模電第一章集成電路元器件基礎(chǔ)ppt課件

1、第一章第一章 集成電路元器件根底集成電路元器件根底第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體根底知識(shí)半導(dǎo)體根底知識(shí)一、固體按導(dǎo)電性能可分為三類(lèi)：一、固體按導(dǎo)電性能可分為三類(lèi)：導(dǎo)體：導(dǎo)體：絕緣體：絕緣體：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：cm 410 如：金、銀、銅、鋁等如：金、銀、銅、鋁等1210cm 如：云母、陶瓷等如：云母、陶瓷等cm 931010 如：硅如：硅Si、鍺、鍺Ge、砷化鎳、砷化鎳GaAs等等一、半導(dǎo)體的特性：一、半導(dǎo)體的特性：雜質(zhì)、溫度、光照對(duì)雜質(zhì)、溫度、光照對(duì)影響較大影響較大定義：沒(méi)有雜質(zhì)、純真的單晶體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體定義：沒(méi)有雜質(zhì)、純真的單晶體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體一本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造一本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵構(gòu)造1、Si

2、、Ge原子構(gòu)造模型原子構(gòu)造模型+14Si+32Ge+4價(jià)電子價(jià)電子慣性核慣性核三、本征半導(dǎo)體三、本征半導(dǎo)體2、共價(jià)鍵構(gòu)造、共價(jià)鍵構(gòu)造+4+4+4+4+4+4+4+4+43、本征激發(fā)、本征激發(fā)+4導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶自在電子自在電子空穴空穴空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷+4+4+4+4+4+4+4+4+

3、4空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴帶單空穴帶單位正電荷位正電荷自在電子位帶自在電子位帶單位負(fù)電荷單位負(fù)電荷+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴也是一空穴也是一種載流子種載流子自在電子自在電子空穴空穴兩種載流子兩種載流子在外電場(chǎng)作用下電在外電場(chǎng)作用下電子空穴運(yùn)動(dòng)方向相子空穴運(yùn)動(dòng)方向相反反T=300K室溫室溫)時(shí)時(shí)Eg(Si)=1.12eVEg(Ge)=0.72eVEg普通與半導(dǎo)體資料和溫度普通與半導(dǎo)

4、體資料和溫度T有關(guān)有關(guān)T=0K-273.16oC)時(shí)時(shí)Eg0(Si)=1.21eVEg0(Ge)=0.785eV導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶+4+4+4+4+4+4+4+4+41 .T=0K且無(wú)外界能量激發(fā)時(shí)且無(wú)外界能量激發(fā)時(shí)Eg0較大，價(jià)電子全部束較大，價(jià)電子全部束縛在共價(jià)鍵中，導(dǎo)帶無(wú)自在電子。此時(shí)的本征半導(dǎo)體縛在共價(jià)鍵中，導(dǎo)帶無(wú)自在電子。此時(shí)的本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體相當(dāng)于絕緣體當(dāng)當(dāng)T (or光照光照)價(jià)電子獲得能量?jī)r(jià)電子獲得能量導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶躍遷導(dǎo)帶躍遷導(dǎo)帶+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子自在電子空穴空穴位于導(dǎo)帶位于導(dǎo)帶-位于價(jià)帶位于價(jià)帶-自在電子自在電子和空穴成

5、和空穴成對(duì)出現(xiàn)對(duì)出現(xiàn)2、本征激發(fā)、本征激發(fā)3、本征載流子、本征載流子(1)本征激發(fā)本征激發(fā)自在電子自在電子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子自在電子空穴空穴本征激發(fā)產(chǎn)生自在電子和空穴本征激發(fā)產(chǎn)生自在電子和空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子自在電子空穴空穴復(fù)合復(fù)合+4+4+4+4+4+4+4+4+4復(fù)合復(fù)合3、本征載流子、本征載流子(1)本征激發(fā)本征激發(fā)自在電子自在電子空穴空穴(2)空穴空穴自在電子自在電子隨機(jī)碰撞隨機(jī)碰撞復(fù)合復(fù)合空穴消逝空穴消逝自在電子自在電子(3)本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合復(fù)合本征半導(dǎo)體中的自在電子濃度本征半導(dǎo)體中的自在電子濃度ni空穴濃度空穴濃度p

