半導體物理與器件第四版ppt

1、半導體物理與器件 能帶理論原子結(jié)構(gòu)原子的核型結(jié)構(gòu):盧瑟福認為原子的結(jié)構(gòu)與太陽系結(jié)構(gòu)相似,中間是原子核,相當于太陽,電子繞著原子核旋轉(zhuǎn),就象9大行星繞著太陽轉(zhuǎn)一樣。硅原子結(jié)構(gòu)泡利不相容原理泡利不相容原理:原子中第n個殼層最多只能容納2N個電子。電子共有化運動半導體晶體中的電子共有化運動：晶體中原子外圍電子的軌道互相重疊，電子不再只屬于某一個原子，而是可以在整個晶體內(nèi)運動，為晶體整個原子所共有。電子共有化運動電子共有化運動：能帶形成能帶概念半導體中能帶的形成：電子的共有化運動，引起能級的分裂，受泡利不相容原理的影響，這些能級將形成能量稍有不同的“能帶”能帶圖能帶概念空帶，滿帶，價帶，導帶，禁帶寬度

2、： 能帶上沒有電子，稱空帶。 能帶上充滿電子，稱滿帶。 能量最高的滿帶稱為價帶EV。 能量最低的空帶稱為導帶EC。導帶和價帶之間的區(qū)域稱為禁帶寬度Eg。導體、半導體、絕緣體的能帶的差異：禁帶寬度極大的不同。半導體中的雜質(zhì)本征半導體本征半導體：純凈半導體，無雜質(zhì)。本征激發(fā)：在一定溫度下，由于熱運動，一部分價帶電子獲得大于禁帶寬度的能量而躍遷到導帶。（實質(zhì)：共價鍵上電子掙脫了出來，成為自由電子；同時留下一個空穴。）這樣形成了空穴電子對。載流子復合電子空穴對的復合：電子空穴對在晶體中相遇，就可能復合而消失，補好了一個完整的共價鍵。 這也就是電子又從導帶跳回了價帶，多余的能量以發(fā)光的形式或發(fā)熱的形式釋

3、放出來。 激發(fā)和復合可形成動態(tài)的平衡。 本征載流子濃度一般是很低的。載流子復合施主能級N型半導體：硅中摻入5價元素磷、砷、銻，產(chǎn)生非平衡載流子電子。在能帶圖中，在禁帶中靠近導帶的地方，形成一個施主能級ED。 施主能級受主能級P型半導體：硅中摻入3價元素硼，產(chǎn)生非平衡載流子空穴。在能帶圖中，在禁帶中靠近價帶的地方，形成一個受主能級EA。受主能級施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的補償作用。半導體中雜質(zhì)的補償費米能級EF ：衡量半導體摻雜水平電子填充水平高低的標志。 載流子運動方式半導體中載流子的兩種運動方式：漂移運動（在電場作用下的運動）；擴散運動（濃度差造成的運動）。半導體中的載流子的遷移現(xiàn)象載流子遷移率載流

4、子的遷移率：載流子在單位電場強度作用下的平均漂移速度。常溫下載流子的遷移率非平衡載流子平衡載流子：半導體在熱平衡情況下，體內(nèi)產(chǎn)生的載流子。非平衡載流子：光、電等外界因素引起的額外增加的載流子。非平衡載流子的復合載流子壽命的概念非平衡載流子的壽命:在外界作用因素停止后，其隨時間逐漸減少以至消失的過程稱為衰減。其平均存在時間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡少數(shù)載流子壽命的意義：其濃度降低到原來的37（1/e）的時間。非平衡載流子的復合機理：直接復合：電子在導帶和價帶之間的直接躍遷造成的電子和空穴的復合。間接復合：電子通過禁帶中的各種復合中心能級（雜質(zhì)和缺陷形成）分兩步進行的電子和空穴的復合。非平衡載

5、流子的凈復合率：甲：俘獲電子過程； 乙：發(fā)射電子過程； 丙：俘獲空穴過程； 丁：發(fā)射空穴過程。 凈復合率 甲 乙 丙 丁半導體的界面態(tài)和表面態(tài)半導體界面： 半導體晶體和別的物質(zhì)的交界面。 比如硅表面和SIO2的交界面。半導體表面：當別的物質(zhì)是空氣時，半導體界面又稱為半導體表面。半導體界面態(tài)：半導體界面上的硅原子外層電子不能象體內(nèi)那樣和另一個硅原子的外層電子形成完整的共價鍵，稱懸掛鍵，它很容易和其它原子結(jié)合，就形成了界面態(tài)。表面態(tài)：界面態(tài)的特殊形式。表面復合：硅晶體的表面，一般和SIO2相接，在相互作用下，由于界面態(tài)的存在，會在禁帶中形成一些新的能級；硅晶體表面受水汽和臟物的影響，也會在禁帶中產(chǎn)

