半导体器件的材料物理基础

半导体器件的材料物理基础第一页，共四十九页，2022年，8月28日基本特性参数禁带宽度Eg临界雪崩击穿电场强度Et介电常数ε载流子饱和速度Vs载流子迁移率μ载流子密度n(p)少数载流子寿命τ第二页，共四十九页，2022年，8月28日第一节迁移率迁移率的定义载流子迁移率与器件特性载流子迁移率的影响因素第三页，共四十九页，2022年，8月28日载流子迁移率的定义载流子迁移率μ:

自由载流子在单位电场作用下的平均漂移速度。弱电场下，μ为常数；强电场下，μ随电场增加而减小第四页，共四十九页，2022年，8月28日载流子迁移率与器件特性载流子迁移率μ是决定半导体材料电阻率ρ大小的两个重要参数之一。第五页，共四十九页，2022年，8月28日电流承受能力和载流子迁移率有关双极器件pn结二极管为例，在外加电压U作用下，电流密度j满足肖克莱方程第六页，共四十九页，2022年，8月28日载流子迁移率与扩散系数的关系

爱因斯坦关系在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定第七页，共四十九页，2022年，8月28日载流子迁移率与器件的工作频率

双极晶体管频率响应特性最重要的限制，是少数载流子渡越基区的时间第八页，共四十九页，2022年，8月28日载流子迁移率大小的影响因素散射对载流子的迁移率具有重要影响

主要的散射机构有：晶格振动散射、电离杂质散射、载流子之间的散射等体材料中载流子散射以及表面散射第九页，共四十九页，2022年，8月28日晶格振动的散射用电子和声子相互作用来描述。在轻参杂时，占主导地位。载流子被晶格散射过程，可以是吸收或发射声学声子，也可以是吸收或发射光学声子。第十页，共四十九页，2022年，8月28日两个常用的经验公式电子迁移率：空穴迁移率：第十一页，共四十九页，2022年，8月28日电离杂质的散射半导体的杂质，电离后以静电力对运动于附近的电子和空穴产生散射作用。低温重掺杂时起主要作用完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大小时，迁移率与温度和电离杂质的浓度呈下列关系第十二页，共四十九页，2022年，8月28日载流子之间的散射载流子对载流子的散射是运动着的多个电荷环绕其公共质心的相互散射。相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小。相反极性的载流子之间的散射可以使双方动量的弛豫，使迁移率下降。只考虑载流子散射作用的载流子迁移率：第十三页，共四十九页，2022年，8月28日强电场作用下的载流子散射

弱电场下，μ为常数；强电场下，μ随电场增加而减小强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律，主要有两种表现：速度饱和效应负微分迁移率现象第十四页，共四十九页，2022年，8月28日迁移率与外场的关系为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，μ为热电子的迁移率，u为格波传播的速度，第十五页，共四十九页，2022年，8月28日漂移速度的表示弱电场下：Vd=uE强电场下，以声学声子交换能量时：更强的电场下，以光学声子交换能量时：第十六页，共四十九页，2022年，8月28日速度饱和效应的物理解释：

当电场足够强时，电子在单位时间内能量高，和晶格进行能量交换时发射光学声子，这样载流子能量因发射声子而使其漂移速度趋于饱和。第十七页，共四十九页，2022年，8月28日负微分迁移效应

由于电子的不等价能谷间转移形成的。热电子有主能谷跃迁到能量较高的自能谷，子能谷的迁移率较低，如果迁移电子数量较多，平均的漂移速度会降低。第十八页，共四十九页，2022年，8月28日表面散射及表面迁移率表面散射：各种与表面相关联的因素对载流子迁移率的附加影响；越靠近表面，影响越大，对电子影响大于空穴；第十九页，共四十九页，2022年，8月28日第二节载流子密度和电阻率材料电阻率和器件特性载流子数量统计和来源载流子密度的决定因素禁带窄化第二十页，共四十九页，2022年，8月28日第二节载流子密度和电阻率由上式可知，ρ与掺杂浓度密切相关，可作为半导体纯度的反映；第二十一页，共四十九页，2022年，8月28日材料电阻率与器件击穿电压功率器件的击穿电压主要决定于本底材料电阻率。功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结的雪崩击穿。第二十二页，共四十九页，2022年，8月28日器件击穿雪崩击穿：高电压击穿；条件：足够高U和适当的WK第二十三页，共四十九页，2022年，8月28日器件穿通若pn结轻参杂层设计的不够宽，以至雪崩击穿尚未发生而空间电荷区已扩展到与电极相接，则器件先于击穿的发生而失去阻断能力。这种现象称为穿通第二十四页，共四十九页，2022年，8月28日载流子统计

