半導(dǎo)體物理與器件第四版ppt

1、半導(dǎo)體物理與器件 能帶理論原子結(jié)構(gòu)原子的核型結(jié)構(gòu):盧瑟福認(rèn)為原子的結(jié)構(gòu)與太陽系結(jié)構(gòu)相似,中間是原子核,相當(dāng)于太陽,電子繞著原子核旋轉(zhuǎn),就象9大行星繞著太陽轉(zhuǎn)一樣。硅原子結(jié)構(gòu)泡利不相容原理泡利不相容原理:原子中第n個(gè)殼層最多只能容納2N個(gè)電子。電子共有化運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體晶體中的電子共有化運(yùn)動(dòng)：晶體中原子外圍電子的軌道互相重疊，電子不再只屬于某一個(gè)原子，而是可以在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為晶體整個(gè)原子所共有。電子共有化運(yùn)動(dòng)電子共有化運(yùn)動(dòng)：能帶形成能帶概念半導(dǎo)體中能帶的形成：電子的共有化運(yùn)動(dòng)，引起能級(jí)的分裂，受泡利不相容原理的影響，這些能級(jí)將形成能量稍有不同的“能帶”能帶圖能帶概念空帶，滿帶，價(jià)帶，導(dǎo)帶，禁帶寬度

2、： 能帶上沒有電子，稱空帶。 能帶上充滿電子，稱滿帶。 能量最高的滿帶稱為價(jià)帶EV。 能量最低的空帶稱為導(dǎo)帶EC。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的區(qū)域稱為禁帶寬度Eg。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶的差異：禁帶寬度極大的不同。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈半導(dǎo)體，無雜質(zhì)。本征激發(fā)：在一定溫度下，由于熱運(yùn)動(dòng)，一部分價(jià)帶電子獲得大于禁帶寬度的能量而躍遷到導(dǎo)帶。（實(shí)質(zhì)：共價(jià)鍵上電子掙脫了出來，成為自由電子；同時(shí)留下一個(gè)空穴。）這樣形成了空穴電子對(duì)。載流子復(fù)合電子空穴對(duì)的復(fù)合：電子空穴對(duì)在晶體中相遇，就可能復(fù)合而消失，補(bǔ)好了一個(gè)完整的共價(jià)鍵。 這也就是電子又從導(dǎo)帶跳回了價(jià)帶，多余的能量以發(fā)光的形式或發(fā)熱的形式釋

3、放出來。 激發(fā)和復(fù)合可形成動(dòng)態(tài)的平衡。 本征載流子濃度一般是很低的。載流子復(fù)合施主能級(jí)N型半導(dǎo)體：硅中摻入5價(jià)元素磷、砷、銻，產(chǎn)生非平衡載流子電子。在能帶圖中，在禁帶中靠近導(dǎo)帶的地方，形成一個(gè)施主能級(jí)ED。 施主能級(jí)受主能級(jí)P型半導(dǎo)體：硅中摻入3價(jià)元素硼，產(chǎn)生非平衡載流子空穴。在能帶圖中，在禁帶中靠近價(jià)帶的地方，形成一個(gè)受主能級(jí)EA。受主能級(jí)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。半導(dǎo)體中雜質(zhì)的補(bǔ)償費(fèi)米能級(jí)EF ：衡量半導(dǎo)體摻雜水平電子填充水平高低的標(biāo)志。 載流子運(yùn)動(dòng)方式半導(dǎo)體中載流子的兩種運(yùn)動(dòng)方式：漂移運(yùn)動(dòng)（在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)）；擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（濃度差造成的運(yùn)動(dòng)）。半導(dǎo)體中的載流子的遷移現(xiàn)象載流子遷移率載流

4、子的遷移率：載流子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下的平均漂移速度。常溫下載流子的遷移率非平衡載流子平衡載流子：半導(dǎo)體在熱平衡情況下，體內(nèi)產(chǎn)生的載流子。非平衡載流子：光、電等外界因素引起的額外增加的載流子。非平衡載流子的復(fù)合載流子壽命的概念非平衡載流子的壽命:在外界作用因素停止后，其隨時(shí)間逐漸減少以至消失的過程稱為衰減。其平均存在時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡少數(shù)載流子壽命的意義：其濃度降低到原來的37（1/e）的時(shí)間。非平衡載流子的復(fù)合機(jī)理：直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷造成的電子和空穴的復(fù)合。間接復(fù)合：電子通過禁帶中的各種復(fù)合中心能級(jí)（雜質(zhì)和缺陷形成）分兩步進(jìn)行的電子和空穴的復(fù)合。非平衡載

