成一層耗盡層耗盡層，但負(fù)，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。離子不能導(dǎo)電。 當(dāng)當(dāng)VGS=VTH時(shí)時(shí), 在在P型襯底型襯底表面形成一層表面形成一層電子層電子層，形成，形成N型導(dǎo)電溝道，在型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下的作用下形成形成ID。VDSID+ +- -+-+-

33、- -VGS反型層反型層 當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論結(jié)，無(wú)論UDS之間加上電壓不會(huì)在之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流間形成電流ID,即即ID0. 當(dāng)當(dāng)VGSVTH時(shí)時(shí), 溝道加厚，溝道電阻減少，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同在相同VDS的的作用下，作用下，ID將進(jìn)一步增加將進(jìn)一步增加開(kāi)始無(wú)導(dǎo)電溝道，開(kāi)始無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在當(dāng)在VGS VTH時(shí)才形時(shí)才形成溝道成溝道,這種類(lèi)型的管這種類(lèi)型的管子稱(chēng)為子稱(chēng)為增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管管1.8.31.8.3 MOSFETMOSFET工作原理的定性分析工作原理的定性分析VT VGS /VID /mAO（1

34、 1）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VDS=5V) ) a. VGS VT 器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于器件處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且VGS越大，溝越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大電流越大 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線43 N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線（2 2）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VGS=5V) ) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡VDS

35、at 過(guò)過(guò)渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat44飽和電流飽和電流IDsat，對(duì)應(yīng)的，對(duì)應(yīng)的VDS稱(chēng)為稱(chēng)為VDSsatVDS=VDSsat的虛線將曲線劃分的虛線將曲線劃分為亞線性區(qū)和飽和區(qū)。為亞線性區(qū)和飽和區(qū)。1.8.4 MOSFET的直流的直流I-V方程方程 基本假設(shè)：基本假設(shè)： 漂移電流、緩變溝道近似、長(zhǎng)溝近似漂移電流、緩變溝道近似、長(zhǎng)溝近似 強(qiáng)反型近似強(qiáng)反型近似 坐標(biāo)系坐標(biāo)系 基本定義基本定義 溝道中位置溝道中位置y處單位面積下的電荷為處單位面積下的電荷為Qch(y) 有效遷移率有效遷移率EF)(0),()(ytchdxyxnqyQ)(0)(0),(),(),(ytytnEF