6、生一些新的能級。 這些能級其實也屬于復合中心能級的范疇。從而使晶體表面載流子復合加劇，這樣就使表面附近載流子壽命減小。非平衡載流子的擴散運動非平衡載流子的擴散運動：自然界任何物質(zhì)都有從濃度高處向濃度低處運動的趨勢。非平衡載流子的擴散擴散流與濃度差的關(guān)系：等式右邊的D表示擴散系數(shù)。 dn/dx表示濃度梯度，即濃度差的大小。影響擴散系數(shù)的因素：溫度、摻雜濃度等：擴散流密度與擴散定律 ：擴散流密度與載流子的濃度梯度成正比。 擴散長度Lp：是描寫非平衡少子在邊擴散邊復合的過程中，能夠擴散的平均距離。其在數(shù)值上等于非平衡少子濃度衰減到原來 的1/e（即37）時兩點之間的距離。擴散長度的計算;愛因斯坦方程

7、半導體體內(nèi)可能存在的4種電流PN結(jié)與半導體二極管1.2 半導體二極管 二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極- 二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1) 點接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3) 平面型二極管 用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。PN結(jié)的形成：合金法；擴散法；注入法兩種不同雜質(zhì)分布的PN結(jié)突變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)的雜質(zhì)分布界限分明。緩變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)的雜質(zhì)分布呈現(xiàn)此消彼漲的漸變模式。PN結(jié)的空間電荷區(qū)PN結(jié)的勢壘PN結(jié)的正向特性PN結(jié)的反向特性P

8、N結(jié)兩邊的摻雜濃度PN結(jié)兩邊未接觸時的能帶圖PN結(jié)能帶圖少子在PN結(jié)兩邊的分布PN結(jié)的正反向接法 根據(jù)理論分析：u 為PN結(jié)兩端的電壓降i 為流過PN結(jié)的電流IS 為反向飽和電流UT =kT/q 稱為溫度的電壓當量其中k為玻耳茲曼常數(shù) 1.381023q 為電子電荷量1.6109T 為熱力學溫度 對于室溫（相當T=300 K）則有UT=26 mV。當 u0 uUT時當 u|U T |時影響PN結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素：正向復合電流：當P區(qū)來的空穴和N區(qū)來 的電子在空間電荷區(qū)復合時，就形成該電流，此電流在正向電流較小時比重較大，由于它對三極管發(fā)射極注入無貢獻，故小電流時三極管放大倍數(shù)會下降。

9、 反向時空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流：空間電荷區(qū)熱激發(fā)的載流子在反壓下來不及復合，就被電場驅(qū)走，增多了反向電流。 大注入情況：電流隨電壓的增加將變緩。PN結(jié)的反向擊穿：雪崩擊穿：當反向電壓很高時，空間電荷區(qū)電場很強，電子和空穴動能很大，可將空間電荷區(qū)中的硅的共價鍵撞開，產(chǎn)生新的電子空穴對，使載流子呈現(xiàn)雪崩式倍增，使電流劇增，形成擊穿。從能帶觀點：即是將價帶上的電子激發(fā)到了導帶上。雪崩擊穿影響雪崩電壓大小因素：單邊突變結(jié)電壓與輕摻雜一邊摻雜濃度有關(guān)，濃度大則電壓低。緩變結(jié)擊穿電壓高低則與濃度梯度的大小有關(guān)，梯度大則電壓低，反之已然。隧道擊穿隧道擊穿：對于PN結(jié)兩邊摻雜都較高的情況下，空間電荷區(qū)比較窄，電場

10、強度極大，使得電子和空穴的能量極高，快速穿越PN結(jié)，造成擊穿。隧道擊穿從能帶角度講：P區(qū)的價帶可高于N區(qū)的導帶，這時P區(qū)價帶電子就可穿越空間電荷區(qū)的隧道，直接進入N區(qū)導帶，形成擊穿。一般而言，擊穿電壓在7伏以下者是隧道擊穿，反之是雪崩擊穿。隧道擊穿能帶圖金屬半導體接觸固體的功函數(shù)固體的功函數(shù)逸出功：固體的處于費米能級高度的電子跑到自由空間需要的能量。金屬半導體接觸：金半接觸的整流特性（SBD結(jié)構(gòu)肖特基二極管）低摻雜的N型半導體與金屬接觸，當金屬的逸出功較大時，就會形成肖特基勢壘，出現(xiàn)整流特性。歐姆接觸定義：歐姆接觸的概念:線性和對稱的伏安特性,接觸電阻小于材料體電阻. 獲得方式：低勢壘接觸:P

