第一章-半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)要點課件

第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.2半導(dǎo)體能帶模型1.3半導(dǎo)體中的載流子1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級1.5載流子的傳輸1.6PN結(jié)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.8MOSFET器件基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.5載流子1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點（原子、離子、離子團(tuán)或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部相同質(zhì)點在三維空間均呈周期性重復(fù)?？煞殖蓡尉w和多晶體單晶：整個晶體由單一的晶格連續(xù)組成。多晶：晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無規(guī)則地堆積而成非晶：固體中存在許多小區(qū)域，每個小區(qū)域的原子排列不同于其它小區(qū)域的原子排列硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu),均為四面體結(jié)構(gòu)，并向空間無限伸展成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點（原按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個最近鄰的原子與之形成共價鍵。一個原子處在正四面體的中心，其它四個與它共價的原子位于四面體的頂點，這種四面體稱為共價四面體。硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個最近鄰的原子與之形成共第一章-半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)要點課件1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個相同的自由原子時，每個原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級，它們是N重簡并的，當(dāng)這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子的中的電子，不能在一個能級上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個非?？拷哪芗墸?0-22ev）1.2半導(dǎo)體能帶模型1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個相同的自由原子時能帶論原子能級分裂成能帶的示意圖電子能量簡化能帶圖價帶導(dǎo)帶Eg=帶隙EcEv在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級是被電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這些原子的內(nèi)層電子能級相對應(yīng)的那些能帶也是被電子所填滿的。其中能級較高的被電子填滿的能帶稱為價帶，價帶以上的能帶未被填滿，稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶和價帶間的能隙叫禁帶

能帶論原子能級分裂成能帶的示意圖電子能量簡化能帶圖價帶Eg=1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴統(tǒng)稱為載流子，是在電場作用下能作定向運(yùn)動的帶電粒子。1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴統(tǒng)稱為載滿帶半（不）滿帶

當(dāng)電子從原來狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒有額外的定向運(yùn)動。滿帶中電子不能形成電流。半滿帶的電子可在外場作用下躍遷到高一級的能級形成電流。滿帶半（不）滿帶當(dāng)電子從原來狀態(tài)轉(zhuǎn)移半滿帶的電子可在空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP

1.本征半導(dǎo)體---不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體本征激發(fā)空穴電流導(dǎo)電機(jī)制：本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴（本征導(dǎo)電）空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜質(zhì)半導(dǎo)體）在純凈半導(dǎo)中摻入少量可提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。例在四價硅（Si）元素半導(dǎo)體中摻入五價砷（AS）所形成的半導(dǎo)體2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5

摻入AS以后，五個價電子中，有四個電子與周圍的Ge組成共價鍵晶體，還多余一個電子，此電子處于特殊的能級。滿帶空帶施主能級能帶結(jié)構(gòu)：

理論證明:摻入這種雜質(zhì)后電子處于靠近空帶下沿處的一個能級中(“施主能級”)施主能級與上空帶下能級的能級間隔稱“施主雜質(zhì)電離能”()+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱為施主雜質(zhì)滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級由于較小,施主能級中的電子很容易激發(fā)到空帶而在施主能級上留下不可移動的空穴.此稱“雜質(zhì)激發(fā)”,當(dāng)然也存在本征激發(fā).這種雜質(zhì)可提滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級由于

總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主能級中的空穴數(shù),由于施主能級中的空穴不能移動,故在常溫下,能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)小于電子數(shù),導(dǎo)電作用主要靠躍入空帶中的電子.（多數(shù)載流子）導(dǎo)電機(jī)制：故n型半導(dǎo)體又稱電子型半導(dǎo)體這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱為施主雜質(zhì)滿帶空帶施主能級總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主導(dǎo)電機(jī)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級態(tài)密度在能帶中，能量E附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)稱為量子態(tài)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級態(tài)密度在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計分布規(guī)律溫度為T（絕對溫度）的熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體中電子占據(jù)能量為E的量子態(tài)的幾率是k是玻爾茲曼常數(shù)，EF是一個與摻雜有關(guān)的常數(shù)，稱為費(fèi)米能級。當(dāng)E-EF>>kT時，f（E）=0，說明高于EF幾個kT以上的能級都是空的；而當(dāng)E-EF<<kT時，f（E）＝1，說明低于EF幾個kT以下的能級被電子填滿。特別是在絕對零度時，E<EF的能級全被填滿，E>EF的能級全是空的,EF是電子所占據(jù)的最高量子態(tài)的能量。EF反應(yīng)了半導(dǎo)體中被電子填滿了的能級水平，費(fèi)米能級的物理意義是，該能級上的一個狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費(fèi)米能級是理論上引入的虛構(gòu)的能級費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計分布規(guī)律溫度為T（絕對溫度）的熱平衡態(tài)下，半摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在本征費(fèi)米能級上面，隨著摻雜濃度ND的增加，費(fèi)米能級更加靠近導(dǎo)帶底；p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近價帶頂

