微电子器件基础- 课件 第1、2章 半导体物理基础

第一章

半导体物理基础第一章半导体物理基础1.1半导体晶格物质按导电能力分类：导体绝缘体半导体物质按物体形态分类：气体液体固体半导体材料是典型的固体材料，其导电能力介于导体和绝缘体之间。什么是半导体？半导体材料按组成成分分类：元素化合物半导体的分类？合金硅锗碳化硅磷化铟砷化镓氮化镓…Si1-xGexAlxGa1-xAs…硅是第一代半导体材料，也是应用最广泛的半导体材料。砷化镓、氮化镓、碳化硅等第二代、第三代、第四代半导体材料亦在不同领域有着广泛应用。第一章半导体物理基础1.1半导体晶格无定型（不存在长程有序）多晶（在小区域内完全有序）单晶（固体内的原子排列有序的阵列）半导体根据内部原子排列的不同，可分为三类，即无定形（非晶）、多晶和单晶。半导体的组成形态无定形（非晶）硅薄膜晶体管太阳能电池光电传感器多晶硅单晶硅金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极材料大部分器件的绝大部分组成部分主要以单晶作为讨论对象第一章半导体物理基础1.1半导体晶格每个角有1/4个原子对于单晶，晶格是用来形成其晶体结构的最小单元。晶格无须是惟一的晶格也无须是最小的注意！第一章半导体物理基础1.1半导体晶格几种常见的晶格简单立方晶格是一个等边的立方体，它的每个顶点上都有一个原子，每个顶点的原子为邻近的8个晶格所共有，因此每个晶格都只占有1/8个顶点原子。体心立方（bcc）晶格在简单立方晶格的基础上，其立方体中心有一个原子。面心立方（fcc）晶格在简单立方晶格的基础上，其晶面中心有一个原子。思考：每个简单立方晶格中存在几个原子，体心立方晶格和面心立方晶格呢？第一章半导体物理基础1.1半导体晶格典型半导体的晶体结构第一章半导体物理基础1.1半导体晶格晶面和晶向

