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1、半导体器件原理,秦明东南大学MEMS教育部重点实验室Tel:025-83792632 ext.8809Email:,半导体器件原理,教材:半导体器件基础，Robert F. Pierret著，黄如等译，电子工业出版社参考书：半导体器件物理, 刘树林等编著,电子工业出版社微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理，电子工业出版社，曹培栋编著,半导体器件,半导体物理基础pn结BJTMOSFETJFET/MESFET简介,固态电子学分支之一,微电子学,光电子学,研究在固体（主要是半导体材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科,微电子学简介:,半导体物理基础,微电子学研究领域,半导体器件物理
2、集成电路工艺集成电路设计和测试,微电子学发展的特点,向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物芯片,半导体物理基础,固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体,什么是半导体？,半导体及其基本特性,半导体材料的纯度和晶体结构,纯度极高，杂质1013cm-3结构,晶体结构,单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元三维立方单胞 简立方、 体心立方、 面立方,半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS,原子结合形式：共价键形成的晶体结构： 构成一个正四面体，具有
3、 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,密勒(Miller)指数,(111)晶面,原子面密度比(100)晶面稍高:7.8 x 1014 atoms / cm2,半导体中的缺陷,点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错,+14,半导体的能带与杂质能级,电子的能级是量子化的,n=3四个电子,n=28个电子,n=12个电子,Si,H,半导体模型,价键模型,空穴,电子,半导体的能带 （价带、导带和带隙,价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,电子：带负电的导电载流子，
4、是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,电子浓度,空穴浓度,其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级,半导体中的载流子,半导体、绝缘体和导体,载流子的特性,电荷有效质量An electron moves with a certain characteristic mass (from F=ma) in vacuumIn a solid, F=ma changes, so we can model this change via an “effective” mass,有效质量,
5、在一个电场中，电子和空穴的加速度为：,施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As 受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带正电的离子。如Si中的B,N型半导体 P型半导体,半导体的掺杂,施主和受主的相互补偿,施主能级 受主能级,态密度,根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态密度为：,费米分布函数,在热平衡条件下，能量为E的有效状态被电子占据的几率为,平衡载流子分布,简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示：,平衡载流子浓度,导带中的电子浓度：价带中的空穴浓度：,平衡载流子浓度,如果Ev+
6、3kT=EF=Ec-3kT,n和p的其他变换公式,本征半导体时，,本征载流子浓度,本征费米能级,本征载流子,杂质半导体的载流子浓度,对掺杂半导体，,举例,掺杂半导体,电中性条件：,特殊情况,举例,掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？,载流子浓度与温度的关系,非平衡载流子的产生与复合,半导体中载流子的输运有三种形式：扩散漂移产生和复合,热运动,晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为,热能和热速度,电子或空穴的平均动能,漂移电流,电流密度,迁移率,单位电场下的平均漂移速度为迁移率,影响迁移率的因素,与散射有关晶格散射电离杂质散射,漂移电流与电导
7、率,电导率电阻率,电阻率与掺杂的关系,N型半导体P型半导体,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,热探针测量原理,可以用来分辩硅片的导电类型,p-Si,n-Si,A,热探针,冷探针,电子扩散,空穴扩散,扩散电流,半导体内总电流,扩散+漂移,能带弯曲,当材料中存在电场时，能带能量变成位置的函数,场强势能,扩散系数和迁移率的关系,考虑非均匀半导体,爱因斯坦关系,在平衡态时，净电流为0,产生和复合,产生电子和空穴（载流子）被创建的过程复合电子和空穴（载流子）消失的过程产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流,复合,直接复合 间接复合 Auger复合,产生,直接产生 R-G中心产生 载流子产生
8、与碰撞电离,过剩载流子和电中性,平衡时 过剩载流子,电中性：,由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子,平衡载流子满足费米狄拉克统计分布,过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布,且公式,不成立,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程,过剩载流子,复合寿命,假定光照产生 和 ，如果光突然关闭， 和 将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命,复合,半导体器件,半导体物理基础PN结BJTMOSFETJFET/MESFET简介,PN结杂质分布,PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解
