半導體器件基礎(chǔ)1

半導體器件基礎(chǔ)半導體器件基礎(chǔ)教材:半導體器件基礎(chǔ)，RobertF.Pierret著，黃如等譯，電子工業(yè)出版社參考書：微電子技術(shù)基礎(chǔ)---雙極、場效應(yīng)晶體管原理，電子工業(yè)出版社，曹培棟編著

半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介固態(tài)電子學分支之一微電子學光電子學研究在固體（主要是半導體〕材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學分支學科微電子學簡介:半導體概要微電子學研究領(lǐng)域半導體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計和測試微電子學發(fā)展的特點向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學科互相滲透，形成新的學科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導體概要固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體什么是半導體？半導體及其基本特性半導體材料的純度和結(jié)構(gòu)純度極高，雜質(zhì)<1013cm-3結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元三維立方單胞簡立方、體心立方、面立方半導體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)半導體有:

元素半導體如Si、Ge化合物半導體如GaAs、InP、ZnS原子結(jié)合形式：共價鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)密勒(Miller)指數(shù)(111)晶面原子面密度比(100)晶面稍高:7.8x1014atoms/cm2半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介載流子模型半導體中有兩類重要的載流子：電子和空穴本章將將介紹載流子的定義、性質(zhì)、相關(guān)術(shù)語、載流子分布等+14量子化概念電子的能級是量子化的n=3四個電子n=28個電子n=12個電子SiH半導體模型價鍵模型空穴電子半導體的能帶（價帶、導帶和帶隙〕價帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結(jié)構(gòu)導帶價帶Eg半導體中的載流子電子：帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應(yīng)于導帶中占據(jù)的電子空穴：帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位電子濃度空穴濃度其中NC、NV分別為等效態(tài)密度，Ef為費米能級半導體、絕緣體和導體載流子的特性電荷有效質(zhì)量Anelectronmoveswithacertaincharacteristicmass(fromF=ma)invacuumInasolid,F=machanges,sowecanmodelthischangeviaan“effective”mass有效質(zhì)量在一個電場中，電子和空穴的加速度為：施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和As受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，并成為帶正電的離子。如Si中的BN型半導體

P型半導體BAs半導體的摻雜施主能級施主和受主的相互補償受主能級態(tài)密度根據(jù)量子力學，當電子能量為E，且距帶邊不遠時，態(tài)密度為：費米分布函數(shù)在熱平衡條件下，能量為E的有效狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為平衡載流子分布簡單用態(tài)密度和費米-迪拉克分布函數(shù)的乘積表示：平衡載流子濃度導帶中的電子濃度：價帶中的空穴濃度：平衡載流子濃度如果Ev+3kT<=EF<=Ec-3kTn和p的其他變換公式本征半導體時，

本征載流子濃度本征費米能級本征載流子對摻雜半導體，接近室溫時EF-Ei=kTln(ND/ni)舉例摻雜半導體電中性條件：特殊情況舉例摻雜濃度分別為(a)和的硅中的電子和空穴濃度？(b)再摻雜的Na又是多少？()載流子濃度與溫度的關(guān)系小結(jié)P47半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介載流子輸運半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產(chǎn)生和復合熱運動晶體中的碰撞和散射引起凈速度為零平均自由時間為熱能和熱速度電子或空穴的平均動能漂移電流電流密度遷移率單位電場下的平均漂移速度為遷移率影響遷移率的因素與散射有關(guān)晶格散射電離雜質(zhì)散射漂移電流與電導率電導率電阻率電阻率與摻雜的關(guān)系N型半導體P型半導體能帶彎曲當材料中存在電場時，能帶能量變成位置的函數(shù)場強勢能擴散粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動擴散電流半導體內(nèi)總電流擴散+漂移擴散系數(shù)和遷移率的關(guān)系考慮非均勻半導體愛因斯坦關(guān)系在平衡態(tài)時，凈電流為0產(chǎn)生和復合產(chǎn)生電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程復合電子和空穴（載流子）消失的過程產(chǎn)生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影響電流復合直接復合間接復合Auger復合產(chǎn)生直接產(chǎn)生R-G中心產(chǎn)生載流子產(chǎn)生與碰撞電離由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子平衡載流子滿足費米－狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費米－狄拉克統(tǒng)計分布且公式不成立載流子的產(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子過剩載流子和電中性平衡時過剩載流子電中性：過剩載流子和電中性小注入條件：N型材料P型材料例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，判斷其是否滿足小注入條件？解：滿足小注入條件?。ǎ秃蠅勖俣ü庹债a(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉，和將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)稱為壽命

