半导体物理与器件物理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,Semiconductor Physics and Device Physics,半导体物理与器件物理,Semiconductor Physics and Device Physics,2019.4,主要教材,:,半导体物理学,，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业出版社，,2019,年,11,月第,7,版,半导体器件物理与工艺,，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译，苏州大学出版社，,2019,年,12,月第,1,版,主要参考书：,半导体物理与器件,（第三版），,Donald A.Neamen,著，电子工业出版社,现代半导体器件物理,，施敏，科学出版社，,2019,年,集成电路器件电子学,，,R.S.Muller,T.I.Kamins,M.Chan,著，王燕等译，电子工业出版社，,2019,年第,3,版,Part 1:,半导体物理学,Part 2:,半导体器件物理学,Outline,半导体中的电子状态,半导体中杂质和缺陷能级,半导体中载流子的统计分布,半导体的导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体的接触,半导体表面与,MIS,结构,Part 1:,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,半导体概要,在学科分类中，微电子学既可以属于理学（,071202,），也可以属于工学（,080903,微电子学与固体电子学）,工学（,08,）,0808,电气工程,080801,电机与电气,080802,电力系统及其自动化,080803,高电压与绝缘技术,080804,电力电子与电力传动,080805,电力理论与新技术,0809,电子科学与技术,（注：可授予工学、理学学位）,080901,物理电子学,080902,电路与系统,080903,微电子学与固体电子学,080904,电磁场与微波技术,0810,信息与通信工程,081001,通信与信息系统,081002,信号与信息处理,0811,控制科学与工程,081101,控制理论与控制工程,081102,检测技术与自动化装置,081103,系统工程,081104,模式识别与智能系统,081105,导航、制导与控制,0812,计算机科学与技术,（注：可授予工学、理学学位）,081201,计算机软件与理论,081202,计算机系统结构,081203,计算机应用技术,微电子学研究领域,半导体物理、材料、工艺,半导体器件物理,集成电路工艺,集成电路设计和测试,微系统，系统,微电子学发展的特点,向高集成度、高性能、低功耗、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：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）,什么是半导体？,半导体及其基本特性,绪论：微电子、,IC,的发展历史,早期历史发展,ENIAC,（,1946,）,Solutions,New,new,newwe got to find something new,Moores law,10 G,1 G,100 M,10 M,1 M,100 K,10 K,1 K,0.1 K,1970,1980,1990,2000,2019,存储器容量 60%/年,每三年，翻两番,1965,，,Gordon Moore,预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番,1.E+9,1.E+8,1.E+7,1.E+6,1.E+5,1.E+4,1.E+3,70,74,78,82,86,90,94,98,2019,芯片上的晶体管数目,微处理器性能 每三年翻两番,i8080:6,000,m68000:68,000,PowerPC601:2,800,000,PentiumPro:5,500,000,i4004:2,300,M6800:,4,000,i8086:28,000,i80286:134,000,m68020:190,000,i80386DX:275,000,m68030:273,000,i80486DX:1,200,000,m68040:1,170,000,Pentium:3,300,000,PowerPC604:3,600,000,PowerPC620:6,900,000,“Itanium”:15,950,000,Pentium II:7,500,000,微处理器的性能,100 G,10 G,Giga,100 M,10 M,Mega,Kilo,19701980199020002019,Peak Advertised,Performance(PAP),Moores,Law,Real Applied,Performance(RAP),41%Growth,8080,8086,80286,80386,80486,Pentium,PentiumPro,集成电路技术是近,50,年来发展最快的技术,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,等比例缩小,(Scaling-down),定律,1974;Dennard;,基本指导思想是：保持,MOS,器件内部电场不变：恒定电场规律，简称,CE,律,等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能,电源电压也要缩小相同的倍数,恒定电场定律的问题,阈值电压不可能缩的太小,源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小,电源电压标准的改变会带来很大的不便,恒定电压等比例缩小规律,(,简称,CV,律,),保持电源电压,V,ds,和阈值电压,V,th,不变，对其它参数进行等比例缩小,按,CV,律缩小后对电路性能的提高远不如,CE,律，而且采用,CV,律会使沟道内的电场大大增强,CV,律一般只适用于沟道长度大于,1,m,的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。,准恒定电场等比例缩小规则，缩写为,QCE,律,CE,律和,CV,律的折中，实际采用的最多,随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按,CV,律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例,器件尺寸将缩小,倍，而电源电压则只变为原来的,/,倍,A,、特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要影响集成度、产量和性价比）,B,、集成电路,(IC),将发展成为系统芯片,(SOC),（主要影响功能）,C,、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如,MEMS,、,DNA,芯片等（主要影响功能和新兴交叉增长点）,硅微电子技术的三个发展方向,第一个关键技术：微细加工,目前,0.25,m,、,0.18,m,、,0.13,m,、,0.11,m,、,90nm,等已相继开始进入大生产,90nm,以下到,45nm,关键技术和大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件，有的已经投产,当然仍有许多开发与研究工作要做，例如,IP,模块的开发，为,EDA,服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等,在,45nm,以下？极限在哪里？