《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件

章迄今大約有60種主要的器件以及100種與主要器件相關(guān)的變異器件。4種基本半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。金屬-半導(dǎo)體接觸（1874）：整流接觸，歐姆接觸。金半場效應(yīng)晶體管（MESFET）：整流接觸，柵極；歐姆接觸，漏極、源極。微波器件。p-n結(jié)：半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；p-n-p雙極型晶體管（1947），p-n-p-n結(jié)構(gòu)的可控硅器件。異質(zhì)結(jié)（1957）：由兩種不同材料的半導(dǎo)體組成；快速器件、光電器件的關(guān)鍵構(gòu)成。金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MOS，1960）：MOS結(jié)構(gòu)，柵極；p-n結(jié)，漏極、源極?？芍谱鱉OSFET。1《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!第二章立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)簡單的立方晶格體心立方晶格面心立方晶格金剛石晶格結(jié)構(gòu)（硅、鍺）閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)（GaAs）密勒指數(shù)：界定一晶體中不同平面的方法。由下列步驟確定：找出平面在三坐標(biāo)軸上的截距值r、s、t（以晶格常數(shù)為單位）；取這三個截距的倒數(shù)，并將其化簡成最簡單整數(shù)比，；h、k、l為互質(zhì)的整數(shù)，以（hkl）來表示單一平面的密勒指數(shù)。2《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!下圖為砷化鎵的動量-能量關(guān)系曲線，其價帶頂與導(dǎo)帶底發(fā)生在相同動量處（p=0）。因此，電子從價帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時，不需要動量轉(zhuǎn)換。直接帶隙半導(dǎo)體：能量/eV對Si、Ge而言，其動量-能量曲線中價帶頂在p=0，導(dǎo)帶最低處則在p=pC。因此，電子從價帶頂轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶最低處時，不僅需要能量轉(zhuǎn)換(≥Eg)，也需要動量轉(zhuǎn)換(≥pC)。間接帶隙半導(dǎo)體：能量/eV0pc3《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!本征半導(dǎo)體：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于由熱產(chǎn)生的電子空穴。熱平衡狀態(tài)：在恒溫下的穩(wěn)定狀態(tài)，且并無任何外來干擾（如照光、壓力或電場）。連續(xù)的熱擾動造成電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，同時在價帶留下等量的空穴。此狀態(tài)下，載流子（導(dǎo)帶電子和價帶空穴）濃度不變。統(tǒng)計力學(xué)，費(fèi)米分布函數(shù)表示為費(fèi)米能級EF是電子占有率為1/2時的能量。F(E)在費(fèi)米能量EF附近呈對稱分布。對于能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率，可近似為：對于能量為E的能態(tài)被空穴占據(jù)的概率4《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!非本征半導(dǎo)體：當(dāng)半導(dǎo)體被摻入雜質(zhì)時，半導(dǎo)體變成非本征的，而且引入雜質(zhì)能級。施主、受主、雜質(zhì)能級、n型半導(dǎo)體、p型半導(dǎo)體、多子、少子概念，以及施主、受主的實例，載流子（電子、空穴）。非簡并半導(dǎo)體：電子或空穴的濃度分別遠(yuǎn)低于導(dǎo)帶或價帶中有效態(tài)密度，即費(fèi)米能級EF至少比EV高3kT，或比EC低3kT的半導(dǎo)體。室溫下，完全電離，非本征半導(dǎo)體中多子濃度為雜質(zhì)濃度。施主濃度越高，費(fèi)米能級往導(dǎo)帶底部靠近。受主濃度越高，費(fèi)米能級往價帶頂端靠近近。5《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!下圖顯示施主濃度ND為1015cm-3時，硅的電子濃度對溫度的函數(shù)關(guān)系圖。低溫，晶體中熱能不足以電離所有施主雜質(zhì)。有些電子被凍結(jié)在施主能級，因此電子濃度小于施主濃度。溫度上升，完全電離的情形即可達(dá)到（即nn=ND）。溫度繼續(xù)上升，電子濃度基本上在一段長的溫度范圍內(nèi)維持定值，此為非本征區(qū)。溫度進(jìn)一步上升，達(dá)到某一值，此時本征載流子濃度可與施主濃度相比，超過此溫度后，半導(dǎo)體便為本征的。半導(dǎo)體變成本征時的溫度由雜質(zhì)濃度及禁帶寬度值決定。電子濃度n/cm-3

