半導體器件的材料物理基礎(chǔ)

半導體器件的材料物理基礎(chǔ)第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日基本特性參數(shù)禁帶寬度Eg臨界雪崩擊穿電場強度Et介電常數(shù)ε載流子飽和速度Vs載流子遷移率μ載流子密度n(p)少數(shù)載流子壽命τ第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第一節(jié)遷移率遷移率的定義載流子遷移率與器件特性載流子遷移率的影響因素第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子遷移率的定義載流子遷移率μ:

自由載流子在單位電場作用下的平均漂移速度。弱電場下，μ為常數(shù)；強電場下，μ隨電場增加而減小第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子遷移率與器件特性載流子遷移率μ是決定半導體材料電阻率ρ大小的兩個重要參數(shù)之一。第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日電流承受能力和載流子遷移率有關(guān)雙極器件pn結(jié)二極管為例，在外加電壓U作用下，電流密度j滿足肖克萊方程第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子遷移率與擴散系數(shù)的關(guān)系

愛因斯坦關(guān)系在確定溫度下，擴散系數(shù)的大小有遷移率唯一決定第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子遷移率與器件的工作頻率

雙極晶體管頻率響應(yīng)特性最重要的限制，是少數(shù)載流子渡越基區(qū)的時間第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子遷移率大小的影響因素散射對載流子的遷移率具有重要影響

主要的散射機構(gòu)有：晶格振動散射、電離雜質(zhì)散射、載流子之間的散射等體材料中載流子散射以及表面散射第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日晶格振動的散射用電子和聲子相互作用來描述。在輕參雜時，占主導地位。載流子被晶格散射過程，可以是吸收或發(fā)射聲學聲子，也可以是吸收或發(fā)射光學聲子。第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日兩個常用的經(jīng)驗公式電子遷移率：空穴遷移率：第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日電離雜質(zhì)的散射半導體的雜質(zhì)，電離后以靜電力對運動于附近的電子和空穴產(chǎn)生散射作用。低溫重摻雜時起主要作用完全由電離雜質(zhì)散射決定載流子遷移率大小時，遷移率與溫度和電離雜質(zhì)的濃度呈下列關(guān)系第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子之間的散射載流子對載流子的散射是運動著的多個電荷環(huán)繞其公共質(zhì)心的相互散射。相同極性載流子散射對遷移率沒有影響或很小。相反極性的載流子之間的散射可以使雙方動量的弛豫，使遷移率下降。只考慮載流子散射作用的載流子遷移率：第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日強電場作用下的載流子散射

弱電場下，μ為常數(shù)；強電場下，μ隨電場增加而減小強電場下載流子漂移速度偏離弱場規(guī)律，主要有兩種表現(xiàn)：速度飽和效應(yīng)負微分遷移率現(xiàn)象第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日遷移率與外場的關(guān)系為電子與晶格處于熱平衡時的遷移率，μ為熱電子的遷移率，u為格波傳播的速度，第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日漂移速度的表示弱電場下：Vd=uE強電場下，以聲學聲子交換能量時：更強的電場下，以光學聲子交換能量時：第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日速度飽和效應(yīng)的物理解釋：

當電場足夠強時，電子在單位時間內(nèi)能量高，和晶格進行能量交換時發(fā)射光學聲子，這樣載流子能量因發(fā)射聲子而使其漂移速度趨于飽和。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日負微分遷移效應(yīng)

由于電子的不等價能谷間轉(zhuǎn)移形成的。熱電子有主能谷躍遷到能量較高的自能谷，子能谷的遷移率較低，如果遷移電子數(shù)量較多，平均的漂移速度會降低。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日表面散射及表面遷移率表面散射：各種與表面相關(guān)聯(lián)的因素對載流子遷移率的附加影響；越靠近表面，影響越大，對電子影響大于空穴；第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)載流子密度和電阻率材料電阻率和器件特性載流子數(shù)量統(tǒng)計和來源載流子密度的決定因素禁帶窄化第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)載流子密度和電阻率由上式可知，ρ與摻雜濃度密切相關(guān)，可作為半導體純度的反映；第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日材料電阻率與器件擊穿電壓功率器件的擊穿電壓主要決定于本底材料電阻率。功率器件的擊穿是指承受反向偏壓的pn結(jié)的雪崩擊穿。第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日器件擊穿雪崩擊穿：高電壓擊穿；條件：足夠高U和適當?shù)腤K第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日器件穿通若pn結(jié)輕參雜層設(shè)計的不夠?qū)?，以至雪崩擊穿尚未發(fā)生而空間電荷區(qū)已擴展到與電極相接，則器件先于擊穿的發(fā)生而失去阻斷能力。這種現(xiàn)象稱為穿通第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子統(tǒng)計

