《微电子学概论》-半导体物理学-半导体及其基本特性15031.pptx

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1、半导体物理学1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学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:半导体概要微电子学研究领域半导体器件物理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、生物芯片半导体概要固体材料分成：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

2、性1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学半导体的纯度和结构 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注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的晶体结构 三维立方单胞 简立方、体心立方、面立方金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构半 导 体 有:元 素 半 导 体 如Si、Ge 金刚石晶体结构半 导 体 有:化 合

3、物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型原子的能级 电子壳层 不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化运动+14 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SiHSi原子的能级原子的能级的分裂 孤立原子的能级 4个原子能级的分裂 原子的能级的分裂 原子能级分裂为能带 Si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 导 带 带价 价 带 带E Eg g自由电子的运动 微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的运动 薛定谔方

4、程及其解的形式 布洛赫波函数固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图半导体、绝缘体和导体半导体的能带 本征激发 半导体中E（K）与K的关系令 代入上式得自由电子的能量 微观粒子具有波粒二象性 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可表示为波包的群速度 自由电子的速度 微观粒子具有波粒二象性 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半导体中电子的加速度令 即有效质量的意义 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

5、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）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）1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学与理想情况的偏离 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）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

6、子/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。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。间隙式杂质、替位式杂质 单位体积

7、中的杂质原子数称为杂质浓度施主：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 N型半导体As半导体的掺杂施主能级受主：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，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂受主能级半导体的掺杂、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。半导体中同时存在施主和受主

8、杂质，且。N型半导体 N型半导体 半导体中同时存在施主和受主杂质，且。P型半导体 P型半导体杂质的补偿作用 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（）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点缺陷 替位原子（化合物半导体）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。位错施主情况 受主

9、情况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本征载流子浓度（既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志半导体）1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学载流子输运 半导体中载流子的输运有三种形式：漂移 扩散 产生和复合欧姆定律 金属导体外加电压，电流强度为 电流密度为欧姆定律 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

10、称为漂移速度）电流密度 漂移速度 漂移速度 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起 净速度为零，并且净电流为零 平均自由时间为热运动 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

11、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。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 N 型半导体 P 型半导体 本征半导体电阻率电阻率与掺杂的关系 N型半导体 P型半导体电阻率与温度的关系 本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降 杂质半导体（区别于金属）1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理

12、学平衡载流子 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（只受温度T 影响）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，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入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过剩载流子和电中性平衡时 过剩载流子电中性：小注入条件小注入条件：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N型材料P型材料非平衡载流子寿命 假定光照产生 和，如果光突然关闭，和 将随时间逐

13、渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命，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率 非平衡载流子的复合率复合n型材料中的空穴当 时，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学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，了解它的工作原理有助于更好地理解器件 典型制造过程合金法扩散法PN结杂质分布 下面两种分布在实际器件

14、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结理想二极管方程 PN 结正偏时理想二极管方程 PN 结反偏时定量方程 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:图6.4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

15、(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 xn0 xX空穴电流 一般解电子电流 P型侧PN结电流PN结电流与温度的关系与理想情况的偏差 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/kTLog(I)VAVAVbi时的大电流现象-1 大注入

16、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。pnnnoVAVbi时的大电流现象-2VAVbi时的大电流现象-3VA越大,电流上升变缓反向击穿 电流急剧增加 可逆雪崩倍增齐纳过程 不可逆热击穿雪崩倍增齐纳过程 产生了隧穿效应E隧道穿透几率P：隧道长度:隧道击穿:VB6Eg/qPN结二极管的等效电路 小信号加到PN结上+-vaVA+-P NRsGC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VA1/C2V

17、bi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1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学金属和半导体的接触 金属和半导体的功函数金属和半导体的接触 金属和半导体的接触整流理论 金属和N型半导体的接触扩散理论 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。扩散理论适用于厚阻挡肖特基

18、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

19、成金属n+n或金属p+p结构，从而得到理想的欧姆接触1 半导体中的电子状态2 半导体中杂质和缺陷能级3 半导体中载流子的统计分布4 半导体的导电性5 非平衡载流子6 pn结7 金属和半导体的接触8 半导体表面与MIS结构半导体物理学MIS结构能带图能带图-1 无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲MIS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 积累耗尽耗尽-1（边界条件）反型反型-1 耗尽层电荷:外加偏置Qsss=0,Qs=0,=0,flat bands 0,accumulations 0,Qs0,Qs2 F,Strong inversionMIS结构的基本公式MOS结构的基本公式-11 总电势差:平带Flat Band VoltageMIS电容MIS电容 电容的定义:MIS电容-2 积累态:耗尽态:MIS电容-3 反型实验结果深耗尽 从耗尽扫描到反型时,需要少子谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH