半導(dǎo)體及其本征特征

半導(dǎo)體及其基本特性第二章固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1

導(dǎo)體:106~104(cm)-1

半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性(電導(dǎo)率)和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)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)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge

化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、InSb、GaP2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴

若T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）電子：Electron，帶負電的導(dǎo)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(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)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四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:

n=p=2.38×1013/cm3本征激發(fā)復(fù)合動態(tài)平衡1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。

3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi

表示，顯然ni

=pi。

4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)：3.半導(dǎo)體的能帶(價帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結(jié)構(gòu)

原子能級能帶共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級

反成鍵態(tài)

成鍵態(tài)價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶Eg半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導(dǎo)體的摻雜BAs

受主摻雜

施主摻雜1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。

本征半導(dǎo)體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。

自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。5價雜質(zhì)原子稱為施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.3

N型半導(dǎo)體二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。

3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖P型半導(dǎo)體說明：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，當(dāng)此電子移動參與傳導(dǎo)電流時，施主原子的位置留下不能移動，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，當(dāng)此空穴移動參與傳導(dǎo)電流時，受主原子的位置留下不能移動，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B施主能級受主能級雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,

空穴濃度p6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:

熱平衡時:N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：電子

p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：空穴

p型半導(dǎo)體：電子7.電中性條件:正負電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導(dǎo)體：電子nNd

空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa

電子nni2/Na8.過剩載流子

由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)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公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復(fù)合9.載流子的輸運漂移電流遷移率

電阻率

單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力

載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動

引入遷移率的概念

影響遷移率的因素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質(zhì)散射擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴散運動：載流子在化學(xué)勢作用下運動過剩載流子的擴散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的擴散過程擴散長度Ln和Lp:L=(D)1/2描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程

泊松方程

高斯定律描述半導(dǎo)體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米能級Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢增加方程的形式1方程的形式2電荷密度

(x)可動的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無外加偏壓時，方程RHS＝0，靜電勢為常數(shù)

電流連續(xù)方程

可動載流子的守恒熱平衡時：產(chǎn)生率＝復(fù)合率np=ni2空穴：電子：

電流密度方程

載流子的輸運方程在漂移－擴散模型中擴散項漂移項方程形式1愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程形式2電子和空穴的準費米勢：費米勢重點半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運、漂移、擴散、產(chǎn)生、復(fù)合

載流子的輸運有哪些模式，對這些輸運模式進行簡單的描述設(shè)計一個實驗：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。作業(yè)半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)

在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)圖PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成1.1

PN結(jié)PN結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴散運動

2.擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動?！狿N結(jié)，耗盡層。PN

（動畫1-3）3.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間電荷區(qū)正負離子之間電位差Uho——電位壁壘；——內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴散——阻擋層。

4.漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動—漂移。

少子的運動與多子運動方向相反

阻擋層5.擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當(dāng)擴散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。對稱結(jié)即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。PN不對稱結(jié)1.PN結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因為缺少載流子2.平衡的PN結(jié)：沒有外加偏壓能帶結(jié)構(gòu)載流子漂移(電流)和擴散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場和自建勢自建場和自建勢費米能級EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時，能級被占據(jù)的幾率為1/2本征費米能級位于禁帶中央二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.1.6PN什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？有什么作用？在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結(jié)外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流I

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。耗盡層圖1.1.7

PN結(jié)加反相電壓時截止反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

（動畫1-4）

（動畫1-5）綜上所述：可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴S：反向飽和電流UT：溫度的電壓當(dāng)量在常溫(300K)下，

UT

26mV三、PN結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為公式推導(dǎo)過程略四、PN結(jié)的伏安特性

i=f(u)之間的關(guān)系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性圖1.1.10

PN結(jié)的伏安特性反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿五、PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢壘電容擴散電容1.勢壘電容Cb是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓u而變化，因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。其Cb=f(U)曲線如圖示。

：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；S：結(jié)面積；l：耗盡層寬度。OuCb圖1.1.11（b)2.擴散電容Cd

Q是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與耗盡層的交界處當(dāng)電壓加大，np(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12

Q當(dāng)加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。

Q正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——擴散電容效應(yīng)。圖1.1.12PNPN結(jié)自建勢qVbi費米能級平直平衡時的能帶結(jié)構(gòu)3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時，擴散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴散和復(fù)合過程〕4.PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散NPN區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移空穴:P區(qū)N區(qū)擴散漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散5.PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕赫蚱梅聪蚱谜驅(qū)?，多?shù)載流子擴散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷篤bi~0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb6.PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7.PN結(jié)電容§2.4雙極晶體管1.雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型常用的三極管的結(jié)構(gòu)有硅平面管和鍺合金管兩種類型。圖1.3.2a三極管的結(jié)構(gòu)(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)ebbecPNPe發(fā)射極，b基極，c集電極。NcNP二氧化硅發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)圖1.3.2(b)三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號NPN型ecb符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c發(fā)射極e基極b

cbe符號NNPPN圖1.3.2?三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(b)PNP型1.3.2晶體管的電流放大作用以NPN型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。不具備放大作用三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP

1.發(fā)射區(qū)高摻雜。

2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積大。實驗+-bce共射極放大電路UBBUCCuBEiCiB+-uCEiEiB00.02 0.04 0.060.080.10iC<0.0010.70 1.502.303.103.95iE<0.0010.72 1.542.363.184.05表1-1電流單位：mAecRcRb一、晶體管內(nèi)部載流子的運動IEIB發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流發(fā)射區(qū)的電子越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴散到發(fā)射區(qū)—形成發(fā)射極電流IE(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電流

電子到達基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流Ibn，復(fù)合掉的空穴由VBB

補充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴散，到達集電結(jié)的一側(cè)。晶體管內(nèi)部載流子的運動becIEIBRcRb3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運動形成集電極電流Ic

集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴散過來的電子而形成集電極電流Icn。其能量來自外接電源VCC

。IC另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進行漂移運動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO晶體管內(nèi)部載流子的運動beceRcRb二、晶體管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn+IEp

=IEn+IEpIE=IC+IB圖1.3.4晶體管內(nèi)部載流子的運動與外部電流IB=IEp+IBn－ICBO

~IBn－ICBO~2.3NPN晶體管的電流輸運機制正常工作時的載流子輸運相應(yīng)的載流子分布NPN晶體管的電流輸運NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換電子流空穴流2.3NPN晶體管的幾種組態(tài)共基極共發(fā)射極共收集極共基極共發(fā)射極共收集極NNP晶體管的共收集極接法cbe3.晶體管的直流特性3.1共發(fā)射極的直流特性曲線三個區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)3.晶體管的直流特性3.2共基極的直流特性曲線4.晶體管的特性參數(shù)4.1晶體管的電流增益（放大系數(shù)〕共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)

0

、兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)

0、4.晶體管的特性參數(shù)4.2晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開路時，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開路時，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開路時，收集極－發(fā)射極的反向漏電流

晶體管的主要參數(shù)之一4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）4.3晶體管的擊穿電壓BVcboBvceoBVeboBVeeo晶體管的重要直流參數(shù)之一4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）4.4晶體管的頻率特性

截止頻率f

：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的所對應(yīng)的頻率值

截止頻率f

：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時對應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時對應(yīng)的頻率5.BJT的特點優(yōu)點垂直結(jié)構(gòu)與輸運時間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個發(fā)射結(jié)上有電流流過可獲得單位面積的大輸