5、流子的凈復(fù)合率：甲：俘獲電子過程； 乙：發(fā)射電子過程； 丙：俘獲空穴過程； ?。喊l(fā)射空穴過程。 凈復(fù)合率 甲 乙 丙 丁半導(dǎo)體的界面態(tài)和表面態(tài)半導(dǎo)體界面： 半導(dǎo)體晶體和別的物質(zhì)的交界面。 比如硅表面和SIO2的交界面。半導(dǎo)體表面：當(dāng)別的物質(zhì)是空氣時(shí)，半導(dǎo)體界面又稱為半導(dǎo)體表面。半導(dǎo)體界面態(tài)：半導(dǎo)體界面上的硅原子外層電子不能象體內(nèi)那樣和另一個(gè)硅原子的外層電子形成完整的共價(jià)鍵，稱懸掛鍵，它很容易和其它原子結(jié)合，就形成了界面態(tài)。表面態(tài)：界面態(tài)的特殊形式。表面復(fù)合：硅晶體的表面，一般和SIO2相接，在相互作用下，由于界面態(tài)的存在，會(huì)在禁帶中形成一些新的能級(jí)；硅晶體表面受水汽和臟物的影響，也會(huì)在禁帶中產(chǎn)

6、生一些新的能級(jí)。 這些能級(jí)其實(shí)也屬于復(fù)合中心能級(jí)的范疇。從而使晶體表面載流子復(fù)合加劇，這樣就使表面附近載流子壽命減小。非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：自然界任何物質(zhì)都有從濃度高處向濃度低處運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。非平衡載流子的擴(kuò)散擴(kuò)散流與濃度差的關(guān)系：等式右邊的D表示擴(kuò)散系數(shù)。 dn/dx表示濃度梯度，即濃度差的大小。影響擴(kuò)散系數(shù)的因素：溫度、摻雜濃度等：擴(kuò)散流密度與擴(kuò)散定律 ：擴(kuò)散流密度與載流子的濃度梯度成正比。 擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp：是描寫非平衡少子在邊擴(kuò)散邊復(fù)合的過程中，能夠擴(kuò)散的平均距離。其在數(shù)值上等于非平衡少子濃度衰減到原來 的1/e（即37）時(shí)兩點(diǎn)之間的距離。擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算;愛因斯坦方程

7、半導(dǎo)體體內(nèi)可能存在的4種電流PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管1.2 半導(dǎo)體二極管 二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽極+陰極- 二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3) 平面型二極管 用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。PN結(jié)的形成：合金法；擴(kuò)散法；注入法兩種不同雜質(zhì)分布的PN結(jié)突變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)的雜質(zhì)分布界限分明。緩變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)的雜質(zhì)分布呈現(xiàn)此消彼漲的漸變模式。PN結(jié)的空間電荷區(qū)PN結(jié)的勢(shì)壘PN結(jié)的正向特性PN結(jié)的反向特性P

8、N結(jié)兩邊的摻雜濃度PN結(jié)兩邊未接觸時(shí)的能帶圖PN結(jié)能帶圖少子在PN結(jié)兩邊的分布PN結(jié)的正反向接法 根據(jù)理論分析：u 為PN結(jié)兩端的電壓降i 為流過PN結(jié)的電流IS 為反向飽和電流UT =kT/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù) 1.381023q 為電子電荷量1.6109T 為熱力學(xué)溫度 對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K）則有UT=26 mV。當(dāng) u0 uUT時(shí)當(dāng) u|U T |時(shí)影響PN結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素：正向復(fù)合電流：當(dāng)P區(qū)來的空穴和N區(qū)來 的電子在空間電荷區(qū)復(fù)合時(shí)，就形成該電流，此電流在正向電流較小時(shí)比重較大，由于它對(duì)三極管發(fā)射極注入無貢獻(xiàn)，故小電流時(shí)三極管放大倍數(shù)會(huì)下降。

9、 反向時(shí)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流：空間電荷區(qū)熱激發(fā)的載流子在反壓下來不及復(fù)合，就被電場(chǎng)驅(qū)走，增多了反向電流。 大注入情況：電流隨電壓的增加將變緩。PN結(jié)的反向擊穿：雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓很高時(shí)，空間電荷區(qū)電場(chǎng)很強(qiáng)，電子和空穴動(dòng)能很大，可將空間電荷區(qū)中的硅的共價(jià)鍵撞開，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，使載流子呈現(xiàn)雪崩式倍增，使電流劇增，形成擊穿。從能帶觀點(diǎn)：即是將價(jià)帶上的電子激發(fā)到了導(dǎo)帶上。雪崩擊穿影響雪崩電壓大小因素：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)電壓與輕摻雜一邊摻雜濃度有關(guān)，濃度大則電壓低。緩變結(jié)擊穿電壓高低則與濃度梯度的大小有關(guān)，梯度大則電壓低，反之已然。隧道擊穿隧道擊穿：對(duì)于PN結(jié)兩邊摻雜都較高的情況下，空間電荷區(qū)比較窄，電場(chǎng)

