半導(dǎo)體器件物理課件-蘇州大學(xué)考研

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子信息學(xué)院電子信息學(xué)院 王明湘王明湘 王子歐王子歐2006年6月第一章第一章 緒論緒論1.學(xué)習(xí)器件物理的意義2.本課程的基本內(nèi)容3.學(xué)習(xí)器件物理的基本方法本課程的基本內(nèi)容 CH1 課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介 CH2 熱平衡時(shí)的能帶及載流子濃度 CH3 載流子輸運(yùn)現(xiàn)象 CH4 PN結(jié)結(jié) CH5 雙極型晶體管及其相關(guān)器件雙極型晶體管及其相關(guān)器件 CH6 MOSFET及其相關(guān)器件 CH7 金金-半接觸及半接觸及MESFETImportance of Semiconductor Importance of Semiconductor IndustryIndustry4 Buildi

2、ng Blocks A)金-半接觸（metal-semiconductor contact）： 整流接觸（rectifying contact） 歐姆接觸（Ohmic contact） B)PN結(jié)（P-N junction） C)異質(zhì)結(jié) （hetero-junction interface） D)金屬-氧化層-半導(dǎo)體（metal-oxide-semiconductor，MOS）結(jié)構(gòu) First Transistor on Ge (貝爾實(shí)驗(yàn)室)First MOS Transistor(貝爾實(shí)驗(yàn)室)Floating Gate Transistor (nonvolatile semiconducto

3、r memory device)Technology Drivers第二章第二章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)的形成和能帶結(jié)構(gòu)的形成和描述描述統(tǒng)計(jì)描述統(tǒng)計(jì)描述 一、基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)一、基本物質(zhì)結(jié)構(gòu) 1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分、物質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分 2、原胞，晶胞的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu)、原胞，晶胞的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu) 3、周期勢(shì)場(chǎng)的形成：、周期勢(shì)場(chǎng)的形成： 4、晶格常數(shù)、晶格常數(shù) 5、密勒指數(shù)、密勒指數(shù)晶面指數(shù)：晶面指數(shù)： 6、從礦石到單晶的生長(zhǎng)、從礦石到單晶的生長(zhǎng)1、固體材料結(jié)構(gòu)劃分、固體材料結(jié)構(gòu)劃分 晶體：長(zhǎng)程有序晶體：長(zhǎng)程有序 短程有序短程有序 多晶：多晶： 非晶：長(zhǎng)程無(wú)序短程有序非晶：長(zhǎng)程無(wú)序短程有序2、原胞，晶胞

4、的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu)、原胞，晶胞的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu) 兩種分類的意義：固體微觀性質(zhì)，工藝兩種分類的意義：固體微觀性質(zhì)，工藝 兩種坐標(biāo)：空間仿射坐標(biāo)，空間直角坐兩種坐標(biāo)：空間仿射坐標(biāo)，空間直角坐標(biāo)標(biāo)Insulator Semiconductor & ConductorSemiconductors2、原胞，晶胞的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu)、原胞，晶胞的定義，幾種晶體結(jié)構(gòu) 圖圖2.11 a Example 1: Cubic bcc & fccDiamond Structure3、周期勢(shì)場(chǎng)的形成：、周期勢(shì)場(chǎng)的形成： a. 原胞的無(wú)限周期排列原胞的無(wú)限周期排列 b. 電子在能量動(dòng)量空間的平衡位置電子在能量動(dòng)量空

5、間的平衡位置 c. 缺陷、表面勢(shì)缺陷、表面勢(shì)zzyyxxmkmkmkE222222222自由電子的能量自由電子的能量(E)與動(dòng)量與動(dòng)量(p)的拋物曲線圖的拋物曲線圖mn=0.25m0mp=m0半導(dǎo)體能量動(dòng)能圖4、晶格常數(shù)、晶格常數(shù) 例例1：最短距離：最短距離 兩球緊密接觸兩球緊密接觸 習(xí)題習(xí)題1(a), 習(xí)題習(xí)題3 例例2， 習(xí)題習(xí)題6(a)5、密勒指數(shù)、密勒指數(shù)晶面指數(shù)：晶面指數(shù)： 空間解析幾何描述（平面）：空間解析幾何描述（平面）： lx + my + nz + p = 0 x/a+ y/b + z/c = d Equivalent Planes in Cubic三個(gè)平面：三個(gè)平面： n型

6、，型，p型型 （ 111），（），（100），（），（110）例3 *圖2.6要記住 習(xí)題1(b) 習(xí)題56、從礦石到單晶的制備、從礦石到單晶的制備7、習(xí)題、習(xí)題4習(xí)題提示：習(xí)題提示：OAB CDOAOBOCOD0柴可柴可拉斯拉斯基拉基拉晶儀晶儀二、能帶結(jié)構(gòu)二、能帶結(jié)構(gòu)態(tài)密度態(tài)密度費(fèi)米統(tǒng)計(jì)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)1、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、費(fèi)米能級(jí) 2、束縛態(tài)與激發(fā)態(tài)（本征統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度、束縛態(tài)與激發(fā)態(tài)（本征統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度、雜質(zhì)統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度）雜質(zhì)統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度） 3、直接禁帶與間接禁帶半導(dǎo)體、直接禁帶與間接禁帶半導(dǎo)體 4、簡(jiǎn)并、簡(jiǎn)并 5、能態(tài)密度、費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度計(jì)算，、能態(tài)密度、