6、i總是相等的總是相等的溫度溫度ni pi導(dǎo)電才干導(dǎo)電才干可制造熱敏元件可制造熱敏元件影響半導(dǎo)體器件的影響半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性穩(wěn)定性光照光照ni pi導(dǎo)電才干導(dǎo)電才干可制造光電元件可制造光電元件定義：人為摻入一定雜質(zhì)成份的半導(dǎo)體稱(chēng)雜質(zhì)半定義：人為摻入一定雜質(zhì)成份的半導(dǎo)體稱(chēng)雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)體四、雜質(zhì)半導(dǎo)體四、雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體摻入型半導(dǎo)體摻入5價(jià)元素雜質(zhì)價(jià)元素雜質(zhì)P型半導(dǎo)體摻入型半導(dǎo)體摻入3價(jià)元素雜質(zhì)價(jià)元素雜質(zhì)分類(lèi)分類(lèi)+4+4+4+4+4+4+4+5+4在本征半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入中摻入5價(jià)的價(jià)的雜質(zhì)砷、磷、雜質(zhì)砷、磷、銻就成為銻就成為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)原子提供多雜質(zhì)原子提供多余電子稱(chēng)為施主余電

7、子稱(chēng)為施主雜質(zhì)雜質(zhì)-正離子正離子多余電子位于施主能級(jí)在室溫下進(jìn)入導(dǎo)帶成為自在電子多余電子位于施主能級(jí)在室溫下進(jìn)入導(dǎo)帶成為自在電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶施主能級(jí)施主能級(jí)導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶一一N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)1、施主原子在提供多余電子的同時(shí)并不產(chǎn)生空、施主原子在提供多余電子的同時(shí)并不產(chǎn)生空穴，而成為正離子被束縛在晶格中不能挪動(dòng)，不穴，而成為正離子被束縛在晶格中不能挪動(dòng)，不能起導(dǎo)電作用能起導(dǎo)電作用+4+4+4+4+4+52、在室溫下，多余的電子全部被激發(fā)為自在電、在室溫下，多余的電子全部被激發(fā)為自在電子，故子，故N型半導(dǎo)體中自在電子數(shù)目很高，型半導(dǎo)體中自在電子數(shù)目很

8、高，ni大，大，主要靠電子導(dǎo)電，故稱(chēng)為電子半導(dǎo)體。主要靠電子導(dǎo)電，故稱(chēng)為電子半導(dǎo)體。3、在、在N型半導(dǎo)體中，同樣存在本征激發(fā)，產(chǎn)生型半導(dǎo)體中，同樣存在本征激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但數(shù)目很小，自在電子濃度遠(yuǎn)大于電子空穴對(duì)，但數(shù)目很小，自在電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度?？昭舛取Ｔ谠贜型半導(dǎo)體中，自在電子是多數(shù)載流子多子型半導(dǎo)體中，自在電子是多數(shù)載流子多子空穴對(duì)是少數(shù)載流子少子空穴對(duì)是少數(shù)載流子少子 。+4+4+4+4+4+4+4+3+4在本征半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入中摻入3價(jià)的價(jià)的雜質(zhì)雜質(zhì)B硼硼就成為就成為P型半型半導(dǎo)體導(dǎo)體雜質(zhì)原子接受雜質(zhì)原子接受電子稱(chēng)為受主電子稱(chēng)為受主雜質(zhì)雜質(zhì)-負(fù)離子負(fù)離子受主原子位

9、于受主能級(jí)在室溫下產(chǎn)生空位位于價(jià)帶受主原子位于受主能級(jí)在室溫下產(chǎn)生空位位于價(jià)帶受主能級(jí)受主能級(jí)二二P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶Eg禁帶禁帶+4+4+4+4+4+4+4+3+41、受主原子接受電子在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴，、受主原子接受電子在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴，但并不在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在晶格中留下一個(gè)但并不在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在晶格中留下一個(gè)負(fù)離子。負(fù)離子不能自在挪動(dòng)，不起導(dǎo)電作用。負(fù)離子。負(fù)離子不能自在挪動(dòng)，不起導(dǎo)電作用。P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)在在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子多子自型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子多子自在電子對(duì)是少數(shù)載流子少子在電子對(duì)是少數(shù)載流子少子 。