10、強(qiáng)度極大，使得電子和空穴的能量極高，快速穿越PN結(jié)，造成擊穿。隧道擊穿從能帶角度講：P區(qū)的價(jià)帶可高于N區(qū)的導(dǎo)帶，這時(shí)P區(qū)價(jià)帶電子就可穿越空間電荷區(qū)的隧道，直接進(jìn)入N區(qū)導(dǎo)帶，形成擊穿。一般而言，擊穿電壓在7伏以下者是隧道擊穿，反之是雪崩擊穿。隧道擊穿能帶圖金屬半導(dǎo)體接觸固體的功函數(shù)固體的功函數(shù)逸出功：固體的處于費(fèi)米能級(jí)高度的電子跑到自由空間需要的能量。金屬半導(dǎo)體接觸：金半接觸的整流特性（SBD結(jié)構(gòu)肖特基二極管）低摻雜的N型半導(dǎo)體與金屬接觸，當(dāng)金屬的逸出功較大時(shí)，就會(huì)形成肖特基勢(shì)壘，出現(xiàn)整流特性。歐姆接觸定義：歐姆接觸的概念:線性和對(duì)稱的伏安特性,接觸電阻小于材料體電阻. 獲得方式：低勢(shì)壘接觸:P

11、型硅與金屬的接觸高復(fù)合接觸：大量的缺陷能級(jí)提供反向時(shí)的載流子高摻雜接觸：空間電荷區(qū)極薄，電子可通過隧道效應(yīng)穿過去肖特基二極管與普通二極管的比較：1.正向壓降較低：多子電流大，故飽和電流大。2.開關(guān)速度較快：空間電荷區(qū)沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。肖特基二極管結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的磁電效應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象：在半導(dǎo)體晶體上，在x方向加以電場(chǎng)，流過一個(gè)電流，在z方向施加一個(gè)磁場(chǎng)，則在y方向?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓，稱為霍爾電壓。原理：是物理學(xué)中洛侖茲力引起的載流子定向運(yùn)動(dòng)。有關(guān)公式霍爾系數(shù)RH霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體工藝中的應(yīng)用：1.可以測(cè)量載流子濃度。2.可判斷硅片的導(dǎo)電類型。3.可測(cè)量載流子的遷移率?；魻栯妷簻y(cè)試示意通過測(cè)

12、出霍爾系數(shù)和電導(dǎo)，可求出載流子遷移率推導(dǎo)過程從略晶體管的直流特性晶體管的基本結(jié)構(gòu)一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào): 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極二 BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管） 三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?022/8/22若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、 VBB保證UCB=UCE - UBE 0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)載流子在晶體管內(nèi)的傳播 （

13、1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴(kuò)散電流IEN 。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。 （2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。1BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程晶體管的輸入特性曲線 BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）(1) 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。（3）uCE 1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)， 集電結(jié)已進(jìn)入

14、反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少， 在同一uBE 電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅 0.5V鍺 0.1V導(dǎo)通壓降硅 0.7V鍺 0.3V輸出特性曲線 (2)輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const 現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。 （1）當(dāng)uCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 當(dāng)uCE 1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以u(píng)CE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。 輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uC

15、E0.7 V。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū) 曲線基本平行等 距。 此時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電 結(jié)反偏。 該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū) BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)： iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)： 2.極間反向電流 （2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO 基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流 。其大小與溫度有關(guān)。 （1）集電極基極間

16、反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管：I CBO為微安數(shù)量級(jí)， 硅管：I CBO為納安數(shù)量級(jí)。+ICBOecbICEO 3.極限參數(shù) Ic增加時(shí)， 要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM （3）反向擊穿電壓 BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向

17、電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。 在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管的基極電阻rb、輸入正向壓降VBES、飽和壓降VCES 晶體管的基極電阻rb、輸入正向壓降VBES (VBEF)、飽和壓降VCes晶體管的頻率特性晶體管的電容 PN結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。 (1

18、) 勢(shì)壘電容CB(2) 擴(kuò)散電容CD 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）晶體管的交流特性晶體管交流電流放大系數(shù)晶體管頻率特性參數(shù)發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間集電結(jié)電容充電時(shí)間集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時(shí)間截止頻率的計(jì)算晶體管功率特性 極限參數(shù) Ic增加時(shí)， 要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗: PC= ICUCE 極限參數(shù) Ic增加時(shí)， 要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的7

19、0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM 反向擊穿電壓 BJT有兩個(gè)PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種： U（BR）EBO集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏十幾伏。 U（BR）CBO發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏幾百伏。 U（BR）CEO基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。 在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU晶體管安全工作區(qū)晶體管開關(guān)特性晶體管的開關(guān)作用晶體管開關(guān)過程晶體管開關(guān)時(shí)間參數(shù)發(fā)射極電容充電時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間集電極耗盡層渡越時(shí)間集電極電容充電時(shí)間場(chǎng)效應(yīng)管MOS管結(jié)構(gòu)1.N溝道增強(qiáng)型MOS管 （1）結(jié)構(gòu) 4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和 襯底B。MOS管工作原理（