,22 nm?Intel,IBM,10nm?Atomic level?,A,、微电子器件的特征尺寸继续缩小,互连技术与器件特征尺寸的缩小,（,Solid state Technology Oct.,2019,）,第二个关键技术：互连技术,铜互连已在,0.25/0.18um,技术代中使用；但在,0.13um,后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用；在更小的特征尺寸阶段，可靠性问题还有待继续研究开发,第三个关键技术,新型器件结构,新型材料体系,高,K,介质,金属栅电极,低,K,介质,SOI,材料,传统的栅结构,重掺杂多晶硅,SiO,2,硅化物,经验关系,:,L,T,ox,X,j,1/3,栅介质的限制,随着,t,gate,的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长,超薄栅,氧化层,栅氧化层的势垒,G,S,D,直接隧穿的泄漏电流,栅氧化层厚度小于 3nm后,t,gate,大量的,晶体管,限制：,t,gate,3 to 2 nm,栅介质的限制,栅介质的限制,等效栅介质层的总厚度：,T,ox,1nm+t,栅介质层,T,ox,t,多晶硅耗尽,t,栅介质层,t,量子效应,+,+,由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度,:,t,多晶硅耗尽,0.5nm,由量子效应引起的等效厚度,:,t,量子效应,0.5nm,限制：等效栅介质层的总厚度无法小于,1nm,隧穿效应,SiO,2,的性质,栅介质层,T,ox,1,纳米,量子隧穿模型,高,K,介质,?,杂质涨落,器件沟道区中的杂,质数仅为百的量级,统计规律,新型栅结构,?,电子输运的,渡越时间,碰撞时间,介观物理的,输运理论,?,沟道长度,L50纳米,L,源,漏,栅,Tox,p,型硅,n+,n+,多晶硅,NMOSFET,栅介质层,新一代小尺寸器件问题,带间隧穿,反型层的,量子化效应,电源电压,1V,时，栅介质层中电场,约为,5MV/cm,，硅中电场约,1MV/cm,考虑量子化效应,的器件模型,?,.,可靠性,0.1,m,Sub 0.1,m,2030,年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况,诞生基于新原理的器件和电路,SOC,System On A Chip,B,、,集成电路走向系统芯片,IC,的速度很高、功耗很小，但由于,PCB,板中的连线延时、噪声、可靠,性以及重量等因素的限制，已无法,满足性能日益提高的整机系统的要求,IC,设计与制造技术水平的提高，,IC,规模越来越大，已可以在一个,芯片上集成,10,8,10,9,个晶体管,分立元件,集成电路,I C,系 统 芯 片,System On A Chip,(,简称,SOC),将整个系统集成在,一个,微电子芯片上,在需求牵引和技术,推动的双重作用下,系统芯片,(SOC),与集成,电路,(IC),的设计思想是,不同的，它是微电子技,术领域的一场革命。,集成电路走向系统芯片,六十年代的集成电路设计,微米级工艺,基于晶体管级互连,主流,CAD,：图形编辑,Vdd,A,B,Out,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB,集成,工艺无关,系统,亚微米级工艺,依赖工艺,基于标准单元互连,主流,CAD:,门阵列,标准单元,集成电路芯片,世纪之交的系统设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,深亚微米、超深亚,微米级工艺,基于,IP,复用,主流,CAD,：软硬件协,同设计,MEMORY,Cache/SRAM,or even DRAM,Processor,Core,DSP,Processor,Core,Graphics,MPEG,VRAM,Motion,Encryption/,Decryption,SCSI,EISA Interface,Glue,Glue,PCI Interface,I/O Interface,LAN Interface,SOC,是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能,SOC,必须采用从系统行为级开始自顶向下,(Top-Down),地设计,SOC,的优势,嵌入式模拟电路的,Core,可以抑制噪声问题,嵌入式,CPU Core,可以使设计者有更大的自由度,降低功耗，不需要大量的输出缓冲器,使,DRAM,和,CPU,之间的速度接近,集成电路走向系统芯片,SOC,与,IC,组成的系统相比，由于,SOC,能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标,采用界面综合,(Interface Synthesis),技术和,0.35,m,工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用,0.25 0.18,m,工艺制作的,IC,所实现的同样系统的性能,与采用常规,IC,方法设计的芯片相比，采用,SOC,完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低,集成电路走向系统芯片,21,世纪的微电子,将是,SOC,的时代,SOC,的三大支持技术,软硬件协同设计：,Co-Design,IP,技术,界面综合,(Interface Synthesis),技术,集成电路走向系统芯片,1),软硬件,Co-Design,面向各种系统的功能划分理论,(Function Partition Theory),计算机,通讯,压缩解压缩,加密与解密,2)IP,技术,软,IP,核：,Soft IP(,行为描述,),固,IP,核：,Firm IP(,门级描述，网单,),硬IP核：Hard IP(版图),通用模块,CMOS DRAM,数模混合：,D/A,、,A/D,深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上，对速度、功耗、可靠性等进行优化设计,最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差,Yesterdays chips are todays reusable IP blocks,，,and can be combined with other functions,，,like Video,，,Audio,，,Analog,，,and I/O,，,to formulate what we now know as system on chip,（,SoC,）。,半导体产业的发展,Chipless,设计 与 制作 的分工,Fabless Foundry,系统设计师介入,IC,设计,IP,设计 与,SoC,的分工,Chipless,IP,的特点,复用率高 易于嵌入,实现优化,芯片面积最小 运行速度最高,功率消耗最低 工艺容差最大,3,）,Interface Synthesis,IP+Glue Logic(胶连逻辑),面向IP综合的算法及其实现技术,SoC,设计示意,IP 2,IP 3,IP 1,Glue logic,Glue logic,Glue logic,C,、,MEMS,技术和,DNA,芯片,微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点,MEMS(,微机电系统,),：微电子技术与机械、光学等领域结合,DNA,生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合,1,）,MEMS:,目前的,MEMS,与,IC,初期情况相似,集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,集成电路技术的进步，加快了计算机更新换代的速度，对中央处理器（,CPU,）和随机存贮器（,RAM,）的需求越来越大，反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命,现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限，还没有出现类似的,CPU,和,RAM,这样量大而广的产品,MEMS,器件及应用,汽车工业,安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺,武器装备,制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化,生物医学,疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器,信息和通讯,光开关、波分复用器、集成化,RF,组件、打印喷头,娱乐消费类,游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具,大机器加工小机器，小机器加工微机器,微机械,用微电子加工技术,X,光铸模,+,压塑技术,(LIGA),从顶层向下,从底层向上,分子和原子级加工,国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。