7、費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度計(jì)算，與摻雜濃度、溫度的關(guān)系與摻雜濃度、溫度的關(guān)系 實(shí)際測(cè)量實(shí)際測(cè)量 四面體結(jié)構(gòu) 傳導(dǎo)電子與空穴N 型硅 P 型硅1、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、費(fèi)米能級(jí)圖2.15金屬、半導(dǎo)體、絕緣體能級(jí)與能帶硅原子能級(jí)孤立原子聚集形成金剛石晶格晶體的能帶形成圖三種材料的能帶表示圖：兩種可能性的導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體2、束縛態(tài)與激發(fā)態(tài)（本征統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密、束縛態(tài)與激發(fā)態(tài)（本征統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度，雜質(zhì)統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度）度，雜質(zhì)統(tǒng)計(jì)分布態(tài)密度） 3、直接禁帶與間接禁帶半導(dǎo)體、直接禁帶與間接禁帶半導(dǎo)體 4、簡(jiǎn)并、簡(jiǎn)并硅及砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 費(fèi)米分布函數(shù)F(E)對(duì)(E-EF)圖 5、本征半導(dǎo)

8、體能態(tài)密度、費(fèi)米能級(jí)、載流子、本征半導(dǎo)體能態(tài)密度、費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度計(jì)算濃度計(jì)算(a)能帶圖能帶圖 (b)狀態(tài)密度狀態(tài)密度 (c)費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) (d)載流子濃度載流子濃度硅及砷化鎵中本征載流子濃度本征載流子濃度本征載流子濃度對(duì)對(duì)溫度的依賴關(guān)系溫度的依賴關(guān)系公式公式11a公式公式11b)exp(1)(FEEEFkTEEF3)（空穴公式（空穴公式（10）：）：EFE2/32)2(12hkTmNcn公式公式13（a）施主和受主施主和受主非本征半導(dǎo)體的施主離子,受主離子不同雜質(zhì)在硅及砷化鎵中所測(cè)得的電離能 費(fèi)米能級(jí)EF及本征費(fèi)米能級(jí)Ei 溫度及雜質(zhì)濃度為函數(shù)的硅及砷化鎵費(fèi)米能級(jí) 施主濃度

9、為1015 cm-3的硅樣品的電子濃度質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律N型半導(dǎo)體：公式型半導(dǎo)體：公式24P型半導(dǎo)體：公式型半導(dǎo)體：公式26Ec和和ED計(jì)算：公式計(jì)算：公式25假設(shè)完全電離：公式假設(shè)完全電離：公式30泊松方程應(yīng)用于泊松方程應(yīng)用于PN結(jié)空間電荷區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)重?fù)诫s，能帶變窄：公式重?fù)诫s，能帶變窄：公式37第二章總結(jié)：第二章總結(jié)： 物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了能帶結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了能帶結(jié)構(gòu) 通過(guò)光子測(cè)量確定禁帶寬度通過(guò)光子測(cè)量確定禁帶寬度Eg Nc, Nv是有效態(tài)密度是有效態(tài)密度 費(fèi)米分布表征了載流子在費(fèi)米分布表征了載流子在E空間的填充水平空間的填充水平 )/exp(kTqnni輕摻雜引入分立能級(jí)，重?fù)诫s

10、引入了輕摻雜引入分立能級(jí)，重?fù)诫s引入了“額外額外”帶隙帶隙)/exp(2kTENNngvci第三章第三章 載流子輸運(yùn)載流子輸運(yùn) 一、電荷控制的概念，測(cè)量量（電阻率、遷移一、電荷控制的概念，測(cè)量量（電阻率、遷移率、濃度、壽命），平衡與非平衡載流子率、濃度、壽命），平衡與非平衡載流子二、注入、產(chǎn)生與復(fù)合（不同能量模型分類）：二、注入、產(chǎn)生與復(fù)合（不同能量模型分類）：內(nèi)外部機(jī)制，哪種條件有利于哪種機(jī)制內(nèi)外部機(jī)制，哪種條件有利于哪種機(jī)制三、經(jīng)典（弱電場(chǎng)）輸運(yùn)機(jī)制，強(qiáng)電場(chǎng)輸運(yùn)，三、經(jīng)典（弱電場(chǎng)）輸運(yùn)機(jī)制，強(qiáng)電場(chǎng)輸運(yùn)，量子輸運(yùn)量子輸運(yùn)一、電荷控制的概念一、電荷控制的概念nvqdJdxdnDqJs/pnJJ

11、J注意注意Jn與與Jp中漂移和擴(kuò)散電流的方向中漂移和擴(kuò)散電流的方向連續(xù)性方程連續(xù)性方程?/)(/1/tpRGxJqtnnn測(cè)量量（遷移率、電阻率、濃度、壽命），測(cè)量量（遷移率、電阻率、濃度、壽命），平衡與非平衡載流子平衡與非平衡載流子遷移率隨溫度，摻雜的變化遷移率隨溫度，摻雜的變化硅與砷化鎵硅與砷化鎵:遷移率及擴(kuò)散系數(shù)隨雜質(zhì)濃度的變化遷移率及擴(kuò)散系數(shù)隨雜質(zhì)濃度的變化一個(gè)一個(gè)n型半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)過(guò)程型半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)過(guò)程: (a) 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí) (b) 偏壓情形下偏壓情形下截面積為，長(zhǎng)為，在此均勻摻雜的半導(dǎo)體截面積為，長(zhǎng)為，在此均勻摻雜的半導(dǎo)體棒中電流的傳導(dǎo)棒中電流的傳導(dǎo)四探針?lè)y(cè)電阻四探針?lè)y(cè)

