微电子学概论半导体物理和器件物理基础学习教案

1、微电子学概论半导体物理微电子学概论半导体物理(wl)和器件物和器件物理理(wl)基础基础第一页，共68页。第1页/共68页第二页，共68页。固体固体(gt)材料：超导体材料：超导体: 大于大于106(cm)-1 导导 体体: 106104(cm)-1 半导体半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10(cm)-1什么什么(shn me)是半导体？是半导体？第2页/共68页第三页，共68页。原子原子(yunz)结合形式：共价键结合形式：共价键晶体结构：晶体结构： 构构 成成 一一 个正四面体，具有金个正四面体，具有金刚石晶体结构刚石晶体结构1、半导体的结构、半导体的

2、结构(jigu)第3页/共68页第四页，共68页。半导体的结合半导体的结合(jih)和晶体和晶体结构结构金刚石结构(jigu) 半导体有元素(yun s)半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS第4页/共68页第五页，共68页。2. 半导体中的载流子半导体中的载流子本征半导体：本征半导体：n=p=ni第5页/共68页第六页，共68页。电子：电子：Electron，带负电的导电，带负电的导电(dodin)载流子，是价电子载流子，是价电子脱离原子束缚脱离原子束缚 后形成的自由后形成的自由电子，对应于导带中占据的电电子，对应于导带中占据的电子子空穴：空穴：Hole，带正电的

3、导电，带正电的导电(dodin)载流子，是价电子脱离原子束载流子，是价电子脱离原子束缚缚 后形成的电子空位，对应后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位于价带中的电子空位第6页/共68页第七页，共68页。3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级(nngj)固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带第7页/共68页第八页，共68页。共价键固体共价键固体(gt)中价电子的量子态和能级中价电子的量子态和能级共价键固体共价键固体(gt)：成键态、反键态：成键态、反键态原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态第8页

4、/共68页第九页，共68页。价带：价带：0K条件下被电子条件下被电子(dinz)填充的能量最高的能带填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子条件下未被电子(dinz)填充的能量最低的能带填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构(jigu)第9页/共68页第十页，共68页。4.半导体的掺杂半导体的掺杂(chn z)BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂第10页/共68页第十一页，共68页。施主施主(shzh)和受主浓度：和受主浓度：ND、

5、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子提供导电的电子(dinz)，并成为带正电的离，并成为带正电的离子。如子。如 Si中掺的中掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B第11页/共68页第十二页，共68页。本征载流子浓度本征载流子浓度(nngd)： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征载流子本征半导体：没有本征

6、半导体：没有(mi yu)掺杂的半导体掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度(nngd)： 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p第12页/共68页第十三页，共68页。6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形(qng xing): 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n第13页/共68页第十四页，共68页。多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴(kn xu)少子：少数载流子少子：少

7、数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴(kn xu)p型半导体：电子型半导体：电子第14页/共68页第十五页，共68页。7. 电中性条件电中性条件(tiojin): 正负电荷之和正负电荷之和为为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互施主和受主可以相互(xingh)补偿补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na第15页/共68页第十六页，共68页。n型半导体：电子型半导体：电子(dinz) n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子(dinz) n ni2/Na第16页/共68页第十七页，共68页。8. 过剩过剩(gushng

8、)载流子载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布体中载流子的分布(fnb)偏离了平衡态分布偏离了平衡态分布(fnb)，称这些偏离平衡分布，称这些偏离平衡分布(fnb)的载流的载流子为过剩载流子子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的产生载流子的产生(chnshng)和复合：电子和空穴增加和复合：电子和空穴增加和消失的过程和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生电子空穴对：电子和空穴成对产生(chnshng)或复或复合合第17页/共68页第十八页，共68页。9. 载流子的输运载流子的输运(sh yn)漂移漂移(pio y)电流电

9、流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率mq单位电场(din chng)作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场(din chng)作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素第18页/共68页第十九页，共68页。影响影响(yngxing)迁移率迁移率的因素：的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和掺杂(chn z)浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制： 晶格晶格(jn )散射

10、（散射（ 热热 运运 动动 引引 起）起） 电离杂质散射电离杂质散射第19页/共68页第二十页，共68页。扩散扩散(kusn)电流电流电子电子(dinz)扩扩散电流：散电流：dxdnqDJndiffn,空穴空穴(kn xu)扩扩散电流：散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动第20页/共68页第二十一页，共68页。*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外种，另外还有还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成：*

11、 pn结结*金属半导体接触金属半导体接触* MOS结构结构(jigu)* 异质结异质结* 超晶格超晶格半导体器件物理半导体器件物理(wl)基础基础第21页/共68页第二十二页，共68页。1. PN结的形成结的形成(xngchng)NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子缺少载流子自建电场自建电场E第22页/共68页第二十三页，共68页。2. 平衡的平衡的PN结：没有外加结：没有外加(wiji)偏压偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电电流流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等(xingdng)，形成自建场，形成自建场和自建势和自建势第