第二十五页，共四十九页，2022年，8月28日简并半导体的载流子密度统计第二十六页，共四十九页，2022年，8月28日载流子来源本征载流子：是指把价带中的一个电子激发到导带，同时产生一个电子和一个空穴本征激发主要有热激发和光激发掺杂载流子：在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质原子。

n型掺杂和p型掺杂；注入载流子：光注入和电注入；第二十七页，共四十九页，2022年，8月28日禁带窄化本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁带之间界限清晰；

重掺杂（杂质原子百分比≥1/1000）时，会出现禁带窄化效应；杂质原子近距减小，相互作用增强，能带出现杂化，能级分裂成能带；第二十八页，共四十九页，2022年，8月28日问题讨论第二十九页，共四十九页，2022年，8月28日爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流子的扩散第三十页，共四十九页，2022年，8月28日载流子饱和速度公式

第三十一页，共四十九页，2022年，8月28日电阻率与击穿电压的关系雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的电阻率关系其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略有些变化。第三十二页，共四十九页，2022年，8月28日第三节少数载流子寿命载流子寿命的概念少数载流子寿命与器件特性载流子的复合及复合寿命第三十三页，共四十九页，2022年，8月28日载流子寿命的概念

是半导体从载流子密度不平衡状态恢复到热平衡状态的弛豫过程所需时间的量度。

一般情况下额外载流子的注入和抽取对少数载流子的密度影响很大，热平衡的恢复主要是少数载流子热平衡的恢复，所以τ总被称作少数载流子寿命。第三十四页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命与器件特性半导体器件工作过程中，同时存在载流子漂移、扩散、复合；漂移：电场力的作用，外加或内建电场；扩散：载流子浓度梯度；与少子寿命相关的器件特性：阻断特性、开关特性、导通特性等；第三十五页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命与阻断特性耗尽近似的空间电荷区是阻断作用的主功能区，是不稳定的非平衡态，其恢复平衡态的趋势的强弱（用少子寿命τ衡量），影响阻断特性；由反向扩散电流：τ越大，反向扩散电流越小，阻断特性越好；第三十六页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命与导通特性少子寿命对导通特性的影响，主要是双极器件；少子的电导调制使器件具有低的电阻和高的电流控制能力；由上式可知：τ越长，电导调制越强；第三十七页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命与开关特性主要是对于依靠少子输运的双极器件而言的；输运载流子的结区积聚效应；反抽作用；第三十八页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命与光电器件的特性太阳能之类的光生器件靠光生载流子输运，故τ越长，光电特性越好；第三十九页，共四十九页，2022年，8月28日少子寿命优选开关特性要求τ小，阻断特性、导通特性和光电池要求τ大；故应根据器件特性，进行优选；优选少子寿命，主要是是指选择合适的复合中心，即杂质或缺陷中心的能级；第四十页，共四十九页，2022年，8月28日非平衡载流子的复合机制直接复合：直接在导带与价带之间的复合；间接复合：通过禁带中的复合中心的复合；表面复合：发生在表面的复合；第四十一页，共四十九页，2022年，8月28日复合过程中的能量转移发射光子，即辐射复合；发射声子，能量传递给晶格振动。多声子复合；激发另外的电子或空穴，即俄歇复合；第四十二页，共四十九页，2022年，8月28日直接复合寿命直接禁带复合快于间接禁带；直接禁带型半导体材料的价带顶空穴和导带底电子之间无动量差，它们越过禁带直接复合无需借助声子保持动量平衡，所以直接复合型半导体比间接禁带型半导体的直接复合系数B大得多第四十三页，共四十九页，2022年，8月28日直接复合寿命寿命：

其中，B为直接辐射复合系数：第四十