12、電阻硅及砷化鎵：電阻率隨雜質(zhì)濃度的變化硅及砷化鎵：電阻率隨雜質(zhì)濃度的變化利用霍耳效應(yīng)測(cè)量載流子濃度的基本裝置利用霍耳效應(yīng)測(cè)量載流子濃度的基本裝置電子濃度對(duì)距離的變化情形，平均自由程電子濃度對(duì)距離的變化情形，平均自由程 光注入：載流子壽命的測(cè)量光注入：載流子壽命的測(cè)量幾種產(chǎn)生與復(fù)合機(jī)制：幾種產(chǎn)生與復(fù)合機(jī)制： 具有不同的能量動(dòng)量要求具有不同的能量動(dòng)量要求 具有不同的載流子數(shù)量關(guān)系具有不同的載流子數(shù)量關(guān)系直接復(fù)合、產(chǎn)生，間接復(fù)合、產(chǎn)生直接復(fù)合、產(chǎn)生，間接復(fù)合、產(chǎn)生表面復(fù)合，俄歇復(fù)合表面復(fù)合，俄歇復(fù)合二、注入、產(chǎn)生與復(fù)合二、注入、產(chǎn)生與復(fù)合產(chǎn)生復(fù)合電流產(chǎn)生復(fù)合電流 公式公式43，46，47與公式與公式

13、49，50相比較相比較間接復(fù)合引入了復(fù)合截面的概間接復(fù)合引入了復(fù)合截面的概念，表達(dá)了缺陷能級(jí)得電子的念，表達(dá)了缺陷能級(jí)得電子的能力。能力。載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度電子電子-空穴對(duì)的直接產(chǎn)生與復(fù)合：空穴對(duì)的直接產(chǎn)生與復(fù)合：(a) 熱平衡時(shí)，熱平衡時(shí)，(b) 光照下光照下 光激發(fā)載流子的衰減情形。光激發(fā)載流子的衰減情形。(a) n型樣品在恒定光型樣品在恒定光照下，照下，(b) 少數(shù)載流子（空穴）隨時(shí)間的衰減情少數(shù)載流子（空穴）隨時(shí)間的衰減情形，形，(c) 測(cè)量少數(shù)載流子壽命的圖示裝置。測(cè)量少數(shù)載流子壽命的圖示裝置。 在熱平衡下間接產(chǎn)生在熱平衡下間接產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程復(fù)合過(guò)程 干凈半導(dǎo)體

14、表面上鍵干凈半導(dǎo)體表面上鍵 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合 厚度為厚度為dx的無(wú)限小薄片中的電流及產(chǎn)生的無(wú)限小薄片中的電流及產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程復(fù)合過(guò)程 穩(wěn)態(tài)下載流子從一端注入：穩(wěn)態(tài)下載流子從一端注入：(a) 半無(wú)限樣品，半無(wú)限樣品，(b) 厚度為厚度為W的樣品的樣品 在在x = 0處的表面復(fù)合。表面附近少數(shù)載流處的表面復(fù)合。表面附近少數(shù)載流子的分布受到表面復(fù)合速度的影響子的分布受到表面復(fù)合速度的影響 海恩海恩-肖克萊實(shí)驗(yàn)肖克萊實(shí)驗(yàn)7。(a) 實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置，(b) 無(wú)施加電場(chǎng)下的載流子分布，無(wú)施加電場(chǎng)下的載流子分布，(c) 施加電場(chǎng)下的載流子分布。施加電場(chǎng)下的載流子分布。三、輸運(yùn)機(jī)制三、輸運(yùn)機(jī)制滿足的能量關(guān)

15、系不同滿足的能量關(guān)系不同V0SiO2量子輸運(yùn)（熱電子、多能谷散射、隧穿）量子輸運(yùn)（熱電子、多能谷散射、隧穿） 強(qiáng)電場(chǎng)輸運(yùn)（臨界電場(chǎng)、多能谷散射、碰撞電離）強(qiáng)電場(chǎng)輸運(yùn)（臨界電場(chǎng)、多能谷散射、碰撞電離）經(jīng)典（弱電場(chǎng)）輸運(yùn)機(jī)制經(jīng)典（弱電場(chǎng)）輸運(yùn)機(jī)制SiSi (a) 隔離隔離n型半導(dǎo)體的能帶圖。型半導(dǎo)體的能帶圖。(b) 熱電子發(fā)射過(guò)程。熱電子發(fā)射過(guò)程。 (a) 距離為距離為d的兩個(gè)隔離半導(dǎo)體的能帶圖。的兩個(gè)隔離半導(dǎo)體的能帶圖。(b) 一一維勢(shì)壘。維勢(shì)壘。(c) 波函數(shù)穿越勢(shì)壘的圖示法。波函數(shù)穿越勢(shì)壘的圖示法。硅單晶中漂移速度對(duì)電場(chǎng)的變化情形硅單晶中漂移速度對(duì)電場(chǎng)的變化情形 硅單晶及砷化鎵中漂移速度對(duì)電

16、場(chǎng)的變化情形。注意硅單晶及砷化鎵中漂移速度對(duì)電場(chǎng)的變化情形。注意對(duì)對(duì)n型砷化鎵而言，有一個(gè)區(qū)域?yàn)樨?fù)的微分遷移率型砷化鎵而言，有一個(gè)區(qū)域?yàn)樨?fù)的微分遷移率 對(duì)兩對(duì)兩-谷半導(dǎo)體而言，各種電場(chǎng)情形下電子的分布情形谷半導(dǎo)體而言，各種電場(chǎng)情形下電子的分布情形 兩兩-谷半導(dǎo)體的一個(gè)可能的速度谷半導(dǎo)體的一個(gè)可能的速度-電場(chǎng)特征電場(chǎng)特征 雪崩過(guò)程的能帶圖雪崩過(guò)程的能帶圖 對(duì)硅晶及對(duì)硅晶及砷化鎵所砷化鎵所測(cè)量的電測(cè)量的電離率與電離率與電場(chǎng)倒數(shù)的場(chǎng)倒數(shù)的關(guān)系關(guān)系 問(wèn)題問(wèn)題1、哪幾種產(chǎn)生、復(fù)合機(jī)制，以硅、哪幾種產(chǎn)生、復(fù)合機(jī)制，以硅PN結(jié)結(jié)為例，說(shuō)明產(chǎn)生、復(fù)合何時(shí)作用為例，說(shuō)明產(chǎn)生、復(fù)合何時(shí)作用問(wèn)題問(wèn)題2、半導(dǎo)體中載流

