半導(dǎo)體器件的材料物理基礎(chǔ)

1、半導(dǎo)體器件的材料物理基礎(chǔ)第1頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二基本特性參數(shù)禁帶寬度Eg臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度Et介電常數(shù)載流子飽和速度Vs載流子遷移率載流子密度n(p)少數(shù)載流子壽命第2頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二第一節(jié) 遷移率遷移率的定義載流子遷移率與器件特性載流子遷移率的影響因素第3頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子遷移率的定義載流子遷移率: 自由載流子在單位電場作用下的平均漂移速度。 弱電場下，為常數(shù)； 強(qiáng)電場下，隨電場增加而減小第4頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子遷移率與器件特性載

2、流子遷移率是決定半導(dǎo)體材料電阻率大小的兩個(gè)重要參數(shù)之一。第5頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二電流承受能力和載流子遷移率有關(guān) 雙極器件pn 結(jié)二極管為例，在外加電壓U作用下，電流密度j滿足肖克萊方程第6頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子遷移率與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系 愛因斯坦關(guān)系在確定溫度下，擴(kuò)散系數(shù)的大小有遷移率唯一決定第7頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子遷移率與器件的工作頻率 雙極晶體管頻率響應(yīng)特性最重要的限制，是少數(shù)載流子渡越基區(qū)的時(shí)間第8頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子遷移率大小的影響

3、因素散射對載流子的遷移率具有重要影響 主要的散射機(jī)構(gòu)有：晶格振動散射、電離雜質(zhì)散射、載流子之間的散射等體材料中載流子散射以及表面散射第9頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二晶格振動的散射 用電子和聲子相互作用來描述。 在輕參雜時(shí)，占主導(dǎo)地位。 載流子被晶格散射過程，可以是吸收或發(fā)射聲學(xué)聲子，也可以是吸收或發(fā)射光學(xué)聲子。第10頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二兩個(gè)常用的經(jīng)驗(yàn)公式 電子遷移率： 空穴遷移率：第11頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二電離雜質(zhì)的散射 半導(dǎo)體的雜質(zhì)，電離后以靜電力對運(yùn)動于附近的電子和空穴產(chǎn)生散射作用。低溫重?fù)?/p>

4、雜時(shí)起主要作用 完全由電離雜質(zhì)散射決定載流子遷移率大小時(shí)，遷移率與溫度和電離雜質(zhì)的濃度呈下列關(guān)系第12頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子之間的散射 載流子對載流子的散射是運(yùn)動著的多個(gè)電荷環(huán)繞其公共質(zhì)心的相互散射。 相同極性載流子散射對遷移率沒有影響或很小。 相反極性的載流子之間的散射可以使雙方動量的弛豫，使遷移率下降。 只考慮載流子散射作用的載流子遷移率：第13頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二強(qiáng)電場作用下的載流子散射 弱電場下，為常數(shù)； 強(qiáng)電場下，隨電場增加而減小 強(qiáng)電場下載流子漂移速度偏離弱場規(guī)律， 主要有兩種表現(xiàn)： 速度飽和效應(yīng) 負(fù)微分遷

5、移率現(xiàn)象第14頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二遷移率與外場的關(guān)系為電子與晶格處于熱平衡時(shí)的遷移率，為熱電子的遷移率，u為格波傳播的速度，第15頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二漂移速度的表示弱電場下：Vd=uE強(qiáng)電場下，以聲學(xué)聲子交換能量時(shí)： 更強(qiáng)的電場下，以光學(xué)聲子交換能量時(shí)：第16頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二速度飽和效應(yīng)的物理解釋： 當(dāng)電場足夠強(qiáng)時(shí)，電子在單位時(shí)間內(nèi)能量高，和晶格進(jìn)行能量交換時(shí)發(fā)射光學(xué)聲子，這樣載流子能量因發(fā)射聲子而使其漂移速度趨于飽和。第17頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二負(fù)

6、微分遷移效應(yīng) 由于電子的不等價(jià)能谷間轉(zhuǎn)移形成的。熱電子有主能谷躍遷到能量較高的自能谷，子能谷的遷移率較低，如果遷移電子數(shù)量較多，平均的漂移速度會降低。第18頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二表面散射及表面遷移率表面散射：各種與表面相關(guān)聯(lián)的因素對載流子遷移率的附加影響；越靠近表面，影響越大，對電子影響大于空穴；第19頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二第二節(jié) 載流子密度和電阻率材料電阻率和器件特性載流子數(shù)量統(tǒng)計(jì)和來源載流子密度的決定因素禁帶窄化第20頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二第二節(jié) 載流子密度和電阻率由上式可知，與摻雜濃度密

7、切相關(guān)，可作為半導(dǎo)體純度的反映；第21頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二材料電阻率與器件擊穿電壓功率器件的擊穿電壓主要決定于本底材料電阻率。功率器件的擊穿是指承受反向偏壓的pn結(jié)的雪崩擊穿。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二器件擊穿雪崩擊穿： 高電壓擊穿； 條件： 足夠高U和適當(dāng)?shù)腤K第23頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二器件穿通 若pn結(jié)輕參雜層設(shè)計(jì)的不夠?qū)挘灾裂┍罁舸┥形窗l(fā)生而空間電荷區(qū)已擴(kuò)展到與電極相接，則器件先于擊穿的發(fā)生而失去阻斷能力。這種現(xiàn)象稱為穿通第24頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星