9、它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程,PN结杂质分布,下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析,突变结: 线性缓变结:浅结、重掺杂（3um） 或外延的PN结,PN结中的能带,PN,内建电势,内建电势,PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度,能带内建电势电场,Poisson方程,电荷和电势分布满足Poisson方程在中性区:,耗尽近似,耗尽层模型,在耗尽区P型一侧,N型一侧,突变结耗尽区的电场与电势分布,耗尽近似,Possion方程：,电场分布,积分一次：,(x),-xp,xn,电势分布,由微分方程：边界条件：设在-xp处V=0 xn处V=Vbi再积
10、分一次：,电势分布,N型侧，X=0处，有,耗尽层宽度,电场随x线性变化，在x=0时达最大值：,耗尽层宽度,VA0条件下的突变结,外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VA上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA,反偏PN结,反偏电压能改变耗尽区宽度吗？,线性缓变结,线性缓变结-1,令V(-W/2)=0, 进一步解出最大电场空间电荷区宽度,理想二极管方程,PN结反偏时,理想二极管方程,PN结正偏时,准费米能级,定量方程,基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于少于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流
11、子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电荷区的产生复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。,准中性区的载流子运动情况,稳态时, 假设GL=0边界条件:欧姆接触边界耗尽层边界,边界条件,欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律),耗尽层边界,P型一侧,P,N,耗尽层边界(续),N型一侧,耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关,准中性区载流子浓度,理想二极管方程,求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp),理想二极管方程(1),新的坐标:边界条件:,-xp xn,0,x,X,空穴电流,一般
12、解,电子电流,P型侧,PN结电流,PN结电流与温度的关系,载流子电流,准中性区多子电流,与理想情况的偏差,大注入效应空间电荷区的复合,空间电荷区的产生与复合,正向有复合电流反向有产生电流,空间电荷区的产生与复合-1,反向偏置时,正向偏置时, 计算比较复杂,VA愈低，IR-G愈是起支配作用,VAVbi时的大电流现象,串联电阻效应,q/kT,Log(I),VA,VAVbi时的大电流现象-1,大注入效应,大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。pnnno,VAVbi时的大电流现象-2,VAVbi时的大电流现象-3,VA越大, 电流上升变缓,PN结的击穿特性,电流急剧增加
13、可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿,雪崩倍增击穿,一个载流子的产生,雪崩击穿条件,雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系,耗尽层中达到临界电场时,将发生击穿,雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系,P+,N,N+,E(x),X,扩散结结深对击穿电压的影响,结的形状平面结柱面结球面结改善措施深结扩散磨角法形成台面结分压环表面状态对击穿电压的影响,雪崩击穿通用公式,单边突变结：线性缓变结： 硅：扩散结的雪崩击穿电压判断条件：考虑边缘效应的通用公式：,齐纳过程,产生了隧穿效应,E,隧道穿透几率P：,隧道长度:,隧道击穿: VB6Eg/q,两种击穿的区别,掺杂浓度的影响外因如光照、离子轰击引起空间电荷区的电子、空穴
14、增加，产生倍增效应温度的影响隧道效应具有负温度系数雪崩击穿具有正温度系数,PN结二极管的等效电路,小信号加到PN结上,+ -,va,VA,+ -,P,N,Rs,G,C,反向偏置结电容,也称势垒电容或过渡区电容,反向偏置结电容-1,反向偏置结电容-2,耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量,参数提取和杂质分布,CV测量系统,VA,1/C2,Vbi,扩散电容,扩散电容-1,表现为电容形式,扩散电容-2,扩散电容与正向电流成正比,小信号特性,器件处理连续波时所表现 出来的性能。工作频率低，不考虑电容效应时，,小信号特性-1,级数展开,小信号等效电路,一维连续性方程：,Pn表示为稳态值与交变分量之和
15、,得到：id1与va1之间满足线性变化关系,PN结的开关特性,理想开关电路,RF,RR,VF,VR,vA(t),i(t),-0.1IR,-IR,IF,ts trr,i(t),t,vA(t),t,瞬态关断特性-2,载流子的消失有一定时间:复合漂移,存储延迟时间,考虑p+n突变结,电流连续性方程：,存储延迟时间-1,从0+到ts积分:,存储延迟时间-2,少子寿命的测量记录器件的瞬态关断过程中的存储延迟时间, 然后就可用前式计算,瞬态开启特性,结电压从反偏迅速到0偏, 再正偏,i(t),IF,t,xn,Pno,瞬态开启特性-1,分离变量, 积分,瞬态开启特性-2,稳态时上升过程中:,小结,瞬态关断特性在准中性区储存的少子必须消除, 需要时间, 导致PN结上电压不能突变,瞬态开启特性准中性区的少子从“欠”到“过”,需要时间, 导致PN结上电压不能突变,
