半导体器件基础1

半导体器件基础半导体器件基础教材:半导体器件基础，RobertF.Pierret著，黄如等译，电子工业出版社参考书：微电子技术基础---双极、场效应晶体管原理，电子工业出版社，曹培栋编著

半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科微电子学简介:半导体概要微电子学研究领域半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性半导体材料的纯度和结构纯度极高，杂质<1013cm-3结构晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元三维立方单胞简立方、体心立方、面立方半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有:

元素半导体如Si、Ge化合物半导体如GaAs、InP、ZnS原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构密勒(Miller)指数(111)晶面原子面密度比(100)晶面稍高:7.8x1014atoms/cm2半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介载流子模型半导体中有两类重要的载流子：电子和空穴本章将将介绍载流子的定义、性质、相关术语、载流子分布等+14量子化概念电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiH半导体模型价键模型空穴电子半导体的能带（价带、导带和带隙〕价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg半导体中的载流子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位电子浓度空穴浓度其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级半导体、绝缘体和导体载流子的特性电荷有效质量Anelectronmoveswithacertaincharacteristicmass(fromF=ma)invacuumInasolid,F=machanges,sowecanmodelthischangeviaan“effective”mass有效质量在一个电场中，电子和空穴的加速度为：施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和As受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带正电的离子。如Si中的BN型半导体

P型半导体BAs半导体的掺杂施主能级施主和受主的相互补偿受主能级态密度根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态密度为：费米分布函数在热平衡条件下，能量为E的有效状态被电子占据的几率为平衡载流子分布简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示：平衡载流子浓度导带中的电子浓度：价带中的空穴浓度：平衡载流子浓度如果Ev+3kT<=EF<=Ec-3kTn和p的其他变换公式本征半导体时，

本征载流子浓度本征费米能级本征载流子对掺杂半导体，接近室温时EF-Ei=kTln(ND/ni)举例掺杂半导体电中性条件：特殊情况举例掺杂浓度分别为(a)和的硅中的电子和空穴浓度？(b)再掺杂的Na又是多少？()载流子浓度与温度的关系小结P47半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为热能和热速度电子或空穴的平均动能漂移电流电流密度迁移率单位电场下的平均漂移速度为迁移率影响迁移率的因素与散射有关晶格散射电离杂质散射漂移电流与电导率电导率电阻率电阻率与掺杂的关系N型半导体P型半导体能带弯曲当材料中存在电场时，能带能量变成位置的函数场强势能扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动扩散电流半导体内总电流扩散+漂移扩散系数和迁移率的关系考虑非均匀半导体爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0产生和复合产生电子和空穴（载流子）被创建的过程复合电子和空穴（载流子）消失的过程产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流复合直接复合间接复合Auger复合产生直接产生R-G中心产生载流子产生与碰撞电离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，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子平衡载流子满足费米－狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米－狄拉克统计分布且公式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过剩载流子过剩载流子和电中性平衡时过剩载流子电中性：过剩载流子和电中性小注入条件：N型材料P型材料例：室温下一受到微扰的掺杂硅，判断其是否满足小注入条件？解：满足小注入条件！（）复合寿命假定光照产生和，如果光突然关闭，和将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命

复合n型材料中的空穴p型材料中的电子小结P94-P95半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介PN结杂质分布PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程PN结杂质分布下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析突变结:线性缓变结:浅结、重掺杂（<1um）深结（>3um）

或外延的PN结PN结中的能带PN内建电势内建电势PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度能带内建电势电场Poisson方程电荷和电势分布满足Poisson方程在中性区:耗尽近似耗尽层模型在耗尽区P型一侧,N型一侧,突变结耗尽区的电场与电势分布耗尽近似Possion方程：电场分布积分一次：(x)-xpxn电势分布由微分方程：边界条件：设在-xp处V=0xn处V=Vbi再积分一次：电势分布N型侧，X=0处，有耗尽层宽度电场随x线性变化，在x=0时达最大值：耗尽层宽度VA0条件下的突变结外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VA上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA反偏PN结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？线性缓变结线性缓变结-1令V(-W/2)=0,进一步解出最大电场空间电荷区宽度小结PN结的基本概念泊松方程两个理想情况突变结和线性缓变结内建电压耗尽区宽度半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介理想二极管方程PN结正偏时理想二极管方程PN结反偏时定量方程基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生—复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:图6.4欧姆接触边界耗尽层边界边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)准费米能级耗尽层边界P型一侧PN耗尽层边界(续)N型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关准中性区载流子浓度理想二极管方程求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xp

xn0xX’空穴电流一般解电子电流P型侧PN结电流PN结电流与温度的关系载流子电流准中性区多子电流练习6.3P181与理想情况的偏差大注入效应空间电荷区的复合空间电荷区的产生与复合正向有复合电流反向有产生电流空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时,正向偏置时,计算比较复杂VA愈低，IR-G愈是起支配作用VAVbi时的大电流现象串联电阻效应q/kTLog(I)VAVAVbi时的大电流现象-1大注入效应大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。pn≥nnoVAVbi时的大电流现象-2VAVbi时的大电流现象-3VA越大,电流上升变缓反向击穿电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿雪崩倍增雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系耗尽层中达到临界电场时,将发生击穿齐纳过程产生了隧穿效应E隧道穿透几率P：隧道长度:隧道击穿:VB<4Eg/q雪崩击穿：VB>6Eg/q本章小结PN结正偏和反偏时的载流子运动准费米能级PN结定量方程推导耗尽层边界条件连续性方程准中性区载流子分布PN结电流与理想的偏差产生和复合大电流效应击穿特性半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介PN结二极管的等效电路小信号加到PN结上~+-vaVA+-PNRsGC反向偏置结电容也称势垒电容或过渡区电容反向偏置结电容-1反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量参数提取和杂质分布CV测量系统VA1/C2Vbi扩散电容扩散电容-1表现为电容形式扩散电容-2