6《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率愛因斯坦關(guān)系式當(dāng)濃度梯度與電場同時存在時，總電流密度即為漂移及擴(kuò)散成分的總和，因此總傳導(dǎo)電流密度為適用：低電場狀態(tài)。高電場時，μnE及μpE應(yīng)以飽和速度vs替代。7《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!第四章p-n結(jié)：由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)。整流性：只容許電流流經(jīng)單一方向。p-n結(jié)形成前p型和n型半導(dǎo)體材料分離。費(fèi)米能級在p型材料中接近價帶邊緣，在n型中則接近導(dǎo)帶邊緣。p型，空穴為多子，電子為少子；n型剛好相反。8《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!熱平衡時，p型和n型中性區(qū)的總靜電勢差即為內(nèi)建電勢Vbi無外加偏壓，橫跨結(jié)的總靜電勢是Vbi。從p端到n端其對應(yīng)的電勢能差是qVbi。p端加一相對于n端的電壓VF，p-n結(jié)正偏?？邕^結(jié)的總靜電勢減少VF，即Vbi-VF。因此，正偏降低耗盡區(qū)寬度。在n端加上相對于p端的電壓VR，p-n結(jié)反偏，總靜電勢增加VR，即Vbi+VR。反向偏壓會增加耗盡區(qū)寬度。反偏，耗盡層勢壘電容為主要結(jié)電容。正偏，對結(jié)電容會產(chǎn)生顯著的附加電容（即擴(kuò)散電容）。9《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!第五章雙極型器件：電子與空穴皆參與導(dǎo)通，由兩個相鄰的互作用的p-n結(jié)組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大；基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反偏集基結(jié)造成大電流，此為晶體管放大作用，且只有當(dāng)此兩p-n結(jié)足夠接近時才會發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。10《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!共射組態(tài)下，當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時，基區(qū)寬度將會減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會增加。這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點，稱為厄雷電壓。低頻，共基電流增益是一固定值；頻率升高至一關(guān)鍵點后，共基電流增益將會降低。右圖顯示熱平衡狀態(tài)，兩個半導(dǎo)體形成理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖。在此圖中，假設(shè)此兩不同半導(dǎo)體的界面沒有陷阱或產(chǎn)生-復(fù)合中心。必須選擇晶格常數(shù)很接近的材料來符合此假設(shè)。異質(zhì)界面處的能帶是不連續(xù)的。11《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!理想MOS二極管偏壓為正或負(fù)時，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)三種狀況(1)p型半導(dǎo)體，施加負(fù)電壓，接近半導(dǎo)體表面的能帶向上彎曲。使EF-Ei變大，提升空穴的濃度，氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象。理想MOS二極管，不論外加電壓為多少，器件內(nèi)部均無電流流動，半導(dǎo)體內(nèi)部費(fèi)米能級為一常數(shù)。(2)外加小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶向下彎曲，EF=Ei，多子空穴耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象。半導(dǎo)體中單位面積的空間電荷Qsc值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度。12《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0TnVDITpV0GVDI+-TpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+0TnVDIGV-+-0GVDI+-0GVDI氧化層上方金屬為柵極，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多晶硅可作柵極，第四個端點為一連接至襯底的歐姆接觸。MOSFET基本原理13《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管則是受激輻射，而光探測器和太陽能電池的工作過程則是吸收。假如光子受激輻射>光子吸收，則電子在較高能級的濃度會>在較低能級的濃度。這種情況稱為分布反轉(zhuǎn)，因其與平衡條件下的情況恰好相反。