晶列的取向称为晶向，为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量，则

第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型硅原子的电子结构示意图每个硅原子具有14个电子，其中10个电子占据着非常深的能级，并且被紧紧地束缚在原子核的周围。在化学反应或正常原子与原子间的相互作用中，这10个电子始终保持稳定的状态，这10个电子与原子核一起构成原子实。剩余的4个硅原子，其电子的束缚较弱，它们参与化学反应的能力却很强。这4个硅原子电子称为价电子，在描述原子之间的行为时，通常只考虑价电子的相互作用。第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型在价键模型中，圆圈表示半导体原子实，而线表示一个共价键的价电子（每一个原子都有8条线与之连接，不仅贡献出了4个共享的电子，而且需要接受4个从其他原子共享的电子）。价键模型是一种理想的模型，它有一定的应用范围第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型的典型应用场景第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型能带模型允带允带允带禁带禁带能级能带原子轨道(有N个能级)价键模型能够描述半导体内与空间有关的状态，在讨论半导体内与能量有关的物理量时，能带模型则变得更为重要在能带模型中，我们使用电子在某种状态时所具有的能量来描述周期性晶格势场影响下的电子。电子在周期性势场下的状态-能量关系，就称为能带结构。第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型晶体中电子的薛定谔方程1.允带：允许电子填充的能带，称为允带。2.禁带：禁止电子填充的能量区间，称为禁带。3.空带：没有电子填充的能带，称为空带。4.满带：完全被电子填满的能带，称为满带。5.价带：价电子对应能级分裂而形成的能带，称为价带。6.导带：导带是位于价带之上第一个能带。在外电场作用下，该能带里的电子能从外电场吸收能量，从而形成电流，故称为导带。关于能带结构的基本知识第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数热平衡状态半导体是处于电中性的，这就意味着一旦带负电的电子脱离了原有的共价键位置，就会在价带中的同一位置产生一个带正电的“空状态”。随着温度的不断升高，更多的共价键被打破，越来越多的电子跃入导带，价带中也就相应产生了更多带正电的“空状态”。与之相反的过程也在同时进行，即电子也在从高能级的导带跃迁到低能级的价带，从而使导带中的电子和价带中的“空状态”减少，这一过程称为载流子的复合。在恒定温度下，这两种过程将建立动态平衡，又称为热平衡状态。第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数热平衡状态下的载流子浓度热平衡状态下的电子浓度热平衡状态下的空穴浓度热平衡状态下的本征浓度常见半导体材料本征载流子浓度随温度的变化第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数半导体中的E-k关系和有效质量真空中电子在电场作用下的运动方程晶格势场中电子在电场作用下的运动方程在半导体中我们直接把外力和加速度直接联系起来了，同时内部势场力的作用直接用描述为导带底有效质量，为正值为价带顶有效质量，为负值第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数状态密度在半导体的导带和价带中，有很多能级存在。但相邻能级的间隔很小，可以近似认为能级是连续的，因而可将能带分为一个一个能量很小的间隔来处理。假定在能带中能量范围E~E+dE内无限小的能量间隔内有个量子态，则状态密度可表示为状态密度的计算思路导带底和价带顶附近，单位能量间隔内的量子态数目gC(E）和gV(E），随电子的能量增加按抛物线关系增大，即能量越大，状态密度越大。在导带中的电子的分布，可由导带的态密度乘以1减分布函数而得在价带中的电子的分布，可由价带的态密度乘以分布函数而得第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体的掺杂掺杂是指通过控制特殊杂质原子的数量，从而有目的地提高电子或空穴的浓度。施主杂质：能够向半导体中提供多余电子，增加电子浓度的杂质受主杂质：能够向半导体中提供多余空穴，增加电子浓度的杂质第一章半导体物理基础半导体的掺杂对于施主杂质掺杂：当温度趋近于0时，所有施主都被束缚电子填满。随着温度的升高，弱束缚电子越来越多地进入导带。在室温下，几乎所有的施主杂质都被电离对于受主杂质掺杂：在低温时，所有的能级都是空的，这是因为当温度趋近0时，价带电子没有足够的能量向受主能级跃迁。随着温度的升高，热能不断地增大，促使价电子从价带跃迁到受主能级，价电子的移出使得价带中产生空穴。在室温下，基本上所有受主能级都被电子所填充。1.3载流子的运动与控制第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制掺杂半导体的载流子分布当EF在接近带隙中央时，电子和空穴的数量是相等的，表现为本征半导体。当EF位于带隙中央以上时，电子浓度大于空穴浓度，表现为n型半导体；当EF位于带隙中央以下时，空穴浓度大于电子浓度，此时表现为p型半导体。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制简并掺杂半导体在n型简并半导体中，EF和EC之间的能态大部分被电子填满，因此导带中电子的浓度非常大。同样在p型简并半导体中，EF和EV之间的能态大部分为空，因此价带中空穴的浓度也非常大。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制补偿半导体补偿半导体是指在同一区域内同时含有施主和受主杂质原子的半导体。我们可以通过向n型材料中扩散受主杂质或向p型材料中扩散施主杂质的方法来形成补偿半导体:当ND>NA时，形成n型补偿半导体；当NA>ND时，形成p型补偿半导体；当NA=ND时，形成完全补偿半导体。在器件生产过程中，补偿半导体的出现是必然的。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制掺杂半导体的漂移运动空穴的漂移电流密度空穴的漂平均漂移速度第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的主要散射机制半导体中主要有两种散射机制影响载流子的迁移率：晶格散射（声子散射）和电离杂质散射当温度高于热力学零度时，半导体晶体中的原子具有一定的热能，在其晶格位置上做无规则热振动。晶格振动破坏了理想周期性势场，固体的理想周期性势场允许电子在整个晶体中自由运动，而不会受到散射。但是热振动破坏了势函数，导致载流子电子、空穴

与振动的晶格原子发生相互作用，这种晶格散射也称为声子散射。掺入半导体的杂质原子可以控制或改变半导体的性质，室温下杂质已经电离，在电子或空穴与电离杂质之间存在库仑作用。库仑作用引起的碰撞（或散射）也会改变载流子的速度特性。晶格散射（声子散射）电离杂质散射第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制载流子的扩散运动空穴电流密度：空穴扩散电流密度：电子扩散电流密度：电子电流密度：菲克定理：对于均匀掺杂的半导体，如果非平衡载流子不均匀，同时又有外电场的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要做漂移运动第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制爱因斯坦关系迁移率反映了在电场作用下载流子运动的难易程度，扩散系数反映了在有浓度梯度时载流子运动的难易程度，两者存在着确定的数量关系。300K时Si、Ge和GaAs的迁移率和扩散系数第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的寿命在热平衡状态下，载流子会由于热激发而连续地产生，并且同时会以相同的速率复合而消失。但是在器件工作过程中，在激活区的载流子浓度与热平衡状态下不同，它们高于或低于按平衡公式（、和）得出的浓度。非平衡状态趋向于恢复到它本身的热平衡状态。在此期间，系统力求达到这样一种状态，此时注入/抽出和表面产生停止，这一时间是由非平衡载流子的寿命τ来决定的。这是一个可以调整的参数，其可以由载流子的净复合率表示，它决定了功率器件的动态和静态特性。电子和空穴的净复合率:第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的复合机制三种复合的物理机理：①在复合中心上的复合，复合中心由深能级杂质或陷阱构成，而陷阱能级在禁带的深处；②带到带的俄歇（Auger）复合；③带到带的辐射复合。后两种机理发生在半导体晶格上，只与载流子浓度有关，而与常态的和深处的杂质浓度没有直接关系。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制带到带的辐射复合在释放的能量转移到光量子的过程中电子和空穴的直接复合，只有在直接半导体中才有高的概率。按照简单的统计，净复合率是:直接复合就是单位体积中每个电子在单位时间里都有一定的几率和空穴相遇而复合。从能带角度讲，就是导带电子直接落入价带与空穴复合，同时还存在着上述过程的逆过程，即价带电子也有一定的几率跃迁到导带中去，产生一对电子和空穴。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制带到带的Auger复合在Auger复合中，在复合过程中释放的能量不被转移到光量子上，而是转移到第三个电子或空穴上，为了动量守恒，是需要声子参与的。所以，复合概率应该用正比于载流子浓度的一个系数来替代，因此，Auger复合率为对于硅:第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制在复合中心上的复合由深能级杂质或晶格缺陷引起的禁带深能级复合是硅器件低掺杂或中等掺杂区域的主要复合机理。通过这些被称为“陷阱”的复合中心，其寿命能在一个很宽的范围内被控制，这通常在高频时用来缩短器件的开关时间和减小开关损耗。在工程实践中，通常先采用正常掺杂确定结构电导率，然后通过深能级杂质掺杂进行进一步调控。在器件的工艺史上，最初在硅中用金作为深能级杂质来控制寿命，其后许多功率器件都采用扩铂工艺，现在最主要的方法是采用电子、质子或离子辐射来产生具有深能级的晶格缺陷。第二章

