微电子学概论半导体物理学半导体及其基本特性.pptx

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1、1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第1页/共139页固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体（主要是半导体研究在固体（主要是半导体材料上构成材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科微电子学简介微电子学简介:半导体概要第2页/共139页微

2、电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域：光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体概要第3页/共139页固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性第4页/共139页第5页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子

3、状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第6页/共139页半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构纯度纯度极高，杂质1013cm-3结构结构第7页/共139页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的最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的第8页/共139页

4、晶体结构三维立方单胞 简立方、简立方、体心立方、体心立方、面立方面立方第9页/共139页金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构第10页/共139页半 导 体 有:元 素 半 导 体 如Si、Ge 金刚石晶体结构金刚石晶体结构第11页/共139页半 导 体 有:化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型第12页/共139页原子的能级电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d

5、；共有化运动第13页/共139页+14电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiHSi原子的能级第14页/共139页原子的能级的分裂孤立原子的能级 4个原子能级的分裂 第15页/共139页原子的能级的分裂原子能级分裂为能带 第16页/共139页Si的能带（价带、导带和带隙第17页/共139页价带：价带：0K0K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带：导带：0K0K条件下未被电子填充的能量的能带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带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半

6、导体的能带结构导导 带带价价 带带E Eg g第18页/共139页自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性 第19页/共139页半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数布洛赫波函数第20页/共139页固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图第21页/共139页半导体、绝缘体和导体第22页/共139页半导体的能带本征激发 第23页/共139页半导体中E（K）与K的关系令令 代入上式得代入上式得第24页/共139页自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性 第25页/共139页半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表

7、示为波包的群速度 第26页/共139页自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性 第27页/共139页半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化第28页/共139页半导体中电子的加速度令令 即即第29页/共139页有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）第30页/共139页空穴只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）第31页

8、/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第32页/共139页与理想情况的偏离晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）第33页/共139页与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。1个B原子/

9、个Si原子 在室温下电导率提高 倍Si单晶位错密度要求低于第34页/共139页与理想情况的偏离的原因理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。第35页/共139页间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。

10、第36页/共139页间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度第37页/共139页施主施主：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，：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。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体As半导体的掺杂施主能级施主能级第38页/共139页受主受主：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，：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，并成为带负电的离子。如并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导体的掺杂受主

11、能级受主能级第39页/共139页半导体的掺杂、族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。第40页/共139页半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。N型半导体型半导体N型半导体型半导体第41页/共139页半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。P型半导体型半导体P型半导体型半导体第42页/共139页杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂

12、质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（）第43页/共139页点缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用第44页/共139页点缺陷替位原子（化合物半导体）第45页/共139页位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。第46页/共139页位错施主情况施主情况 受主情况受主情况第47页/共139页本征半导体载流子浓度本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体第4

13、8页/共139页本征载流子浓度（既适用于本征半导体，也（既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志半导体）适用于非简并的杂志半导体）第49页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第50页/共139页载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合第51页/共139页欧姆定律金属导体外加电压 ，电流强度为电流密度为

14、第52页/共139页欧姆定律均匀导体外加电压 ，电场强度为电流密度为欧姆定律的微分形式第53页/共139页漂移电流漂移运动当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）电流密度 第54页/共139页漂移速度漂移速度 第55页/共139页半导体的电导率和迁移率半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和 当电场强度不大时，满足 ，故可得半导体中电导率为第56页/共139页半导体的电导率和迁移率N型半导体P型半导体本征半导体第57页/共139页热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引

15、起净速度为零，并且净电流为零平均自由时间为第58页/共139页热运动当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的第59页/共139页散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场 使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。第60页/共139页电离杂质的散射杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数电离施主散射电离受主散射第61页/共139页N型半导体P型半导体本

16、征半导体电阻率第62页/共139页电阻率与掺杂的关系N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体第63页/共139页电阻率与温度的关系本征半导体本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体杂质半导体（区别于金属）（区别于金属）第64页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学

17、第65页/共139页平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度T影响）第66页/共139页由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的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，也称为非平衡载流子子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入第67页/共139页平衡载流子满足费米狄拉克统计分布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

18、米狄拉克统计分布且公式且公式不成立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第68页/共139页过剩载流子和电中性平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性：电中性：第69页/共139页小注入条件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料型材料P型材料型材料第70页/共139页非平衡载流子寿命假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关闭，如果光突然关闭，和和 将随时间逐渐衰减直至将随时间逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常，衰减的时间常数

19、称为寿命数称为寿命 ，也常称为少数载流子寿命也常称为少数载流子寿命 单位时间内非平衡载流子的复合概单位时间内非平衡载流子的复合概率率 非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率第71页/共139页复合n型材料中的空穴型材料中的空穴当当 时，时，故寿命标志着非平衡载，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的流子浓度减小到原值的1/e1/e所经历的时间；寿命越短，衰所经历的时间；寿命越短，衰减越快减越快第72页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非

