微电子制造概论-第2章-半导体物理和器件物理基础

1、微电子制造概论第二章 半导体物理和器件物理基础 半导体及其基本特性半导体及其基本特性 固体材料：超导体固体材料：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？什么是半导体？什么是半导体原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构： 构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体， 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体的结合和晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如

2、：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位3. 半导体的能带半导体的能带 (

3、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 能带能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：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 态态价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子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

4、体的能带结构半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m m* *4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、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，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正

5、电的离子。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施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征载流子浓度：本征载流子浓度： 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：没有掺杂的半导体本征半导体：没有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

6、的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p6. 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: 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：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子7. 电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n

7、+ Na Ndn = p + Nd Nan型半导体：电子型半导体：电子 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 n ni2/Na8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导体中由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成

8、对产生或复合9. 9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率pnqpqn1mq单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 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 素素影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫

9、时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂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：晶格散射（晶格散射（ 热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系: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过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合

10、过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程热平衡时：热平衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2判断： 半导体参与导电的粒子是电子和空穴； 空穴导电和电子导电本质上都是导带上的电子导电； 掺杂半导体中有多数载流子和少数载流子，多子浓度多于少子，所以N型半导体带负电，P型半导体带正电； 半导体的导电和导体导电的本质是一样的； 平衡载流子是指电子浓度和空穴浓度相同平衡； 半导体和绝缘体的区别就是任何温度下半导体的导带都有电子而绝缘体则没有 半导体的禁带是不可能有电子存在 半导体掺杂后的导电能力可以大幅提高 半导体的激发是电子获得能量从价带跃迁到导带，复合是电子从导带跳回到价带，并释放能量 半导体中

11、的电流主要是准自由电子受电场力作用下的定向移动而产生重 点 半导体、半导体、N N型半导体、型半导体、P P型半导体、本征半导体、型半导体、本征半导体、非本征半导体非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合作作 业业载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述行简单的描述如何实现：首先将一块本征半导体变成如何实现：首先将一块本征

12、半导体变成N型半型半导体，然后再设法使它变成导体，然后再设法使它变成P型半导体。型半导体。重 点 半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征半导型半导体、本征半导体、非本征半导体体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合*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

13、：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格PN结的结构结的结构1. PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为缺少载空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子流子2. 平衡的平衡的PN结：结：没有外加偏压没有外加偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建，形成自建场和自建势场和自建势 费米能级费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几

14、率为时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央本征费米能级位于禁带中央kTEEFeEf/ )(11)(自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直0dxdEF0 xEnxEnjFnnFnn 0 xEpxEpjFppFpp 平衡时的能带结构平衡时的能带结构3.正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形N区区P区区空穴：空穴： 100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移NP正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程4. PN结的反向特性结的反向特性

15、N区区P区区空穴：空穴：电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjjNPN区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴： P区区N区区扩散扩散漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj5. PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性： 正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置正向导通，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)反向击穿电压反向击穿电压Vrb6. PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击

16、穿齐纳齐纳/隧穿击穿隧穿击穿7. PN结电容结电容VQCTdVdQCTmsTXSC0 2.4 双极晶体管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cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII共基极共基极共发射极共发射极共收集极共收集极NNP晶体管的共收集极接法晶体管的共收集极接法cbeecII00001cecIIIecii1bcII0bcii215. BJT的特点的特点优点优点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺

17、寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路输入电容由输入电容由扩散电容决扩散电容决定定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载

18、流子密度高跨导高跨导缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电饱和区中存储电荷上升荷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当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极 2.5 MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS电容结构电容结构 MOSFET 器件器件平行板电容器平行板电容器+Q-QEd+-V面积面积A电容电容C定义为：定义为：AdVQCQVC斜率斜率直流和交直流和交流时均成流时均成立立交流电容交流电容交流电容交流电容C定义为：定义为：+Q-QEd+-V面积面积A+ Q- Q VQVC（V斜率斜率对于理想的交流电容，对于理想的交流电容，C与频率无关与频率无关这里这里理想理想指电容中没有能量的耗散：指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量、介质层不吸收能量VVQVC),(),(非理想的电容：非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容半导体中的电容通常是交流电容例如：突变例如：突变PN结电容结电容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd和平行板和平行板电容器形电容器形式一样式一样+-VP+Nxd偏压改变偏压改变 V未加偏压时的未加偏压时的MOS结构结构