半导体器件中的结与电容2.1PN结p区与n区的交界面称为冶金结PN结组成示意图平面示意图PN结的结构组成半导体材料一个区域为空穴掺杂的p型，相邻区域为电子掺杂的n型，形成PN结2.1PN结平面工艺与缓变结为了方便分析，采用剖面图并旋转90度，采用一维方式显示杂质分布平面工艺中的“选择性掺杂”：原始材料氧化光刻掺杂2.1PN结扩散电流空穴扩散流→←电子扩散流-Q+QE电子漂移流→←空穴漂移流P区和N区接触存在浓度差→扩散（复合）→出现空间电荷区→形成自建电场→漂移运动和扩散运动抵消→达到动态平衡载流子浓度半对数坐标载流子浓度线性坐标平衡PN结载流子浓度分布2.1PN结平衡PN结能带结构费米能级是电子填充能级水平的标志，当两块半导体结合形成PN结时，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，直到费米能级处处相等，PN结处于平衡状态。2.1PN结平衡PN结电位分布耗尽区电场的形成由正电荷和负电荷相互分离所致，对于突变结，空间电荷为均匀分布，电场分布为线性分布2.1PN结耗尽层1.耗尽层（1）耗尽层的含义：冶金结附近局部区域，载流子浓度远小于离化杂质浓度，就对空间电荷贡献而言，可以忽略载流子的作用，称为载流子“耗尽”。-Q+Q载流子“耗尽”的区与称为耗尽层2.1PN结耗尽层1.耗尽层（2）耗尽层近似：（a）耗尽层有确定的边界，分别记为-xp和xn（取冶金结处为坐标原点x=0）-Q+Q则耗尽层宽度W0=(xn+xp)（b）耗尽层范围内，n=p=0，耗尽层范围外，载流子维持原来浓度不变。2.1PN结空间电荷区-突变结（1）突变结空间电荷密度分布为：-Q+Q电中性条件：qNaxp=qNdxn2.1PN结空间电荷区-单边突变结（2）单边突变结若Nd>>Na

，则xn<<xp-Q+Q若突变结一侧掺杂浓度远大于另一侧，则称为单边突变结W0=(xn+xp)≈xp，耗尽层宽度主要在轻掺杂一侧电中性条件：qNaxp=qNdxn2.1PN结空间电荷区-内建电势与势垒区（1）内建电场：空间电荷区离化杂质电荷形成从n区指向p区的电场，称为内建电场。-Q+Q（2）内建电势：与自建电场对应由n区高于p区的电位分布n区与p区的电位差称为内建电势，记为Vbi2.1PN结空间电荷区-内建电势与势垒区（3）势垒区：电势的存在，对多子向对方移动形成“势垒”-Q+Q结论：平衡pn结的冶金结附近形成耗尽层，又称为空间电荷区，或者叫势垒区pn结的各种特性，如单向导电性、交流特性、击穿电压等均与这一区域密切相关。E2.1PN结正偏情况，Va>0，则W<W0