11、型硅與金屬的接觸高復合接觸：大量的缺陷能級提供反向時的載流子高摻雜接觸：空間電荷區(qū)極薄，電子可通過隧道效應穿過去肖特基二極管與普通二極管的比較：1.正向壓降較低：多子電流大，故飽和電流大。2.開關(guān)速度較快：空間電荷區(qū)沒有電荷存儲效應。肖特基二極管結(jié)構(gòu)半導體的磁電效應霍爾效應霍爾效應的現(xiàn)象：在半導體晶體上，在x方向加以電場，流過一個電流，在z方向施加一個磁場，則在y方向?qū)a(chǎn)生一個橫向電壓，稱為霍爾電壓。原理：是物理學中洛侖茲力引起的載流子定向運動。有關(guān)公式霍爾系數(shù)RH霍爾效應在半導體工藝中的應用：1.可以測量載流子濃度。2.可判斷硅片的導電類型。3.可測量載流子的遷移率?；魻栯妷簻y試示意通過測

12、出霍爾系數(shù)和電導，可求出載流子遷移率推導過程從略晶體管的直流特性晶體管的基本結(jié)構(gòu)一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號: 三極管的結(jié)構(gòu)特點:（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極二 BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管） 三極管在工作時要加上適當?shù)闹绷髌秒妷骸?022/8/22若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、 VBB保證UCB=UCE - UBE 0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)載流子在晶體管內(nèi)的傳播 （

13、1）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴散電流IEN 。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。 （2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復合掉，形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達了集電區(qū)的邊緣。1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程晶體管的輸入特性曲線 BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）(1) 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const（1）uCE=0V時，相當于兩個PN結(jié)并聯(lián)。（3）uCE 1V再增加時，曲線右移很不明顯。（2）當uCE=1V時， 集電結(jié)已進入

14、反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復合減少， 在同一uBE 電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區(qū)電壓硅 0.5V鍺 0.1V導通壓降硅 0.7V鍺 0.3V輸出特性曲線 (2)輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const 現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。 （1）當uCE=0 V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當uCE 1V后，收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。 輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uC

15、E0.7 V。 此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。 此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū) 曲線基本平行等 距。 此時，發(fā) 射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。 該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū) BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)： iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)： 2.極間反向電流 （2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO 基極開路時，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流 。其大小與溫度有關(guān)。 （1）集電極基極間

16、反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管：I CBO為微安數(shù)量級， 硅管：I CBO為納安數(shù)量級。+ICBOecbICEO 3.極限參數(shù) Ic增加時， 要下降。當值下降到線性放大區(qū)值的70時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM （3）反向擊穿電壓 BJT有兩個PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向

17、電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路時，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。 在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管的基極電阻rb、輸入正向壓降VBES、飽和壓降VCES 晶體管的基極電阻rb、輸入正向壓降VBES (VBEF)、飽和壓降VCes晶體管的頻率特性晶體管的電容 PN結(jié)的電容效應 當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。 (1

18、) 勢壘電容CB(2) 擴散電容CD 當外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當電容的充放電過程。電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）晶體管的交流特性晶體管交流電流放大系數(shù)晶體管頻率特性參數(shù)發(fā)射結(jié)電容充電時間基區(qū)渡越時間集電結(jié)電容充電時間集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間截止頻率的計算晶體管功率特性 極限參數(shù) Ic增加時， 要下降。當值下降到線性放大區(qū)值的70時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗: PC= ICUCE 極限參數(shù) Ic增加時， 要下降。當值下降到線性放大區(qū)值的7

19、0時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM 反向擊穿電壓 BJT有兩個PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路時，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。 在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管安全工作區(qū)晶體管開關(guān)特性晶體管的開關(guān)作用晶體管開關(guān)過程晶體管開關(guān)時間參數(shù)發(fā)射極電容充電時間基區(qū)渡越時間集電極耗盡層渡越時間集電極電容充電時間場效應管MOS管結(jié)構(gòu)1.N溝道增強型MOS管 （1）結(jié)構(gòu) 4個電極：漏極D，源極S，柵極G和 襯底B。MOS管工作原理（