17、子有哪幾種輸運(yùn)機(jī)制、半導(dǎo)體中載流子有哪幾種輸運(yùn)機(jī)制問(wèn)題問(wèn)題3、遷移率用來(lái)表征那種輸運(yùn)？受哪幾、遷移率用來(lái)表征那種輸運(yùn)？受哪幾種散射機(jī)制的影響？種散射機(jī)制的影響？第四、五章導(dǎo)言第四、五章導(dǎo)言/Q第四章第四章 PN結(jié)結(jié)一、熱平衡一、熱平衡 1、空間電荷區(qū)的形成與內(nèi)建電勢(shì)、電荷分布、空間電荷區(qū)的形成與內(nèi)建電勢(shì)、電荷分布 2、突變結(jié)與緩變結(jié)的電場(chǎng)、電勢(shì)、電荷分布、突變結(jié)與緩變結(jié)的電場(chǎng)、電勢(shì)、電荷分布二、準(zhǔn)靜態(tài)電流電壓特性二、準(zhǔn)靜態(tài)電流電壓特性 1、理想特性、理想特性 2、大注入、串聯(lián)電阻、（雙載流子導(dǎo)電）、大注入、串聯(lián)電阻、（雙載流子導(dǎo)電） 3、產(chǎn)生復(fù)合、產(chǎn)生復(fù)合三、勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容三、勢(shì)壘電容與擴(kuò)

18、散電容 四、暫態(tài)響應(yīng)四、暫態(tài)響應(yīng)五、擊穿（擊穿電壓與濃度、溫度、尺寸）五、擊穿（擊穿電壓與濃度、溫度、尺寸）六、異質(zhì)結(jié)六、異質(zhì)結(jié)電荷控制：電荷控制：/QJ如何提高開(kāi)關(guān)速度？如何提高開(kāi)關(guān)速度？隧道擊穿：高電場(chǎng)（高摻雜短路徑）隧道擊穿：高電場(chǎng)（高摻雜短路徑）雪崩擊穿：雪崩擊穿：耗盡區(qū)耗盡區(qū) (a)突變結(jié)(b) 線性緩變結(jié) 突變結(jié)突變結(jié) 在熱平衡時(shí)，空間電荷 在耗盡區(qū)的分布(b) 電場(chǎng)分布。陰影面積為 內(nèi)建電勢(shì) 單邊突變結(jié)在熱平衡時(shí)，單邊突變結(jié)（其中 NA ND）。空間電荷分布。 電場(chǎng)分布。隨距離改變的電勢(shì)分布，其中 Vbi 為內(nèi)建電勢(shì)。 單邊突變結(jié)熱平衡情況下。正向偏壓情況下。反向偏壓情況下 熱平

19、衡時(shí)的線性緩變結(jié) 雜質(zhì)濃度分布。電場(chǎng)分布。電勢(shì)分布。 能帶圖。 超突變結(jié)、單邊突變結(jié)和單邊線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布 耗盡區(qū)、能帶圖、載流子分布 正向偏壓反向偏壓 注入的少數(shù)載注入的少數(shù)載流子分布和電流子分布和電子空穴電流子空穴電流 正向偏壓。(b) 反向偏壓。 此圖顯示理想電流。對(duì)于實(shí)際器件，電流在耗盡區(qū)并非定值。 典型p-n 結(jié)電流-電壓特性 PNV1、大注入，小電流、大注入，小電流2、串聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻3、雙載流子導(dǎo)電、雙載流子導(dǎo)電4、長(zhǎng)、長(zhǎng)/短二極管短二極管小電流小電流大注入大注入 p-n 結(jié)的小信號(hào)等效電路 p-n 結(jié)的暫態(tài)響應(yīng) (a) 基本開(kāi)關(guān)電路 (b)由正向偏壓轉(zhuǎn)至反向偏壓時(shí)的電流暫

20、態(tài)響應(yīng) 在結(jié)擊穿條件下的能帶圖 (a)隧道效應(yīng)。 (b) 雪崩倍增 硅和砷化鎵單邊突變結(jié)的擊穿臨界電場(chǎng)和背景雜質(zhì)的關(guān)系 硅和砷化鎵結(jié)，在單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓和雜質(zhì)濃度的關(guān)系，及在線性緩變結(jié)雪崩擊穿電壓和雜質(zhì)梯度的關(guān)系。段-點(diǎn)線代表隧穿機(jī)制發(fā)生起始點(diǎn)擴(kuò)散結(jié)的擊穿電壓插圖表示空間電荷分布 p+-n+和p+-n+的擊穿電壓 W為p-型輕摻雜()或n-型輕摻雜()的厚度 (a) 平面擴(kuò)散工藝在接近擴(kuò)散阻擋層邊緣所形成的結(jié)曲面，rj 為曲率半徑。 (b) 圓柱和球形區(qū)域通過(guò)長(zhǎng)方形阻擋層擴(kuò)散形成 (a)兩個(gè)分離半導(dǎo)體的能帶圖 (b)在熱平衡下，理想 n-p 異質(zhì)結(jié)的能帶圖 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)PN結(jié)二極管計(jì)算：