，耗尽层变窄。反偏情况，耗尽层变宽。随着反偏电压绝对值增加，W近似与反偏电压绝对值的开方成正比。平衡PN结耗尽层宽度2.1PN结PN结少子连续性方程及边界条件直流情况下，近似的少子连续性方程：少子空穴的净产生率：少子只考虑扩散电流：或者扩散长度扩散系数结合少子边界条件：势垒边界处载流子浓度：P区与势垒区边界N区与势垒区边界p区和n区端点处少子浓度:长二极管近似：在n区端点处，不存在非平衡少子空穴，该处空穴保持为平衡浓度pn0；在p区端点处，不存在非平衡少子电子，该处电子保持为平衡浓度np02.1PN结I-V特性求解N区P区N区少子空穴分布：求解常微分方程代入扩散电流公式N区少子空穴扩散电流密度：P区少子电子扩散电流密度：同理可得空穴和电子扩散电流之和即为总电流2.1PN结PN结单向导电性2.2异质结异质结的组成

两种不同禁带宽度的半导体接触以后，由于费米能级不同而产生电荷的转移，直到将费米能级拉平。电子和空穴的转移形成空间电荷区，内建电场的作用使能带发生弯曲；因禁带宽度不同，而产生了尖峰。未组成异质结前半导体能带图理想pN突变异质结的能带图2.2异质结异质结分类

反型异质结导电类型相反的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如p型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。同型异质结导电类型相同的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如n型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。异质结的其它分类方法：突变异质结从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（）。缓变异质结过渡发生于几个扩散长度范围内。2.2异质结二维电子气如果三维固体中电子在某一个方向上的运动受到阻挡，被局限于一个很小的范围内,那么,电子就只能在另外两个方向上自由运动,这种具有两个自由度的电子就称为二维电子气（2-DEG）。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，即形成了（2-DEG）。特点：电子（或空穴）在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制。2.2异质结典型二维电子气在MOS结构中，半导体表面反型层中的电子可看成是典型的二维电子气。反型层中的电子在垂直于层面方向被限制在一个小于100Å的尺度内运动，而在平行于层面方向可以自由地运动。反型层中的2-DEG结构2.3金属-半导体结整流接触设有一金属和一N型半导体，它们未接触前，能带图如图(a)所示，并假设有qφm>qφx。当它们紧密接触以后，所形成的能带图如图(b)所示，并产生一势垒，称其为肖特基势垒。2.3金属-半导体结欧姆接触与整流接触不同，欧姆接触的半导体表面没有形成耗尽层，而形成的是多子的积累层。欧姆接触中的半导体应该是重掺杂的，这样即使半导体表面形成了耗尽层，其宽度也是很小的，使载流子能够容易地通过隧穿通过金属-半导体结。2.4pn结电容扩散电容扩散电容的定性分析（以正偏为例）N区中正负电荷随结偏压变化t=0：在直流偏置V0作用下，n区出现过剩少子空穴δpn(x)，对应n区出现正电荷+△Q0t=t1

：正偏电压Va↑导致pn(x=0)↑，n

区少子空穴分布随之发生变化导致n

区少子空穴正电荷增加t=t2

：正偏电压Va↓导致pn(x=0)↓n

区少子空穴分布随之发生变化2.4pn结电容势垒电容2.4pn结电容交流小信号数学模型交流小信号少子连续性方程：交流小信号势垒处边界条件：交流小信号PN结端点处边界条件：以N区少子电子为例求解常微分方程交流小信号少子分布：2.4pn结电容流过PN结交流分量：PN结等效交流导纳：微分电导，或称为扩散电导称为微分电容PN结等效交流导纳2.5MOS电容理想MOS电容结构绝缘层是理想的，不存在任何电荷，

绝对不导电；2.半导体足够厚（几百um），不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区）3.绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷；4.金属与半导体之间不存在功函数差。2.5MOS电容MOS电容-累积态

负栅压——

多子积累状态

积累层相当于栅氧化层电容(COX)的下极板

金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷（多子空穴）

外栅压产生从半导体指向金属的电场E

E作用下，体内多子顺E方向被吸引到S表面积累，形成空穴积累层

能带变化能带上弯，空穴在表面堆积，浓度大负栅压2.5MOS电容MOS电容-平带状态零栅压—平带状态理想MOS电容：绝缘层是理想的，不存在任何电荷；Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷；金半功函数差为0。系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02.5MOS电容MOS电容-耗尽状态金属极板积累正电荷，

S表面感应出等量负电荷（受主离子Na-

）

电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子Na-

，不可动，

受半导体浓度Na

的限制，形

成一定厚度的负空间电荷区xd（1um左右）

能带变化：

P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，

能带下弯

xd

：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度小的正栅压

小的正栅压——

多子耗尽状态2.5MOS电容MOS电容-耗尽状态

正栅压↑

,

增大的电场使更多的多子耗尽，

xd

↑,能带下弯增加

EFi

EF

EFi=

EF

，半导体表面处于本征