微电子学概论Chap02

半导体及其根本特性固体资料：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1.半导体的构造原子结合方式：共价键构成的晶体构造：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体构造金刚石构造半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子：可以导电的自在粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后构成的自在电子，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构成的电子空位，对应于价带中的电子空位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构造原子能级能带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构造导带价带Eg半导体中载流子的行为可以等效为自在粒子，但与真空中的自在粒子不同，思索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*4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂施主和受主浓度：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构成量子态本征载流子浓度：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p6.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–Nan型半导体：电子nNd 空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa 电子nni2/Na8.过剩载流子由于受外界要素如光、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：电子和空穴添加和消逝的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合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才干载流子的漂移运动：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影响迁移率的要素：有效质量平均弛豫时间〔散射〕表达在：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〕电离杂质散射分散电流电子分散电流：空穴分散电流：爱因斯坦关系:载流子的分散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的分散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、外表复合、俄歇复合过剩载流子的分散过程分散长度Ln和Lp:L=(D)1/2描画半导体器件任务的根本方程泊松方程高斯定律描画半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决议能带向下弯，静电势添加方程的方式1方程的方式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，静电势为常数电流延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：空穴电流密度方程载流子的输运方程在漂移－分散模型中分散项漂移项方程方式1爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程方式2电子和空穴的准费米势：费米势重点半导体、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、分散、产生、复合作业

载流子的输运有哪些方式，对这些输运方式进展简单的描画设计一个实验：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。半导体器件物理根底重点半导体、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、分散、产生、复合据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种一切这些器件都由少数根本模块构成：pn结金属－半导体接触MOS构造异质结超晶格半导体器件物理根底PN结的构造1.PN结的构成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，由于短少载流子2.平衡的PN结：没有外加偏压能带构造载流子漂移(电流)和分散(电流)过程坚持平衡(相等)，构成自建场和自建势自建场和自建势费米能级EF：反映了电子的填充程度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自建势qVbi费米能级平直平衡时的能带构造3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，分散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区分散分散漂移漂移NP正向的PN结电流输运过程电流传输与转换〔载流子的分散和复合过程〕4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区分散分散漂移漂移反向电流反向偏置时，漂移大于分散NPN区P区电子：分散漂移空穴：P区N区分散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于分散5.PN结的特性单导游电性：正向偏置反向偏置正导游通，多数载流子分散电流反向截止，少数载流子漂移电流正导游通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb6.PN结的击穿雪崩击穿齐纳/隧穿击穿7.PN结电容§2.4双极晶体管1.双极晶体管的构造由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种方式基区宽度远远小于少子分散长度发射区搜集区基区发射结搜集结发射极搜集极基极双极晶体管的两种方式：NPN和PNPNPNcbecbePNP双极晶体管的构造和幅员表示图2.3NPN晶体管的电流输运机制正常任务时的载流子输运相应的载流子分布NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流2.3NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共搜集极共基极共发射极共搜集极NNP晶体管的共搜集极接法cbe3.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3.2共基极的直流特性曲线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、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，搜集结的反向漏电流Iebo：搜集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，搜集极－发射极的反向漏电流

晶体管的主要参数之一4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一4.4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时对应的任务频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率5.BJT的特点优点垂直构造与输运时间相关的尺寸由工艺参数决议，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速运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运用开态电压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运用模拟电路输入电容由分散电容决议随任务电流的减小而减小可同时在大或小的电流下任务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缺陷：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：获得尽能够大的IC和尽能够小的IB当代BJT构造特点：深槽隔离多晶硅发射极§2.5MOS场效应晶体管MOS电容构造MOSFET器件1.MOS电容电容的含义MOS构造理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性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一MOS构造交流电容交流电容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偏压改动V未加偏压时的MOS构造MOS电容的构造MOS电容中三个分别系统的能带图功函数无偏压时MOS构造中由于功函数差引起的外表能带弯曲平带电压平带电压－－使外表势为0，所需在栅上加的偏压。施加偏压后的不同形状：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同形状：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同形状：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同形状：积累、耗尽、反型MOS场效应晶体管场