8、期二載流子統(tǒng)計(jì)第25頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二簡并半導(dǎo)體的載流子密度統(tǒng)計(jì)第26頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子來源本征載流子： 是指把價(jià)帶中的一個(gè)電子激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)空穴 本征激發(fā)主要有熱激發(fā)和光激發(fā)摻雜載流子： 在半導(dǎo)體中摻入具有恰當(dāng)化合價(jià)的雜質(zhì)原子。 n型摻雜和p型摻雜；注入載流子：光注入和電注入；第27頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二禁帶窄化本征或輕摻雜半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶之間界限清晰； 重?fù)诫s（雜質(zhì)原子百分比1/1000）時(shí)，會出現(xiàn)禁帶窄化效應(yīng)；雜質(zhì)原子近距減小，相互作用增強(qiáng)，能

9、帶出現(xiàn)雜化，能級分裂成能帶；第28頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二問題討論第29頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二愛因斯坦關(guān)系中，擴(kuò)散系數(shù)D，載流子的擴(kuò)散第30頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子飽和速度公式第31頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二電阻率與擊穿電壓的關(guān)系雪崩擊穿電壓與輕參雜的n型材料的電阻率關(guān)系其中因子m和冪指數(shù)n對不同的器件制造工藝和材料電阻率略有些變化。第32頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二第三節(jié) 少數(shù)載流子壽命載流子壽命的概念少數(shù)載流子壽命與器件特性載流子

10、的復(fù)合及復(fù)合壽命第33頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二載流子壽命的概念 是半導(dǎo)體從載流子密度不平衡狀態(tài)恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)的弛豫過程所需時(shí)間的量度。 一般情況下額外載流子的注入和抽取對少數(shù)載流子的密度影響很大，熱平衡的恢復(fù)主要是少數(shù)載流子熱平衡的恢復(fù)，所以總被稱作少數(shù)載流子壽命。第34頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二少子壽命與器件特性半導(dǎo)體器件工作過程中，同時(shí)存在載流子漂移、擴(kuò)散、復(fù)合； 漂移：電場力的作用，外加或內(nèi)建電場；擴(kuò)散：載流子濃度梯度；與少子壽命相關(guān)的器件特性：阻斷特性、開關(guān)特性、導(dǎo)通特性等； 第35頁，共49頁，2022年，5月20日，1

11、點(diǎn)44分，星期二少子壽命與阻斷特性耗盡近似的空間電荷區(qū)是阻斷作用的主功能區(qū)，是不穩(wěn)定的非平衡態(tài)，其恢復(fù)平衡態(tài)的趨勢的強(qiáng)弱（用少子壽命衡量），影響阻斷特性；由反向擴(kuò)散電流：越大，反向擴(kuò)散電流越小，阻斷特性越好；第36頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二少子壽命與導(dǎo)通特性少子壽命對導(dǎo)通特性的影響，主要是雙極器件；少子的電導(dǎo)調(diào)制使器件具有低的電阻和高的電流控制能力； 由上式可知：越長，電導(dǎo)調(diào)制越強(qiáng)；第37頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二少子壽命與開關(guān)特性主要是對于依靠少子輸運(yùn)的雙極器件而言的；輸運(yùn)載流子的結(jié)區(qū)積聚效應(yīng)；反抽作用；第38頁，共49頁，2022

12、年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二少子壽命與光電器件的特性太陽能之類的光生器件靠光生載流子輸運(yùn)，故越長，光電特性越好；第39頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二少子壽命優(yōu)選開關(guān)特性要求小，阻斷特性、導(dǎo)通特性和光電池要求大；故應(yīng)根據(jù)器件特性，進(jìn)行優(yōu)選；優(yōu)選少子壽命，主要是是指選擇合適的復(fù)合中心，即雜質(zhì)或缺陷中心的能級；第40頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二非平衡載流子的復(fù)合機(jī)制直接復(fù)合：直接在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的復(fù)合；間接復(fù)合：通過禁帶中的復(fù)合中心的復(fù)合；表面復(fù)合：發(fā)生在表面的復(fù)合；第41頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二復(fù)合過程中的能量轉(zhuǎn)移發(fā)射光子，即輻射復(fù)合；發(fā)射聲子，能量傳遞給晶格振動。多聲子復(fù)合；激發(fā)另外的電子或空穴，即俄歇復(fù)合；第42頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二直接復(fù)合壽命直接禁帶復(fù)合快于間接禁帶；直接禁帶型半導(dǎo)體材料的價(jià)帶頂空穴和導(dǎo)帶底電子之間無動量差，它們越過禁帶直接復(fù)合無需借助聲子保持動量平衡，所以直接復(fù)合型半導(dǎo)體比間接禁帶型半導(dǎo)體的直接復(fù)合系數(shù)B大得多第43頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二直接復(fù)合壽命壽命： 其中，B為直接輻射復(fù)合系數(shù)：第44頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)44分，星期二間接復(fù)合壽命第45頁，共49頁，202