21、結(jié)二極管計(jì)算：1、泊松方程（電場(chǎng)電勢(shì)分布）：、泊松方程（電場(chǎng)電勢(shì)分布）： 偏壓近似、耗盡近似偏壓近似、耗盡近似 邊界條件邊界條件2、電流方程、電流方程3、電容計(jì)算、電容計(jì)算4、小信號(hào)電導(dǎo)、小信號(hào)電導(dǎo)一、平衡一、平衡pn結(jié)結(jié)自建勢(shì)自建勢(shì)qVbi費(fèi)米能級(jí)平直費(fèi)米能級(jí)平直0dxdEF0 xEnxEnjFnnFnn 0 xEpxEpjFppFpp 1、能帶結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)兩邊載流子兩邊載流子濃度不同濃度不同擴(kuò)散擴(kuò)散自建場(chǎng)自建場(chǎng)漂移漂移平衡時(shí)平衡時(shí) 擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移kTqifenn/ )(kTqifenp/ )(自建勢(shì)自建勢(shì)TkENNngvci2exp2/1vcadthgbiNNNNVqEVln/2ln

22、iPNinipbinpnqkTEEVVbi取決于取決于結(jié)兩邊的摻雜濃度，結(jié)兩邊的摻雜濃度，與材料特性相關(guān)與材料特性相關(guān)全耗盡近似全耗盡近似Built-in voltage of n+-p junctions versus acceptor concentration (cm-3)耗盡區(qū)耗盡區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)邊界邊界準(zhǔn)中準(zhǔn)中性區(qū)性區(qū)PN結(jié)中的空間電荷區(qū)結(jié)中的空間電荷區(qū) （突變結(jié)）（突變結(jié)）上述方程需要數(shù)值求上述方程需要數(shù)值求解解為了求得解析解，需為了求得解析解，需要作近似要作近似PN結(jié)的耗盡近似空間電荷區(qū)中載流子全部耗結(jié)的耗盡近似空間電荷區(qū)中載流子全部耗盡盡準(zhǔn)中性準(zhǔn)中性p區(qū)區(qū)準(zhǔn)中性準(zhǔn)中性n區(qū)區(qū)耗盡區(qū)

23、耗盡區(qū)qND-qNAxn-xp 0 x 0 x DqNx AqNx nxx 00 xxp使泊松方程簡(jiǎn)化使泊松方程簡(jiǎn)化A、耗盡區(qū)、耗盡區(qū)-snDspAxmxqNxqNdxdE022dmnpmmWExxEVmDADAsnpdVNqNNNxxW20 xxpsDqNdxd22sAqNdxd22nxx0耗盡近似下的泊松方程耗盡近似下的泊松方程nsdxxsdxxqNdxqNdxdEnpsaxxqNE nmxxExE1面積電勢(shì)面積電勢(shì)EmVm pmxxExE1 pxxPN結(jié)的耗盡近似下的電場(chǎng)和電勢(shì)分布結(jié)的耗盡近似下的電場(chǎng)和電勢(shì)分布xxpdxxEx)()(B、準(zhǔn)中性區(qū)、準(zhǔn)中性區(qū)二、正向偏置的二、正向偏置的pn

24、結(jié)（少子擴(kuò)散近似耗盡結(jié)（少子擴(kuò)散近似耗盡近似小注入近似）近似小注入近似）npappVappbimVVV 小注入小注入 所有電壓均降在耗盡區(qū)所有電壓均降在耗盡區(qū) 耗盡近似耗盡近似 耗盡區(qū)耗盡區(qū) 內(nèi)無(wú)產(chǎn)生復(fù)合內(nèi)無(wú)產(chǎn)生復(fù)合 假設(shè)少子在準(zhǔn)中性區(qū)僅為擴(kuò)散假設(shè)少子在準(zhǔn)中性區(qū)僅為擴(kuò)散 確定少數(shù)載流子在各空間電荷確定少數(shù)載流子在各空間電荷區(qū)邊界處的濃度區(qū)邊界處的濃度 確定少數(shù)載流子在準(zhǔn)中性區(qū)的確定少數(shù)載流子在準(zhǔn)中性區(qū)的濃度濃度 (擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程) 確定少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流確定少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流 (濃濃度的梯度度的梯度) J = Jn + Jp 100kTqVppnnnpnpappeLDpLDnqxjxjJ

25、忽略空間電荷區(qū)內(nèi)復(fù)合時(shí)的理想情況忽略空間電荷區(qū)內(nèi)復(fù)合時(shí)的理想情況1expkTqVJJappsnpnpnpsLnqDLpqDJ00兩種情形長(zhǎng)、兩種情形長(zhǎng)、短短二極管二極管LnWp 或或LpWnppnnnpsWnqDWpqDJ00分別用分別用Wp替代替代Ln，Wn替代替代Lp三、反向偏置的三、反向偏置的pn結(jié)結(jié)appbimVVV 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnqxjxjJ四、四、pn結(jié)電容結(jié)電容1、耗盡層電容、耗盡層電容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd+-VP+Nxd外加偏壓改變耗盡層厚度外加偏壓改變耗盡層厚度2、擴(kuò)散電容、擴(kuò)散電容在空間電荷區(qū)外少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的