12、23页/共68页第二十四页，共68页。3.正向正向(zhn xin)偏置偏置的的PN结结 100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjjN区P区区电子：扩扩散散漂移漂移空穴：空穴：P区N区区扩扩散散漂移漂移NP第24页/共68页第二十五页，共68页。正向的正向的PN结电流结电流(dinli)输运输运过程过程电流传输与转换电流传输与转换(zhunhun)（载流子的扩散和复合（载流子的扩散和复合过程过程第25页/共68页第二十六页，共68页。4. PN结的反向结的反向(fn xin)特性特性N区P区区电子：扩扩散散漂移漂移空穴：空穴：P区N区区扩扩散散漂移漂移 100kTqVppnnnpn

13、prReLDpLDnxjxjjNP第26页/共68页第二十七页，共68页。5. PN结的特性结的特性(txng)单向导单向导(xingdo)电性：电性： 正向导正向导(xingdo)通通 反向截至反向截至正向导通，多数载流子扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压：正向导通电压：Vbi0.7V(Si)第27页/共68页第二十八页，共68页。6. PN结的击穿结的击穿(j chun)雪崩雪崩(xubng)击穿击穿隧道隧道(sudo)击穿击穿反向击穿电压反向击穿电压Vrb第28页/共68页第二十九页，共68页。7. PN结电容结电容V

14、QCTdVdQCTmsTXSC0第29页/共68页第三十页，共68页。8. 二极管的特性二极管的特性(txng)参数参数正向正向(zhn xin)压降压降 VF正向正向(zhn xin)电流电流 IF击穿电压击穿电压 VBR反向（漏）电流反向（漏）电流 IR结电容结电容 CD反向恢复时间反向恢复时间 trr第30页/共68页第三十一页，共68页。二极管特性二极管特性(txng)参数的应参数的应用用正向正向(zhn xin)电压电压 VF正向正向(zhn xin)电流电流 IF击穿电压击穿电压 VBRABC1.00.720.8513304080现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压现要设计一个

15、全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最，负载最大功率大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。由。第31页/共68页第三十二页，共68页。双极晶体管发射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极第32页/共68页第三十三页，共68页。第33页/共68页第三十四页，共68页。第34页/共68页第三十五页，共68页。NPN晶体管工作晶体管工作(gngzu)时的偏置情时的偏置情况况第35页/共68页第三十六页，共68页。NPN晶体管的电流晶体管的电流(dinli)输运机输运机制制第36页/共68页

16、第三十七页，共68页。cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII第37页/共68页第三十八页，共68页。NPN晶体管的几种晶体管的几种(j zhn)组态组态共基极共基极共发射极共发射极共收集共收集(shuj)极极NNP晶体管的共收集极接法cbe第38页/共68页第三十九页，共68页。晶体管的直流特性晶体管的直流特性(txng)第39页/共68页第四十页，共68页。晶体管的直流特性晶体管的直流特性(txng)第40页/共68页第四十一页，共68页。晶体管的直流特性晶体管的直流特性(txng)第41页/共68页第四十二页，共68页。晶体管的直流特

17、性晶体管的直流特性(txng)第42页/共68页第四十三页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数ecII00001cecIIIecii1bcII0bcii第43页/共68页第四十四页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第44页/共68页第四十五页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第45页/共68页第四十六页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第46页/共68页第四十七页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第47页/共68页第四十八页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第48页

18、/共68页第四十九页，共68页。晶体管的特性晶体管的特性(txng)参数参数第49页/共68页第五十页，共68页。21晶体管的特性参数晶体管的特性参数第50页/共68页第五十一页，共68页。BJT晶体管的特点晶体管的特点(tdin)垂直(chuzh)结构与输运与输运(sh yn)时间时间相关的尺寸由工艺参相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸数决定，与光刻尺寸关系不大关系不大易于获易于获得高得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的可获得单位面积的大输出电流大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得片间涨落小，可获得小的电压摆幅小的电压摆幅易于

19、小信易于小信号应用号应用模拟电路优点：优点：第51页/共68页第五十二页，共68页。输入(shr)电容由扩散电容决定随工作随工作(gngzu)电流的减小而减电流的减小而减小小可同时(tngsh)在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导优点：优点：第52页/共68页第五十三页，共68页。缺点缺点(qudin)：存在直流输入存在直流输入(shr)电流，基极电流，基极电流电流功耗功耗(n ho)大大饱和区中存储电荷饱和区中存储电荷上升上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数第53页/共68页第五十四页，共68页。MOS场效应

20、晶体管场效应晶体管第54页/共68页第五十五页，共68页。MOS晶体管的结构晶体管的结构(jigu)衬底衬底B源极源极S漏极漏极D栅氧化层栅氧化层栅极栅极G沟道长度沟道长度(chngd)L沟道宽度沟道宽度W“金属金属(jnsh)-氧化物氧化物-半导体场效应半导体场效应晶体管晶体管”第55页/共68页第五十六页，共68页。MOS管的管的MIS结构结构(jigu)“金属金属(jnsh)-绝缘层绝缘层-半导体（半导体（MIS）结构结构”第56页/共68页第五十七页，共68页。反型层的形成反型层的形成(xngchng)表面表面(biomin)空空间电荷区间电荷区反型层反型层阈值电压阈值电压N沟道沟道弱反型弱反型强反型强反型第57页/共68页第五十八页，共68页。P沟道沟道(u do)第58页/共68页第五十九页，共68页