半導(dǎo)體及其基本特性

1、 半導(dǎo)體及其基本特性北京大學(xué)固體材料：超導(dǎo)體: 大于106(cm)-1 導(dǎo) 體: 106104(cm)-1 半導(dǎo)體: 10410-10(cm)-1 絕緣體: 小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制1. 半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu) 成 一 個(gè)正四面體， 具 有 金 剛 石 晶 體 結(jié) 構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge 化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS2. 半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束

2、縛 后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位3. 半導(dǎo)體的能帶 (價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu) 原子能級(jí) 能帶共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原 子 能 級(jí) 反 成 鍵 態(tài) 成 鍵 態(tài)價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo) 帶價(jià) 帶Eg半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效

3、質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導(dǎo)體的摻雜BAs 受 主 摻 雜 施 主 摻 雜施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如 Si中摻的B施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5. 本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度 電 子 濃 度 n, 空

4、 穴 濃 度 p6. 非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形: 熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子7. 電中性條件: 正負(fù)電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補(bǔ)償p = n + Na Ndn = p + Nd Nan型半導(dǎo)體：電子 n Nd 空穴 p ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴 p Na 電子 n ni2/Na8. 過剩載流子 由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電

5、子和空穴增加和消失的過程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合9. 載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率電阻率單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng) 引 入 遷 移 率 的 概 念 影 響 遷 移 率 的 因 素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制： 晶格散射（ 熱 運(yùn) 動(dòng) 引 起） 電離雜質(zhì)散射擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)過剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機(jī)制： 直接復(fù)合、間接復(fù)合、 表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的

6、擴(kuò)散過程擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln和Lp: L=(D)1/2描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢(shì)增加方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動(dòng)的 載流子（n,p)固定的 電離的施主、受主特例：均勻Si中，無外加偏壓時(shí)，方程RHS0，靜電勢(shì)為常數(shù) 電流連續(xù)方程 可動(dòng)載流子的守恒熱平衡時(shí)：產(chǎn)生率復(fù)合率np=ni2電子：空穴 電流密度方程 載流子的輸運(yùn)方程在漂移擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項(xiàng)漂移項(xiàng)方程形式1愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程形式2電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)：費(fèi)米勢(shì)重 點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子

7、、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生、復(fù)合作 業(yè)載流子的輸運(yùn)有哪些模式，對(duì)這些輸運(yùn)模式進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)北京大學(xué)據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個(gè)相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成： pn結(jié)金屬半導(dǎo)體接觸 MOS結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié) 超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)1. PN結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)耗盡層XNXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因?yàn)槿鄙佥d流子2. 平衡的PN結(jié)：沒有外加偏壓能帶結(jié)構(gòu)載流子漂移(電

8、流)和擴(kuò)散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場(chǎng)和自建勢(shì)自建場(chǎng)和自建勢(shì)費(fèi)米能級(jí)EF：反映了電子的填充水平某一個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時(shí)，能級(jí)被占據(jù)的幾率為1/2本征費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央自建勢(shì)qVbi費(fèi)米能級(jí)平直平衡時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時(shí)，擴(kuò)散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運(yùn)過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過程4. PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于擴(kuò)散NPN區(qū)P區(qū)電子：擴(kuò)散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于擴(kuò)散5. PN結(jié)的特性

9、單向?qū)щ娦裕?正向偏置 反向偏置正向?qū)ǎ鄶?shù)載流子擴(kuò)散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷篤bi0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb6. PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7. PN結(jié)電容 2.4 雙極晶體管1. 雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖2.3 NPN晶體管的電流輸運(yùn)機(jī)制正常工作時(shí)的載流子輸運(yùn)相應(yīng)的載流子分布NPN晶體管的電流輸運(yùn)NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換電子流空穴流2.3 NPN晶體

10、管的幾種組態(tài)共基極共發(fā)射極共收集極共基極共發(fā)射極共收集極NNP晶體管的共收集極接法cbe3. 晶體管的直流特性3.1 共發(fā)射極的直流特性曲線三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)3. 晶體管的直流特性3.2 共基極的直流特性曲線4. 晶體管的特性參數(shù)4.1 晶體管的電流增益（放大系數(shù)共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)0 、 兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)0、 4. 晶體管的特性參數(shù)4.2 晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開路時(shí)，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開路時(shí)，收集極發(fā)射極的反向漏電流 晶體管的主要參數(shù)之一4. 晶體管的特

11、性參數(shù) （續(xù)）4.3 晶體管的擊穿電壓BVcboBvceoBVeboBVeeo晶體管的重要直流參數(shù)之一4. 晶體管的特性參數(shù) （續(xù)）4.4 晶體管的頻率特性截止頻率 f：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的 所對(duì)應(yīng)的頻率值截止頻率f ：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率5. BJT的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號(hào)應(yīng)用模擬電路輸入電容由擴(kuò)

12、散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時(shí)在大或小的電流下工作而無需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)缺點(diǎn)：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB當(dāng)代BJT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：深槽隔離多晶硅發(fā)射極 2.5 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOS電容結(jié)構(gòu) MOSFET 器件1. MOS 電容電容的含義MOS結(jié)構(gòu)理想的MOS電容特性非理想的MOS電容特性關(guān)于電容平行板電容器+Q-QEd+-V面積A電容C定義為：QVC斜率直流和交流時(shí)均成立一 MOS結(jié)構(gòu)交流電容交流電容C定義為：+Q-QEd+-V面積A+Q-QVQVC（V斜率對(duì)于理想的交流電容，C與頻率無關(guān)這里理想指電容中沒有能量的耗散：1、忽略金屬引線的電阻（超導(dǎo)線2、介質(zhì)層不吸收能量非理想的電容：CidealRpRS半導(dǎo)體中的電容通常是交流電容例如：突變PN結(jié)電容和平行板電容器形式一樣+-VP+Nxd偏壓改變V未加偏壓時(shí)的MOS結(jié)構(gòu)MOS 電容的結(jié)構(gòu)MOS電容中三個(gè)分離系統(tǒng)的能帶圖 功函數(shù)無偏壓時(shí)MOS結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲 平帶電壓平帶電壓使表面勢(shì)為0，所需在柵上加的偏壓。施加偏壓后的不同狀態(tài)：積累、耗盡、反型施加偏壓后的不同狀態(tài)：積累、耗盡、反型施加偏壓后的不同狀態(tài)：積累、耗盡、反型施加偏