26、范圍內(nèi)存儲(chǔ)有過(guò)剩少子在空間電荷區(qū)外少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi)存儲(chǔ)有過(guò)剩少子少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)過(guò)剩少子的存儲(chǔ)引起的少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)過(guò)剩少子的存儲(chǔ)引起的 （正偏壓時(shí)顯著（正偏壓時(shí)顯著NpPnDpdxqndxqQ11 kTqVLnLpkTqVCappnppnDexp2002低頻低頻1,pn正向偏置、正向偏置、低頻時(shí)作用低頻時(shí)作用顯著顯著第五章第五章 Bipolar Transistors1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu) 原理結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu) 摻雜特點(diǎn)摻雜特點(diǎn)2、基本工作原理、基本工作原理3、工作模式、工作模式第一節(jié)第一節(jié) BJT 基礎(chǔ)基礎(chǔ)一、一、BJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)射發(fā)射區(qū)區(qū)收集收集區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)收收集

27、集結(jié)結(jié)發(fā)發(fā)射射極極收收集集極極基基極極近代平面結(jié)構(gòu)近代平面結(jié)構(gòu)102010171015基本摻雜分布與實(shí)際的分立器件結(jié)構(gòu)基本摻雜分布與實(shí)際的分立器件結(jié)構(gòu)思考題：思考題：1、計(jì)算正向偏壓和反向偏壓下、計(jì)算正向偏壓和反向偏壓下PN結(jié)的最大電場(chǎng)結(jié)的最大電場(chǎng)2、小信號(hào)下的、小信號(hào)下的CV曲線曲線3、如何把、如何把PN結(jié)的擴(kuò)散電流引出構(gòu)成恒流源？結(jié)的擴(kuò)散電流引出構(gòu)成恒流源？4、計(jì)算、計(jì)算Jn和和Jp占總電流的比例占總電流的比例 p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分，電子流方向與晶體管在放大模式下的各電流成分，電子流方向與電流方向相反電流方向相反 四種晶體管工作模式下的結(jié)極性與少數(shù)載流子分布四種晶體管工

28、作模式下的結(jié)極性與少數(shù)載流子分布 （a） 晶體管開(kāi)關(guān)電路，（晶體管開(kāi)關(guān)電路，（b） 晶體管由截止模式切換到飽和模式。晶體管由截止模式切換到飽和模式。晶體管開(kāi)關(guān)特性（晶體管開(kāi)關(guān)特性（a） 基極輸入電流脈沖，（基極輸入電流脈沖，（b） 基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化，基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化，（c） 集電極電流隨時(shí)間的變化，（集電極電流隨時(shí)間的變化，（d） 基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布 少數(shù)載流子基區(qū)分布少數(shù)載流子基區(qū)分布放大模式下放大模式下 p-n-p 晶體管中各區(qū)域的少數(shù)載流子分布晶體管中各區(qū)域的少數(shù)載流子分布 信號(hào)放大組態(tài)的輸入、輸出信號(hào)放大組態(tài)的輸入、輸出（a）

29、p-n-p 晶體管的共基組態(tài)，（晶體管的共基組態(tài)，（b） 其輸出電流電壓特性其輸出電流電壓特性 （a） p-n-p晶體管的共射組態(tài)，（晶體管的共射組態(tài)，（b） 其輸出電流電壓特性其輸出電流電壓特性 ecII0bcII00001cecIIIeciibcii1（a） 連接成共射組態(tài)的雙極型晶體管，（連接成共射組態(tài)的雙極型晶體管，（b） 晶體管電晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)路的小信號(hào)工作狀態(tài) 厄雷效應(yīng)與厄雷電壓厄雷效應(yīng)與厄雷電壓 （a） 基本晶體管等效電路，（基本晶體管等效電路，（b） 基本等效電路加上勢(shì)壘和基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容，（擴(kuò)散電容，（c）基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)。）基本等效電路加

30、上電阻和電導(dǎo)。電流增益與頻率的關(guān)系電流增益與頻率的關(guān)系 1)exp(1kTexp()11 ()11IsIIBFCEkTqVqVIsIsIsCBER）（a）n-p-n HBT 結(jié)構(gòu)的截面圖示，（結(jié)構(gòu)的截面圖示，（b）放大模式下）放大模式下HBT的能帶的能帶圖圖 圖圖 18 磷化銦系磷化銦系HBT8電流增益與頻率的關(guān)系電流增益與頻率的關(guān)系 （a）n-p-n Si/SiGe/Si HBT的器件結(jié)構(gòu)，（的器件結(jié)構(gòu)，（b） HBT和和BJT的集電極、基極的集電極、基極電流與電流與VEB的關(guān)系。的關(guān)系。有與無(wú)緩變層、和有與無(wú)緩變基區(qū)的有與無(wú)緩變層、和有與無(wú)緩變基區(qū)的HBT能帶圖能帶圖 BCT 的能帶圖的能

31、帶圖a） p-n-p-n 二極管，（二極管，（b） 可控硅器件的典型摻雜分布，可控硅器件的典型摻雜分布，（c） 熱平衡狀態(tài)下可控硅器件的能帶圖。熱平衡狀態(tài)下可控硅器件的能帶圖。可控硅器件的雙晶體管模型示意圖可控硅器件的雙晶體管模型示意圖 p-n-p-n 二極管的電流電壓特性二極管的電流電壓特性 可控硅器件工作在各區(qū)域的耗盡層寬度與壓降可控硅器件工作在各區(qū)域的耗盡層寬度與壓降 （a） 熱平衡熱平衡狀態(tài)，（狀態(tài)，（b） 正向阻斷，（正向阻斷，（c） 正向?qū)?，（正向?qū)?，（d） 反向阻斷。反向阻斷。 （a）平面三端點(diǎn)可控硅器件示意圖（）平面三端點(diǎn)可控硅器件示意圖（b）平面可控硅器件的橫截面）平面可