復合n型材料中的空穴p型材料中的電子小結(jié)P94-P95半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程PN結(jié)雜質(zhì)分布下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進行物理分析突變結(jié):線性緩變結(jié):淺結(jié)、重摻雜（<1um）深結(jié)（>3um）

或外延的PN結(jié)PN結(jié)中的能帶PN內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度能帶內(nèi)建電勢電場Poisson方程電荷和電勢分布滿足Poisson方程在中性區(qū):耗盡近似耗盡層模型在耗盡區(qū)P型一側(cè),N型一側(cè),突變結(jié)耗盡區(qū)的電場與電勢分布耗盡近似Possion方程：電場分布積分一次：(x)-xpxn電勢分布由微分方程：邊界條件：設(shè)在-xp處V=0xn處V=Vbi再積分一次：電勢分布N型側(cè)，X=0處，有耗盡層寬度電場隨x線性變化，在x=0時達最大值：耗盡層寬度VA0條件下的突變結(jié)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，VA大于0時，使耗盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為Vbi-VA上面的公式中，將Vbi換成Vbi-VA反偏PN結(jié)反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？線性緩變結(jié)線性緩變結(jié)-1令V(-W/2)=0,進一步解出最大電場空間電荷區(qū)寬度小結(jié)PN結(jié)的基本概念泊松方程兩個理想情況突變結(jié)和線性緩變結(jié)內(nèi)建電壓耗盡區(qū)寬度半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介理想二極管方程PN結(jié)正偏時理想二極管方程PN結(jié)反偏時定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠大于擴散長度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動?？臻g電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度,不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生—復合作用。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。準中性區(qū)的載流子運動情況穩(wěn)態(tài)時,假設(shè)GL=0邊界條件:圖6.4歐姆接觸邊界耗盡層邊界邊界條件歐姆接觸邊界耗盡層邊界(pn結(jié)定律)準費米能級耗盡層邊界P型一側(cè)PN耗盡層邊界(續(xù))N型一側(cè)耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)準中性區(qū)載流子濃度理想二極管方程求解過程準中性區(qū)少子擴散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二極管方程(1)新的坐標:邊界條件:-xp

xn0xX’空穴電流一般解電子電流P型側(cè)PN結(jié)電流PN結(jié)電流與溫度的關(guān)系載流子電流準中性區(qū)多子電流練習6.3P181與理想情況的偏差大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復合空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復合正向有復合電流反向有產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復合-1反向偏置時,正向偏置時,計算比較復雜VA愈低，IR-G愈是起支配作用VAVbi時的大電流現(xiàn)象串聯(lián)電阻效應(yīng)q/kTLog(I)VAVAVbi時的大電流現(xiàn)象-1大注入效應(yīng)大注入是指正偏工作時注入載流子密度等于或高于平衡態(tài)多子密度的工作狀態(tài)。pn≥nnoVAVbi時的大電流現(xiàn)象-2VAVbi時的大電流現(xiàn)象-3VA越大,電流上升變緩反向擊穿電流急劇增加可逆雪崩倍增齊納過程不可逆熱擊穿雪崩倍增雪崩擊穿電壓與摻雜濃度的關(guān)系耗盡層中達到臨界電場時,將發(fā)生擊穿齊納過程產(chǎn)生了隧穿效應(yīng)E隧道穿透幾率P：隧道長度:隧道擊穿:VB<4Eg/q雪崩擊穿：VB>6Eg/q本章小結(jié)PN結(jié)正偏和反偏時的載流子運動準費米能級PN結(jié)定量方程推導耗盡層邊界條件連續(xù)性方程準中性區(qū)載流子分布PN結(jié)電流與理想的偏差產(chǎn)生和復合大電流效應(yīng)擊穿特性半導體器件基礎(chǔ)半導體概要載流子模型載流子輸運pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介PN結(jié)二極管的等效電路小信號加到PN結(jié)上~+-vaVA+-PNRsGC反向偏置結(jié)電容也稱勢壘電容或過渡區(qū)電容反向偏置結(jié)電容-1反向偏置結(jié)電容-2耗盡近似下線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電荷總量參數(shù)提取和雜質(zhì)分布CV測量系統(tǒng)VA1/C2Vbi擴散電容擴散電容-1表現(xiàn)為電容形式擴散電容-2