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。受激輻射遠(yuǎn)比自發(fā)輻射和吸收來得重要。半導(dǎo)體被光照射，如果hν=Eg，則半導(dǎo)體會吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，如(a)所示。若hν>Eg，則除產(chǎn)生電子-空穴對外，(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。(a)與(b)的過程皆稱為本征躍遷（能帶至能帶的躍遷）。若hν<Eg，則只有在禁帶中存在由化學(xué)雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時，光子才會被吸收，如(c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE14《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!15金-半接觸可分為兩種形式：整流性與非整流的歐姆性。金半接觸第八章當(dāng)金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時，兩種不同材料的費(fèi)米能級在熱平衡時相同；此外，真空能級也必須連續(xù)。這兩項要求決定了理想金半接觸的能帶圖，如圖所示。理想狀況下，勢壘高度qBn為金屬功函數(shù)與電子親和力之差。圖中的半導(dǎo)體側(cè)，Vbi為電子由半導(dǎo)體導(dǎo)帶上欲進(jìn)入金屬時遇到的內(nèi)建電勢。qVn為導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級間的距離。15《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!金半場效應(yīng)晶體管（MESFET）具有三個金屬-半導(dǎo)體接觸。其中，一個肖持基接觸作為柵極，兩個當(dāng)作源極與漏極的歐姆接觸。MESFETMESFET原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。源極接地，柵極電壓與漏極電壓以源極為參考。正常情況下柵壓為零或是反偏，而漏極電壓為零或正偏，即VG≤0而VD≥0。溝道為n型材料稱為n溝道MESFET。大多數(shù)應(yīng)用是采用n溝道MESFET而非p溝道MESFET，因為n溝道器件具有較高的電子遷移率。16《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!用能帶理論解釋金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率之間的巨大差異：電子在最高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。價帶導(dǎo)帶填滿的價帶空導(dǎo)帶部分填滿的導(dǎo)帶Eg

Eg≈9eV金屬價帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體絕緣體17《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!導(dǎo)帶的電子濃度為其中，NC是導(dǎo)帶中的有效態(tài)密度。同理，價帶中的空穴濃度為其中，NV是價帶中的有效態(tài)密度。本征載流子濃度ni：本征半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中每單位體積的電子數(shù)與價帶中每單位體積的空穴數(shù)相同，即n=p=ni，ni稱為本征載流子濃度，本征費(fèi)米能級Ei：本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級EF。室溫下，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級Ei相當(dāng)靠近禁帶的中央。18《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!熱平衡情況下，無論對于本征還是非本征半導(dǎo)體，該式都成立，稱為質(zhì)量作用定律。只要滿足近似條件（EC-EF>3kT或EF-EV>3kT），下式即可成立只要滿足近似條件，np的乘積為本征載流子濃度（和材料性質(zhì)有關(guān)，與摻雜無關(guān)）的平方。熱平衡狀態(tài)半導(dǎo)體的基本公式。若施主與受主同時存在，則由較高濃度的雜質(zhì)決定半導(dǎo)體傳導(dǎo)類型。費(fèi)米能級調(diào)整以保持電中性，即總負(fù)電荷（包括導(dǎo)帶電子和受主離子）必須等于總正電荷（包括價帶空穴和施主離子）。一般凈雜質(zhì)濃度|ND－NA|比本征載流子濃度ni大，因此19《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!最重要的兩種散射機(jī)制：影響遷移率的因素：晶格散射：當(dāng)晶體溫度高于0K時，晶格原子的熱振動隨溫度增加而增加；在高溫下晶格散射變得顯著，遷移率因此隨著溫度的增加而減少。雜質(zhì)散射：是一個帶電載流子經(jīng)過一個電離雜質(zhì)所引起的。由于庫侖力的交互作用，帶電載流子的路徑會偏移。μI隨著T3/2/NT而變化，其中NT為總雜質(zhì)濃度。散射機(jī)制平均自由時間遷移率第三章漂移運(yùn)動：小電場E施加于半導(dǎo)體，每一個電子上受到-qE的作用力，且在各次碰撞之間，沿著電場的反向被加速。