微电子学概论

微电子学概论第1页，共83页，2023年，2月20日，星期六固体材料：超导体:大于106(cm)-1

导

体:106~104(cm)-1

半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制第2页，共83页，2023年，2月20日，星期六1.半导体的结构原子结合形式：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

构第3页，共83页，2023年，2月20日，星期六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第4页，共83页，2023年，2月20日，星期六2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni第5页，共83页，2023年，2月20日，星期六电子：Electron，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：Hole，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第6页，共83页，2023年，2月20日，星期六3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构

原子能级

能带第7页，共83页，2023年，2月20日，星期六共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原

子

能

级

反

成

键

态

成

键

态第8页，共83页，2023年，2月20日，星期六价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K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第9页，共83页，2023年，2月20日，星期六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等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*第10页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.半导体的掺杂BAs

受

主

掺

杂

施

主

掺

杂第11页，共83页，2023年，2月20日，星期六施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，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Si中掺的P和As受主：Acceptor，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Si中掺的B第12页，共83页，2023年，2月20日，星期六施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第13页，共83页，2023年，2月20日，星期六本征载流子浓度：

n=p=ninp=ni2

ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度

电

子

浓

度

n,

空

穴

浓

度

p第14页，共83页，2023年，2月20日，星期六6.非本征半导体的载流子在非本征情形:

热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n第15页，共83页，2023年，2月20日，星期六多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子第16页，共83页，2023年，2月20日，星期六7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na第17页，共83页，2023年，2月20日，星期六n型半导体：电子nNd

空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa

电子nni2/Na第18页，共83页，2023年，2月20日，星期六8.过剩载流子

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电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合第19页，共83页，2023年，2月20日，星期六9.载流子的输运漂移电流迁移率电阻率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

载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动

引

入

迁

移

率

的

概

念

影

响

迁

移

率

的

因

素第20页，共83页，2023年，2月20日，星期六影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（

热

运

动

引

起）电离杂质散射第21页，共83页，2023年，2月20日，星期六扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动第22页，共83页，2023年，2月20日，星期六过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：

直接复合、间接复合、

表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2第23页，共83页，2023年，2月20日，星期六描述半导体器件工作的基本方程

泊松方程

高斯定律

描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加第24页，共83页，2023年，2月20日，星期六方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的

－载流子（n,p)固定的

－电离的施主、受主特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS＝0，静电势为常数第25页，共83页，2023年，2月20日，星期六

电流连续方程

可动载流子的守恒热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴第26页，共83页，2023年，2月20日，星期六

电流密度方程

载流子的输运方程在漂移－扩散模型中扩散项漂移项方程形式1第27页，共83页，2023年，2月20日，星期六爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势第28页，共83页，2023年，2月20日，星期六重

点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合第29页，共83页，2023年，2月20日，星期六作

业

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设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。第30页，共83页，2023年，2月20日，星期六半导体器件物理基础第31页，共83页，2023年，2月20日，星期六重

点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合第32页，共83页，2023年，2月20日，星期六据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：

pn结金属－半导体接触

MOS结构

异质结

超晶格半导体器件物理基础第33页，共83页，2023年，2月20日，星期六PN结的结构第34页，共83页，2023年，2月20日，星期六1.PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子第35页，共83页，2023年，2月20日，星期六2.平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势第36页，共83页，2023年，2月20日，星期六费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央第37页，共83页，2023年，2月20日，星期六自建势qVbi费米能级平直平衡时的能带结构第38页，共83页，2023年，2月20日，星期六3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP第39页，共83页，2023年，2月20日，星期六正向的PN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〕第40页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NP第41页，共83页，2023年，2月20日，星期六N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散第42页，共83页，2023年，2月20日，星期六5.PN结的特性单向导电性：

正向偏置

反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb第43页，共83页，2023年，2月20日，星期六6.PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7.PN结电容第44页，共83页，2023年，2月20日，星期六§2.4双极晶体管1.双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极第45页，共83页，2023年，2月20日，星期六双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP第46页，共83页，2023年，2月20日，星期六双极晶体管的结构和版图示意图第47页，共83页，2023年，2月20日，星期六第48页，共83页，2023年，2月20日，星期六2.3NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布第49页，共83页，2023年，2月20日，星期六NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流第50页，共83页，2023年，2月20日，星期六2.3NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共收集极接法cbe第51页，共83页，2023年，2月20日，星期六3.晶体管的直流特性3.1共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区第52页，共83页，2023年，2月20日，星期六3.2共基极的直流特性曲线第53页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.晶体管的特性参数4.1晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0

、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、第54页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.2晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流

晶体管的主要参数之一第55页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一第56页，共83页，2023年，2月20日，星期六4.4晶体管的频率特性截止频率

f：共基极电流放大系数减小到低频值的

所对应的频率值截止频率f

：特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率第57页，共83页，2023年，2月20日，星期六5.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高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，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路第58页，共83页，2023年，2月20日，星期六输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时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第59页，共83页，2023年，2月20日，星期六缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB第60页，共83页，2023年，2月20日，星期六当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极第61页，共83页，2023年，2月20日，星期六§2.5MOS场效应晶体管MOS电容结构MOSFET器件第62页，共83页，2023年，2月20日，星期六1.MOS电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性第63页，共83页，2023年，2月20日，星期六关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率直流和交流时均成立第64页，共83页，2023年，2月20日，星期六一MOS结构交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线〕2、介质层不吸收能量第65页，共83页，2023年，2月20日，星期六非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V第66页，共83页，2023年，2月20日，星期六未加偏压时的MOS结构MOS电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图第67页，共83页，2023年，2月20日，星期六

功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲第68页，共83页，2023年，2月20日，星期六

平带电压平带电压－－使表面势为0