第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日簡并半導體的載流子密度統(tǒng)計第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子來源本征載流子：是指把價帶中的一個電子激發(fā)到導帶，同時產(chǎn)生一個電子和一個空穴本征激發(fā)主要有熱激發(fā)和光激發(fā)摻雜載流子：在半導體中摻入具有恰當化合價的雜質(zhì)原子。

n型摻雜和p型摻雜；注入載流子：光注入和電注入；第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日禁帶窄化本征或輕摻雜半導體中，導帶、價帶、禁帶之間界限清晰；

重摻雜（雜質(zhì)原子百分比≥1/1000）時，會出現(xiàn)禁帶窄化效應(yīng)；雜質(zhì)原子近距減小，相互作用增強，能帶出現(xiàn)雜化，能級分裂成能帶；第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日問題討論第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日愛因斯坦關(guān)系中，擴散系數(shù)D，載流子的擴散第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子飽和速度公式

第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日電阻率與擊穿電壓的關(guān)系雪崩擊穿電壓與輕參雜的n型材料的電阻率關(guān)系其中因子m和冪指數(shù)n對不同的器件制造工藝和材料電阻率略有些變化。第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第三節(jié)少數(shù)載流子壽命載流子壽命的概念少數(shù)載流子壽命與器件特性載流子的復(fù)合及復(fù)合壽命第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日載流子壽命的概念

是半導體從載流子密度不平衡狀態(tài)恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)的弛豫過程所需時間的量度。

一般情況下額外載流子的注入和抽取對少數(shù)載流子的密度影響很大，熱平衡的恢復(fù)主要是少數(shù)載流子熱平衡的恢復(fù)，所以τ總被稱作少數(shù)載流子壽命。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命與器件特性半導體器件工作過程中，同時存在載流子漂移、擴散、復(fù)合；漂移：電場力的作用，外加或內(nèi)建電場；擴散：載流子濃度梯度；與少子壽命相關(guān)的器件特性：阻斷特性、開關(guān)特性、導通特性等；第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命與阻斷特性耗盡近似的空間電荷區(qū)是阻斷作用的主功能區(qū)，是不穩(wěn)定的非平衡態(tài)，其恢復(fù)平衡態(tài)的趨勢的強弱（用少子壽命τ衡量），影響阻斷特性；由反向擴散電流：τ越大，反向擴散電流越小，阻斷特性越好；第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命與導通特性少子壽命對導通特性的影響，主要是雙極器件；少子的電導調(diào)制使器件具有低的電阻和高的電流控制能力；由上式可知：τ越長，電導調(diào)制越強；第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命與開關(guān)特性主要是對于依靠少子輸運的雙極器件而言的；輸運載流子的結(jié)區(qū)積聚效應(yīng)；反抽作用；第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命與光電器件的特性太陽能之類的光生器件靠光生載流子輸運，故τ越長，光電特性越好；第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日少子壽命優(yōu)選開關(guān)特性要求τ小，阻斷特性、導通特性和光電池要求τ大；故應(yīng)根據(jù)器件特性，進行優(yōu)選；優(yōu)選少子壽命，主要是是指選擇合適的復(fù)合中心，即雜質(zhì)或缺陷中心的能級；第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日非平衡載流子的復(fù)合機制直接復(fù)合：直接在導帶與價帶之間的復(fù)合；間接復(fù)合：通過禁帶中的復(fù)合中心的復(fù)合；表面復(fù)合：發(fā)生在表面的復(fù)合；第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日復(fù)合過程中的能量轉(zhuǎn)移發(fā)射光子，即輻射復(fù)合；發(fā)射聲子，能量傳遞給晶格振動。多聲子復(fù)合；激發(fā)另外的電子或空穴，即俄歇復(fù)合；第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日直接復(fù)合壽命直接禁帶復(fù)合快于間接禁帶；直接禁帶型半導體材料的價帶頂空穴和導帶底電子之間無動量差，它們越過禁帶直接復(fù)合無需借助聲子保持動量平衡，所以直接復(fù)合型半導體比間接禁帶型半導體的直接復(fù)合系數(shù)B大得多第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日直接復(fù)合壽命壽命：

其中，B為直接輻射復(fù)合系數(shù)：第四十