因此，一個額外的速度（漂移速度）成分將加到熱運(yùn)動的電子上。20《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!在熱平衡下，pn=ni2。如果有超量載流子導(dǎo)入半導(dǎo)體中，pn>ni2，稱此狀態(tài)為非平衡狀態(tài)。凈復(fù)合率俄歇復(fù)合：電子-空穴對復(fù)合所釋放出的能量及動量轉(zhuǎn)換至第三個粒子而發(fā)生的，此第三個粒子可能為電子或空穴。半導(dǎo)體表面，假如載流子具有足夠的能量，它們可能會被發(fā)射至真空能級，這稱為熱電子發(fā)射過程。電子親和力qχ為半導(dǎo)體中導(dǎo)帶邊緣與真空能級間的能量差；功函數(shù)qs為半導(dǎo)體中費(fèi)米能級與真空能級間的能量差。假如一個電子的能量超過qχ，它就可以被熱電子式發(fā)射至真空能級。連續(xù)性方程是描述半導(dǎo)體物質(zhì)內(nèi)當(dāng)漂移、擴(kuò)散及復(fù)合同時發(fā)生時的總和效應(yīng)的方程式。21《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合空穴離開p側(cè)，結(jié)附近部分受主離子NA-未能夠受到補(bǔ)償，因受主被固定在半導(dǎo)體晶格。結(jié)附近部分施主離子ND+，在電子離開n側(cè)時未能得到補(bǔ)償。負(fù)空間電荷在接近結(jié)p側(cè)形成，正空間電荷在接近結(jié)n側(cè)形成。空間電荷區(qū)域產(chǎn)生了一電場（內(nèi)建電場）：由正空間電荷指向負(fù)空間電荷。熱平衡時，整個樣品上的費(fèi)米能級是常數(shù)（亦即與x無關(guān)）。22《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!pn結(jié)理想電流-電壓特性的假設(shè)：①耗盡區(qū)為突變邊界，且假設(shè)在邊界之外，半導(dǎo)體為電中性。②邊界的載流子濃度和跨過結(jié)的靜電電勢有關(guān)。③小注入情況，亦即注入的少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度，即在中性區(qū)邊界上，多子濃度因加上偏壓而改變的量可忽略。④耗盡區(qū)內(nèi)無產(chǎn)生和復(fù)合電流，且電子和空穴電流在耗盡區(qū)內(nèi)為常數(shù)，p-n結(jié)內(nèi)的電流處處相等。為n區(qū)空穴（少子）的擴(kuò)散長度。為p區(qū)電子（少子）擴(kuò)散長度。理想二極管方程式為：反偏，耗盡區(qū)內(nèi)主要考慮產(chǎn)生-復(fù)合中的產(chǎn)生電流；而正偏時，耗盡區(qū)內(nèi)則主要考慮俘獲過程。23《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!為推導(dǎo)理想晶體管的電流、電壓表示式，作下列五點假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（2）基區(qū)中空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生-復(fù)合電流；（5）晶體管中無串聯(lián)電阻。晶體管三端點的電流主要是由基極中的少子分布來決定。根據(jù)射基結(jié)與集基結(jié)上偏壓的不同，雙極型晶體管有四種工作模式。晶體管有四種工作模式。24《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!右圖為V=0，理想p型MOS二極管的能帶圖。qm、qs：功函數(shù)，qχ：電子親和力，qΨB：費(fèi)米能級EF與本征費(fèi)米能級Ei差。理想MOS二極管定義為：(1)零偏壓時，qms為零，即能帶是平的（稱為平帶狀況）。(2)任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等、極性相反；(3)直流偏壓下，無載流子通過氧化層，氧化層電阻值無窮大。第六章25《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!起初，因電子濃度較小，表面處于一弱反型狀態(tài)，當(dāng)能帶持續(xù)彎曲，使得EC接近EF。當(dāng)靠近SiO-Si界面的電子濃度等于襯底的摻雜量時，開始產(chǎn)生強(qiáng)反型。之后，大部分在半導(dǎo)體中額外的負(fù)電荷是由電子在很窄的n型反型層（0≤x≤xi）中產(chǎn)生的電荷Qn[如右上圖]所組成，其中xi為反型層的寬度。xi通常遠(yuǎn)小于表面耗盡區(qū)的寬度。(3)外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴(yán)重。由于EF-Ei＞0，半導(dǎo)體表面電子濃度大于ni，而空穴濃度小于ni，表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象。26《半導(dǎo)體物理總復(fù)習(xí)》課件共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!光子和固體內(nèi)電子間三種主要的相互作用過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。原子內(nèi)的兩個能級E1（基