32、控硅器件的橫截面 柵極電流對(duì)可控硅器件電流電壓特性的影響柵極電流對(duì)可控硅器件電流電壓特性的影響 （a） 應(yīng)用可控硅器件的電路，（應(yīng)用可控硅器件的電路，（b） 電壓與柵極電流的波形電壓與柵極電流的波形 （a）二反接的）二反接的p-n-p-n二極管，（二極管，（b）將二極管整合為二）將二極管整合為二端點(diǎn)的端點(diǎn)的diac，（，（c） diac的電流電壓特性的電流電壓特性 triac橫截面，具有六層結(jié)構(gòu)，包含五個(gè)橫截面，具有六層結(jié)構(gòu)，包含五個(gè)p-n結(jié)結(jié) 在相同正向阻斷電壓下，結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)分布的比較在相同正向阻斷電壓下，結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)分布的比較 （a） 不對(duì)稱可控硅器件，（不對(duì)稱可控硅器件，（b）傳統(tǒng)可控硅器

33、件。）傳統(tǒng)可控硅器件。 柵極加負(fù)電壓的柵極加負(fù)電壓的GTO 可控硅器件可控硅器件 可控硅器件的主要應(yīng)用可控硅器件的主要應(yīng)用P+AnodeN+N+CathodeRnPSubstrateNwellxYRpOXIDE第五章中幾個(gè)關(guān)鍵參量總結(jié)（第五章中幾個(gè)關(guān)鍵參量總結(jié)（PNP）1、集、射電流構(gòu)成：CNCPCEPIIIIIIENE，Iep承載的是通過(guò)承載的是通過(guò)eb結(jié)的有效載流子（少子擴(kuò)散），結(jié)的有效載流子（少子擴(kuò)散），其占其占Ie的比率為發(fā)射系數(shù)；的比率為發(fā)射系數(shù)；Icp是是Iep通過(guò)基區(qū)后的剩通過(guò)基區(qū)后的剩余量（二者比率是傳輸系數(shù)）；余量（二者比率是傳輸系數(shù)）；Iep通過(guò)基區(qū)過(guò)程中一部分與Ib中的部

34、分電子復(fù)合，一部分與Icn中的部分電子復(fù)合；Ib和Icn中剩余電子進(jìn)入發(fā)射極構(gòu)成Ien;000cbIIeIcnIeIc公式公式9，102、發(fā)射效率、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)、共基電流增益、發(fā)射效率、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)、共基電流增益例一、例二（公式31、31a）3、基區(qū)寬度：短二極管、基區(qū)寬度：短二極管4、基極電流、基極電流Ib=Ie-Ic5、共射電流增益（公式、共射電流增益（公式35，37）BCCEOBCIIII00,I6、漏電流（例、漏電流（例3）CBOCEOII) 1(07、HBT的電流增益（設(shè)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為的電流增益（設(shè)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為1） 公式公式49，例四，例四第六章第六章 MOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)

35、器件MOS二極管示意圖圖1（a）MOS二極管的透視圖，（b）MOS二極管的剖面圖 圖2 V=0 時(shí)理想MOS二極管的能帶圖 圖3 (a)積累時(shí)， (b)耗盡時(shí)以及 (c)反型時(shí)的理想MOS二極管的能帶圖及電荷分布 圖4 p 型半導(dǎo)體表面的能帶圖 圖5 強(qiáng)反型情形下硅與砷化鎵（GaAs）的最大耗盡區(qū)寬度對(duì)雜質(zhì)濃度的關(guān)系 圖圖6 （a）理想）理想MOS二極管的能帶圖，二極管的能帶圖，（b）反型時(shí)的電荷）反型時(shí)的電荷分布情形，分布情形，（c）電場(chǎng)分布，）電場(chǎng)分布，（d）電勢(shì)分布）電勢(shì)分布 圖7 （a）高頻MOS C-V圖顯示其近似部份（虛線），插圖為串聯(lián)的電容器，（b）C-V圖的頻率效應(yīng) 圖圖8 鋁

36、、鋁、n+及及p+多晶硅多晶硅柵極材料的柵極材料的功函數(shù)差為功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)度的函數(shù) 圖9 （a）獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體間夾一氧化物的能帶圖，（b）熱平衡下的MOS二極管的能帶圖。圖圖10 熱二氧化硅中的相關(guān)電荷熱二氧化硅中的相關(guān)電荷圖11 （a）VG = 0情形下，（b）平帶條件下，氧化層中片電荷的影響2 圖12 MOS二極管中固定氧化層電荷與界面陷阱對(duì)C-V 特性的影響 圖13三相電荷耦合器件的剖面圖4，（a）高電壓加于 （b）加更高電壓，以使電荷輸運(yùn)。 23MOS電容小結(jié)電容小結(jié)1、由絕緣介質(zhì)層電容和、由絕緣介質(zhì)層電容和PN結(jié)電容串聯(lián)結(jié)電容串聯(lián)2、積累狀態(tài)電容為、積累