20、平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第73页/共139页PN结杂质分布PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间型区之间的边界的边界PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件原理有助于更好地理解器件典型制造过程典型制造过程合金法合金法扩散法扩散法第74页/共139页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 突变结突变结:线性缓变结线性缓变结:浅结、重掺杂（浅结、重掺杂（3um）或

21、外延的或外延的PN结结第75页/共139页理想二极管方程PN结正偏时第76页/共139页理想二极管方程PN结反偏时第77页/共139页定量方程基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在流子在PNPN结中一维流动。结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间不考虑空间电荷区的产生电荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外

22、加电压全部降型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。落在过渡区上。第78页/共139页准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:图6.4欧姆接触边界耗尽层边界第79页/共139页边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)第80页/共139页耗尽层边界P型一侧PN第81页/共139页耗尽层边界(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第82页/共139页准中性区载流子浓度第83页/共139页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)第84页/共139页理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xp

23、 xn0 xX第85页/共139页空穴电流一般解第86页/共139页电子电流P型侧第87页/共139页PN结电流第88页/共139页PN结电流与温度的关系第89页/共139页与理想情况的偏差大注入效应空间电荷区的复合第90页/共139页空间电荷区的产生与复合正向有复合电流正向有复合电流反向有产生电流反向有产生电流第91页/共139页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愈是起支配作用第92页/共139页VAVbi时的大电流现象串联电阻效应q/kTLog(I)VA第93页/共139页VAVbi时的大电流现象-1大注入效应大大注注入入是是指指正正偏偏工工作

24、作时时注注入入载载流流子子密密度度等等于于或或高高于于平平衡衡态态多多子子密密度度的的工工作作状状态。态。p pn nnnnono第94页/共139页VAVbi时的大电流现象-2第95页/共139页VAVbi时的大电流现象-3VA越大越大,电流上升变缓电流上升变缓第96页/共139页反向击穿电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿第97页/共139页雪崩倍增第98页/共139页齐纳过程产生了隧穿效应E隧道穿透几率隧道穿透几率P P：隧道长度隧道长度:隧道击穿隧道击穿:VB6Eg/q第99页/共139页PN结二极管的等效电路小信号加到PN结上+-vaVA+-PNRsGC第100页/共139页

25、反向偏置结电容也称势垒电容或过渡区电容第101页/共139页反向偏置结电容-1第102页/共139页反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量第103页/共139页参数提取和杂质分布CV测量系统VA1/C2Vbi第104页/共139页扩散电容第105页/共139页扩散电容-1表现为电容形式第106页/共139页扩散电容-2扩散电容与正向电流成正比第107页/共139页练习1、为什么pn结在反偏压下有一小的饱和电流2、试分别描述势垒电容和扩散电容的由来第108页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能

26、级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第109页/共139页金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和半导体的功函数第110页/共139页金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和半导体的接触第111页/共139页整流理论整流理论金属和N型半导体的接触第112页/共139页扩散理论扩散理论对于N型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大地多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。扩

27、散理论适用于厚阻挡第113页/共139页肖特基势垒二极管与二极管的比较肖特基势垒二极管与二极管的比较相同点单向导电性不同点正向导通时，pn结正向电流由少数载流子的扩散运动形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前者具有更好的高频特性肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧肖特基势垒二极管具有较低的导通电压，一般为0.3V，pn结一般为0.7V第114页/共139页欧姆接触欧姆接触欧姆接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触若 ，金属和n型半导体接触可形成反阻挡层；时，金属和p型半导体接触也

28、能形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用，可实现欧姆接触实际生产中利用隧道效应的原理，把半导体一侧重掺杂形成金属n+n或金属p+p结构，从而得到理想的欧姆接触第115页/共139页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第116页/共139页MIS结构结构第117页/共139页能带图第118页/共139页能带图-1无偏压时无偏压时MOSMO

29、S结构中由结构中由于功函数差引起的表面于功函数差引起的表面能带弯曲能带弯曲第119页/共139页第120页/共139页MIS结构结构理想情况金属与半导体间功函数差为零绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态第121页/共139页积累第122页/共139页耗尽第123页/共139页耗尽-1（边界条件）（边界条件）第124页/共139页 反型第125页/共139页反型-1耗尽层电荷:第126页/共139页外加偏置第127页/共139页Qsss=0,Qs=0,=0,flat bands 0,accumulations 0,Qs0,Qs2 F,Strong inversion第128页/共139页MIS结构的基本公式第129页/共139页MOS结构的基本公式-11总电势差总电势差:第130页/共139页平带第131页/共139页Flat Band Voltage第132页/共139页MIS电容第133页/共139页MIS电容电容的定义:第134页/共139页MIS电容-2积累态:耗尽态:第135页/共139页MIS电容-3反型第136页/共139页实验结果第137页/共139页深耗尽从耗尽扫描到反型时,需要少子第138页/共139页感谢您的观看！第139页/共139页