半導體及其基本特性

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

2、縛 后形成的自由電子，對應(yīng)于導帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛 后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位3. 半導體的能帶 (價帶、導帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結(jié)構(gòu) 原子能級 能帶共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原 子 能 級 反 成 鍵 態(tài) 成 鍵 態(tài)價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結(jié)構(gòu)導 帶價 帶Eg半導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，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導體的摻雜BAs 受 主 摻 雜 施 主 摻 雜施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中 提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中 提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如 Si中摻的B施主能級受主能級雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運動形成量子態(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體：沒有摻雜的半導體本征載流子：本征半導體中的載流子載流子濃度 電 子 濃 度 n, 空

4、 穴 濃 度 p6. 非本征半導體的載流子在非本征情形: 熱平衡時:N型半導體：n大于pP型半導體：p大于n多子：多數(shù)載流子n型半導體：電子p型半導體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導體：空穴p型半導體：電子7. 電中性條件: 正負電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補償p = n + Na Ndn = p + Nd Nan型半導體：電子 n Nd 空穴 p ni2/Ndp型半導體：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)生和復合：電

5、子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復合9. 載流子的輸運漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力 載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動 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)量平均弛豫時間（散射體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導體中載流子的散射機制： 晶格散射（ 熱 運 動 引 起） 電離雜質(zhì)散射擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴散運動：載流子在化學勢作用下運動過剩載流子的擴散和復合過剩載流子的復合機制： 直接復合、間接復合、 表面復合、俄歇復合過剩載流子的

6、擴散過程擴散長度Ln和Lp: L=(D)1/2描述半導體器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半導體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米能級Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢增加方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動的 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，方程RHS0，靜電勢為常數(shù) 電流連續(xù)方程 可動載流子的守恒熱平衡時：產(chǎn)生率復合率np=ni2電子：空穴 電流密度方程 載流子的輸運方程在漂移擴散模型中擴散項漂移項方程形式1愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程形式2電子和空穴的準費米勢：費米勢重 點半導體、N型半導體、P型半導體、本征半導體、非本征半導體載流子

7、、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導帶、價帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運、漂移、擴散、產(chǎn)生、復合作 業(yè)載流子的輸運有哪些模式，對這些輸運模式進行簡單的描述設(shè)計一個實驗：首先將一塊本征半導體變成N型半導體，然后再設(shè)法使它變成P型半導體。半導體器件物理基礎(chǔ)北京大學據(jù)統(tǒng)計：半導體器件主要有67種，另外還有110個相關(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)金屬半導體接觸 MOS結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié) 超晶格半導體器件物理基礎(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)，因為缺少載流子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)和擴散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場和自建勢自建場和自建勢費米能級EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時，能級被占據(jù)的幾率為1/2本征費米能級位于禁帶中央自建勢qVbi費米能級平直平衡時的能帶結(jié)構(gòu)3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時，擴散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴散和復合過程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)擴散擴散漂移漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散NPN區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴散漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散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)?，多?shù)載流子擴散電流反向截止，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)寬度遠遠小于少子擴散長度發(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晶體管的電流輸運機制正常工作時的載流子輸運相應(yīng)的載流子分布NPN晶體管的電流輸運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，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開路時，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開路時，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時對應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時對應(yīng)的頻率5. BJT的特點優(yōu)點垂直結(jié)構(gòu)與輸運時間相關(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應(yīng)用模擬電路輸入電容由擴

12、散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時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缺點：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲電荷上升開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計參數(shù)設(shè)計BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB當代BJT結(jié)構(gòu)特點：深槽隔離多晶硅發(fā)射極 2.5 MOS場效應(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（超導線2、介質(zhì)層不吸收能量非理想的電容：CidealRpRS半導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未加偏壓時的MOS結(jié)構(gòu)MOS 電容的結(jié)構(gòu)MOS電容中三個分離系統(tǒng)的能帶圖 功函數(shù)無偏壓時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