本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級叫本征費(fèi)米能級摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在本征費(fèi)米能級上面，隨著1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的擴(kuò)散由于濃度差而產(chǎn)生的，濃度高的向濃度低的方向擴(kuò)散漂移：帶電粒子在外電場作用下的運(yùn)動載流子熱運(yùn)動示意圖外電場作用下電子的漂移運(yùn)動1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的漂移運(yùn)動無外加電場作用時載流子熱運(yùn)動是無規(guī)則的，運(yùn)動速度各向同性，不引起宏觀遷移，從而不會產(chǎn)生電流。外加電場作用時載流子沿電場方向的速度分量比其它方向大，將會引起載流子的宏觀遷移，從而形成電流。漂移運(yùn)動：由電場作用而產(chǎn)生的、沿電場力方向的運(yùn)動（電子和空穴漂移運(yùn)動方向相反）。漂移速度：定向運(yùn)動的速度。漂移電流：載流子的漂移運(yùn)動所引起的電流。載流子的漂移運(yùn)動無外加電場作用時載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運(yùn)動速度的快慢的量度，運(yùn)動得越快，遷移率越大；運(yùn)動得慢，遷移率小。單位是cm2／V·s平均自由時間愈長，或者說單位時間內(nèi)遭受散射的次數(shù)愈少，載流子的遷移率愈高；電子和空穴的遷移率是不同的，因為它們的平均自由時間和有效質(zhì)量不同。載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場作用Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場作用于一有限半導(dǎo)體時，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢差，其方向同時垂直于電流和磁場，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的Hall效應(yīng)。測量Hall系數(shù)示意圖Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場作用于一有限半導(dǎo)體時，Hall系數(shù)RH定義單位磁場作用下通過單位電流密度所產(chǎn)生的霍耳電場RH

與宏觀測量值間關(guān)系，d為半導(dǎo)體厚度Hall遷移率RH與電導(dǎo)率σ的乘積，即│RH│σ，具有遷移率的量綱,故特別稱為Hall遷移率，表示為μH=│RH│σHall系數(shù)RH定義Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1對n型半導(dǎo)體，溫度不太高時，n>>p，故對p型半導(dǎo)體，溫度不太高時，p>>n，故Hall效應(yīng)的意義：①Hall系數(shù)有正負(fù)之分，且與載流子濃度有關(guān)。②通過Hall系數(shù)的測量，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型及載流子濃度。證實空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一③RH

與T有關(guān)。Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1Hall效應(yīng)的意1.6PN結(jié)

平衡PN結(jié)

正偏

反偏

1.6PN結(jié)平衡PN結(jié)平衡PN結(jié)

空間電荷區(qū)

內(nèi)建電場

W0=Wp+Wn是空間電荷區(qū)的總寬度

qV0＝EFN－EFPV0和PN結(jié)兩邊的摻雜濃度（ND，NA），溫度（T），材料（ni）有關(guān)。溫度T一定時，ND，NA愈大，V0愈大；材料禁帶寬度愈大，ni愈小，V0也愈大

平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)中性P區(qū)(a)(b)(c)-Wpρ平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時，外加偏壓V基本上降落在勢壘區(qū)，在勢壘區(qū)產(chǎn)生外加電場

PN結(jié)的正向電流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿過P區(qū)時是多子電流，經(jīng)過勢壘區(qū)進(jìn)入N區(qū)成為非平衡少子，它邊擴(kuò)散邊復(fù)合，最后消失。少子被多子復(fù)合并非電流的中斷，因為與少子復(fù)合的多子是從N區(qū)過來的多子，它們的復(fù)合正好實現(xiàn)了少子電流到多子電流的轉(zhuǎn)換

-Wp少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流總電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流N區(qū)P區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時，外加偏壓V基本上降落在勢反偏加反偏電壓V＝-Vr時，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相同，增強(qiáng)了勢壘區(qū)中的電場強(qiáng)度，勢壘區(qū)加寬，勢壘高度由qV0增加為q（V0+Vr）。勢壘區(qū)電場的增強(qiáng)，打破了原有的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動之間的平衡，漂移運(yùn)動超過了擴(kuò)散運(yùn)動。這時N區(qū)中空穴一旦到達(dá)勢壘區(qū)邊界x=Wn處就要被電場掃向P區(qū)，P區(qū)中的電子一旦到達(dá)勢壘邊界x=Wp，也要被電場掃向N區(qū)。由于在勢壘邊界，少子濃度很小，若Vr>25mv＝kT/e，pn0幾乎為0，而勢壘區(qū)中空穴濃度為平衡載流子濃度。在勢壘區(qū)以外的少子要向勢壘區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散進(jìn)來的少子一旦到達(dá)勢壘區(qū)邊界，就被電場掃向?qū)Ψ?，它們?gòu)成了PN結(jié)的反向電流。反偏加反偏電壓V＝-Vr時，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相同，正偏

與反偏

PN結(jié)能帶圖（a）開路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏電流I非常小熱產(chǎn)生正偏

與反偏PN結(jié)能帶圖（a）開路，(b)正偏，(c)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.7金屬—半導(dǎo)體接觸上式表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。金屬中的電子勢阱(EF)m

越大,金屬對電子的束縛越強(qiáng)金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差上式表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即E0ECEFEV

電子的親合能半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0與半導(dǎo)體Ev

接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為Ev接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為半導(dǎo)體一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷區(qū)電場方向由體內(nèi)指向表面半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷區(qū)當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個負(fù)的空間電荷區(qū)電場方向由表面指向體內(nèi)半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。反阻擋層薄,高電導(dǎo),對接觸電阻影響小EcEvEF-Φm當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個負(fù)的空間電荷區(qū)在空間隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。實際的歐姆接觸隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電1.8MOSFET

--場效應(yīng)理論1.8.1MOS結(jié)構(gòu)1.理想MOS結(jié)構(gòu)（1）金屬柵足夠厚,是等勢體（2）氧化層是完美的絕緣體無電流流過氧化層（3）在氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面沒有電荷中心（4）半導(dǎo)體均勻摻雜（5）半導(dǎo)體足夠厚，無論VG多大，總有零電場區(qū)域（6）半導(dǎo)體與器件背面金屬之間處于歐姆接觸（7）MOS電容是一維結(jié)構(gòu)，所有變量僅是x的函數(shù)（8）

M=S=+(EC-EF)FB金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容柵背接觸或襯底接觸0.01~1.0m1.8MOSFET

零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能帶圖包括兩個步驟；（a）將M和S放到一起相距為x0，達(dá)到平衡時，M和S的費(fèi)米能級必須持平；因假設(shè)

m=S真空能級也必須對準(zhǔn)。（在M-空隙-S系統(tǒng)的任何地方都沒有電荷和電場）（b)將厚度為x0的絕緣體插入M與S之間的空隙。零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能

理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體體內(nèi)的濃度，稱為“積累”。VG>0,(較小負(fù)偏置），空穴的濃度在O-S界面附近降低，稱為空穴被“耗盡”，留下帶負(fù)電的受主雜質(zhì)。若正偏電壓越來越大，半導(dǎo)體表面的能帶會越來越彎曲，在表面的電子濃度越來越多，增加到ns=NA,VG=VTH時，表面不再耗盡VG>VTH時,表面少數(shù)載流子濃度超過多數(shù)載流子濃度，這種情況稱為“反型”。特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體

N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS場效應(yīng)管漏極D源極S柵極G襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS

當(dāng)VGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。當(dāng)VGS=VTH時,在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下形成ID。VDSID++--++--++++----VGS反型層

當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的PN結(jié)，無論UDS之間加上電壓不會在D、S間形成電流ID,即ID≈0.

當(dāng)VGS>VTH時,溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVTH時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管1.8.3

MOSFET工作原理的定性分析VDSID++--++--++++----VGVT

VGS/VID/mAO（1）轉(zhuǎn)移特性曲線(假設(shè)VDS=5V)

a.VGS<VT

器件內(nèi)不存在導(dǎo)電溝道，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有輸出電流。

b.VGS>VT

器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大轉(zhuǎn)移特性曲線43

N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的特性曲線VTVGS/VID/mAO（1）轉(zhuǎn)移特性曲線(假（2）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)

輸出特性曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡VDSat過渡區(qū)線性區(qū)(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSat44飽和電流IDsat，對應(yīng)的VDS稱為VDSsatVDS=VDSsat的虛線將曲線劃分為亞線性區(qū)和飽和區(qū)。（2）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)輸出特性曲線非飽1.8.4MOSFET的直流I-V方程基本假設(shè)：漂移電流、緩變溝道近似、長溝近似強(qiáng)反型近似坐標(biāo)系基本定義溝道中位置y處單位面積下的電荷為Qch(y)有效遷移率μEF1.8.4MOSFET的直流I-V方程基本假設(shè)：溝道電流的一般表達(dá)式Vch(y)為溝道相對于源端電壓溝道電流的一般表達(dá)式Vch(y)為溝道相對于源端電壓溝道電子電荷的面密度VGS≤VTH時，ID≈0,Qch≈0VGS>VTH,VDS=0時,ID≈0,Qch≈-Ci(VGS-VTH)VGS>VTH,VDS>0時,在S端，Vch=0；在漏端，Vch=VDSQch(y)=-Ci(VGS-VT-Vch(y))且VGS-VT＞Vch