10、+4+4+4+4+4+32、在室溫下，、在室溫下，3價(jià)受主原子產(chǎn)生的空穴全部可被價(jià)受主原子產(chǎn)生的空穴全部可被被激發(fā)為價(jià)帶中的空穴，故被激發(fā)為價(jià)帶中的空穴，故P型半導(dǎo)體中空穴數(shù)型半導(dǎo)體中空穴數(shù)目很高，目很高，Pi大，主要靠空穴，故稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體。大，主要靠空穴，故稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體。3、在、在P型半導(dǎo)體中，同樣存在本征激發(fā)，產(chǎn)生電型半導(dǎo)體中，同樣存在本征激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但數(shù)目很小，空穴濃度遠(yuǎn)大于自在電子空穴對(duì)，但數(shù)目很小，空穴濃度遠(yuǎn)大于自在電子濃度。子濃度。 三雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度三雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度本征半導(dǎo)體中載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生：本征半導(dǎo)體中載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生：ni=pi雜質(zhì)半

11、導(dǎo)體摻雜越多雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜越多多子濃度越多多子濃度越多少子濃度越少少子濃度越少雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生雜質(zhì)電離產(chǎn)生多子雜質(zhì)電離產(chǎn)生多子本征激發(fā)產(chǎn)生多子和少子本征激發(fā)產(chǎn)生多子和少子兩種載流子的濃度的關(guān)系兩種載流子的濃度的關(guān)系1、熱平衡條件、熱平衡條件溫度一定時(shí)，兩種載流子濃度之溫度一定時(shí)，兩種載流子濃度之和，等于本征濃度的平方。和，等于本征濃度的平方。N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：2innnpn P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：2ippnpn 2、電中性條件：、電中性條件：整塊半導(dǎo)體的正電荷與負(fù)電荷恒等整塊半導(dǎo)體的正電荷與負(fù)電荷恒等nonpNn P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： NA表示受主雜質(zhì)濃度

12、：表示受主雜質(zhì)濃度：pAnnNp No表示施主雜質(zhì)濃度：表示施主雜質(zhì)濃度：N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：普通總有普通總有Nopn NAnpN型：型：nn No所以所以P型：型：pp Na多子濃度等于摻雜多子濃度等于摻雜濃度與溫度無(wú)關(guān)濃度與溫度無(wú)關(guān)pn ni2/Nopp ni2 /Na少子濃度與本征濃度少子濃度與本征濃度有關(guān)，隨溫度升高而有關(guān)，隨溫度升高而添加，是半導(dǎo)體元件添加，是半導(dǎo)體元件溫度漂移的主要緣由溫度漂移的主要緣由五、載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)五、載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)引起電流電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)引起電流由于電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)由于電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng)漂移電流漂移運(yùn)動(dòng)漂

13、移電流由于載流子的濃度梯度引起的定向運(yùn)動(dòng)由于載流子的濃度梯度引起的定向運(yùn)動(dòng)-分散運(yùn)動(dòng)分散電流分散運(yùn)動(dòng)分散電流一漂移電流一漂移電流EEV空穴的電流密度：空穴的電流密度：Jpt電子的電流密度：電子的電流密度：Jnt總的漂移的電流密度：總的漂移的電流密度：Jt=Jpt+Jnt二分散電流二分散電流載流子注入載流子注入或光照作用或光照作用非平衡載流子非平衡載流子由于載流子的濃度梯度引起的定向運(yùn)動(dòng)由于載流子的濃度梯度引起的定向運(yùn)動(dòng)-分散運(yùn)動(dòng)分散電流分散運(yùn)動(dòng)分散電流載流子的濃度梯度載流子的濃度梯度分散運(yùn)動(dòng)分散運(yùn)動(dòng)分散電流分散電流x x光光照照n (x)p (x)載流子濃度載流子濃度熱平衡值熱平衡值熱平衡值熱平衡值xN型半導(dǎo)體載流子的分散型半導(dǎo)體載流子的分散用用 , ,