37、狀態(tài)電容為C03、反型狀態(tài)、反型狀態(tài)jjVVVVQCCC00a、低頻：PN結(jié)寬度固定，電荷、電壓的變化均體現(xiàn)在反型電荷/介質(zhì)層b、高頻：反型層失去了電荷來(lái)源思考題：C-V曲線 1、多晶硅電極的情況 2、有氧化層隧穿電流的情況4、VFB5、深耗盡圖14 MOSFET透視圖 6.2 MOSFET基本原理基本原理1、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài) 閾值電壓閾值電壓 使得表面使得表面勢(shì)勢(shì) ，形成導(dǎo)電通道，大量，形成導(dǎo)電通道，大量反型電子使得器件導(dǎo)通反型電子使得器件導(dǎo)通thVs,dVgBs2Qinv)2exp(tsv)2exp(tsv)2exp(1tssvBB20s3、導(dǎo)電通道形成后的、導(dǎo)電通道形成后的直流直流電流

38、電壓特性電流電壓特性 a、線性區(qū)、線性區(qū) b、飽和態(tài)恒流源、飽和態(tài)恒流源2)(2)(thgdsatdthgdVVIVVVI2、閾值電壓調(diào)節(jié)、閾值電壓調(diào)節(jié)圖15 MOSFET工作方式及其輸出的I-V 特性。（a）低漏極電壓，（b）進(jìn)入飽和區(qū)，P點(diǎn)為夾斷點(diǎn)，（c）過(guò)飽和 圖16 （a）MOSFET工作于線性區(qū)，（b）溝道的放大圖，（c）沿溝道的漏極壓降。 圖17 理想MOSFET的漏極特性，于VDVDsat 時(shí)漏極電流為一常數(shù) 圖18 MOSFET的亞域值特性 IDVgVthVd0.5V 理想條件下理想條件下MOSFET電流電壓特性的推導(dǎo)電流電壓特性的推導(dǎo)sboxgVVVsbgsgb目標(biāo)：反型層電

39、荷目標(biāo)：反型層電荷Poly gateoxidesiliconsbscinvsQQQscsgscsinvnQCVQQQQ0即即)(2yVbs而而p+p+PVddVgd,s Vth圖圖19 四四種類型的種類型的MOSFET的剖面圖、的剖面圖、輸出以及輸出以及轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 圖圖20 n溝道溝道（VTn）與）與p溝道溝道（VTp）MOSFET的閾值電壓推算值的閾值電壓推算值為雜質(zhì)濃度的函數(shù)。為雜質(zhì)濃度的函數(shù)。柵極材料分別為柵極材料分別為n+、p+多晶硅及多晶硅及功函數(shù)位于禁帶中功函數(shù)位于禁帶中心的柵極。假設(shè)沒(méi)心的柵極。假設(shè)沒(méi)有固定電荷。柵極有固定電荷。柵極氧化層厚度為氧化層厚度為5 nm。圖圖21

40、 n阱結(jié)構(gòu)寄生的場(chǎng)晶體管的剖面圖。阱結(jié)構(gòu)寄生的場(chǎng)晶體管的剖面圖。圖圖22 使用襯底偏壓調(diào)整閾值電壓使用襯底偏壓調(diào)整閾值電壓 圖23 在0.15m CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管工藝中的閾值電壓下跌特性 短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)Vth roll-off圖24 短溝道效應(yīng)中電荷共享模型示意圖 圖圖25 在不同溝道長(zhǎng)度，沿在不同溝道長(zhǎng)度，沿n溝道溝道MOSFET溝道的表面電勢(shì)推算值。源極溝道的表面電勢(shì)推算值。源極與溝道的邊界定為與溝道的邊界定為y = 0，點(diǎn)線代表施加低漏極電壓（，點(diǎn)線代表施加低漏極電壓（0.05 V），實(shí)線），實(shí)線代表施加高漏極電壓（代表施加高漏極電壓（1.5 V）。氧化層厚度）。氧化層厚度d與

41、襯底摻雜與襯底摻雜NA分別為分別為10 nm與與1016 cm-3。襯底偏壓為。襯底偏壓為0伏特。伏特。 短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)DIBL圖圖26 （a）長(zhǎng)溝道與（長(zhǎng)溝道與（b）短溝道短溝道MOSFET的的亞域值特性亞域值特性 圖圖27 n溝道溝道MOSFET 在在VDS 0.1、1與與4 V時(shí)的亞域值特性時(shí)的亞域值特性 圖圖28 CMOS反相器反相器圖圖29 Ip與與In為為Vout的函數(shù)。的函數(shù)。Ip與與In（圓點(diǎn)）的截距為（圓點(diǎn)）的截距為CMOS反相器反相器的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。曲線是依輸入電壓來(lái)標(biāo)示：的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。曲線是依輸入電壓來(lái)標(biāo)示：0 = Vino Vin1 Vin2 Vin3 Vin4 =

42、 VDD。 CMOS反相器工作原理反相器工作原理圖圖30 CMOS反相器的轉(zhuǎn)移反相器的轉(zhuǎn)移特性。標(biāo)示為特性。標(biāo)示為A，B，C與與D的點(diǎn)與圖的點(diǎn)與圖29相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。 圖圖31 使用使用p 阱技術(shù)制作的阱技術(shù)制作的CMOS反相器的剖面圖反相器的剖面圖 n+n+PV=Isub*RVdLatch-up 效應(yīng)原理圖效應(yīng)原理圖圖圖32 圖圖31的的p 阱阱結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的等效電路 CMOS反相器工作原理反相器工作原理2圖圖33 避免閂鎖可利用重?fù)诫s外延襯底避免閂鎖可利用重?fù)诫s外延襯底 圖圖34 典型的典型的a-Si:H TFT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 圖35 a-Si:H TFT的亞域值特性（L/Z=10/60m)場(chǎng)效應(yīng)載流子遷移率為0.23 cm2/V.s圖圖36 多晶硅多晶硅TFT結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 圖圖 37 SOI CMOS的剖面圖。的剖面圖。圖圖38 n溝道溝道SOI MOS