,2000,年有,120-140,亿美元市场,相关市场达,1000,亿美元,市场将迅速成长,MEMS,微系统,MEMS,系统,从广义上讲，,MEMS,是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微型机电系统,MEMS,技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,MEMS,在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景,微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统,(ABS),、稳定控制和玩具,MEMS,技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期,微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护,MEMS,系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等,已经制造出尖端直径为,5,m,的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等,2,）,DNA,芯片,微电子与生物技术紧密结合的以,DNA(,脱氧核糖核酸,),芯片等为代表的生物工程芯片将是,21,世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点,它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物,具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是,DNA,芯片,采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达,10,万种,DNA,基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用,Stanford,和,Affymetrix,公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了,DNA,芯片，包括,6000,余种,DNA,基因片段,一般意义上的系统集成芯片,广义上的系统集成芯片,电、光、声、热、磁力等外界信号的采集,各种传感器,执行器、显示器等,信息输入与模,/,数传输,信息处理,信息输出与数,/,模转换,信息存储,广义上的系统集成芯片,张海霞“微纳大世界”演讲视频,半导体中的电子状态,半导体中杂质和缺陷能级,半导体中载流子的统计分布,半导体的导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体的接触,半导体表面与,MIS,结构,Part 1:,半导体物理学,半导体的纯度和结构,纯度,极高，杂质,热运动,(,某,T,下达到热平衡）,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,0,，净电流为,0,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散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。,主要散射机制：电离杂质，晶格,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,P,i,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,晶格振动的散射,格波,形成原子振动的基本波动,格波波矢,对应于某一,q,值的格波数目不定，一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数,Si,、,Ge,半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个,q,就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波,长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，称为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，称为非弹性散射,晶格振动的散射,声学波散射,在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波,在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化,声学波散射概率,光学波散射,在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大,Quiz,1,、载流子的热运动在半导体内会构成电流,。（）,2,、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。,3,、载流子在外电场的作用下是（）和（）两种运动的叠加，因此电流密度大小（）。,4,、什么是散射,?,自由时间 与散射几率 的关系,N,个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射的电子数为 ，则在 时间内被散射的电子数为,因此,上式的解为,则 被散射的电子数为,与 的关系,在 时间内被散射的所有电子的自由时间为 ，这些电子自由时间的总和为 ，则 个电子的平均自由时间可表示为,、与 的关系,平均漂移速度为,、与 的关系,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,与 及 的关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,与 及 的关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,影响迁移率的因素,与散射有关,晶格散射,电离杂质散射,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,电阻率,与掺杂的关系,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,杂质半导体,（区别于金属）,与,T,的关系,速度饱和,在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移速度,v,与外加电场强度,E,呈线性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非线性关系，最终平均漂移速度达到一饱和值，不随,E,变化。,n-Ge:,*,耿氏效应,耿氏效应,n-GaAs,外加电场强度超过 时，半导体内的电流以 的频率发生振荡,练习,一、判断,1,、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。（）,2,、不同的,k,值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。（）,3,、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。（）,4,、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。（）,练习,二、填空,1,、半导体材料结构可分为（）、（）、（），应用最为广泛的是（）。,2,、金刚石型单胞的基础结构为（），金刚石型为（）对称性，闪锌矿型结构为（）对称性，纤锌矿型为（）对称性。,3,、导带和价带间间隙称为（），,Si,的禁带宽度为（），,Ge,为（），,GaAs,为（）。,4,、固体按其导电性可分为（）、（）、（）。,练习,5,、杂质总共可分为两大类（）和（），施主杂质为（），受主杂质为（）。,6,、施主杂质向（）带提供（）成为（）电中心；受主杂质向（）带提供（）成为（）电中心。,7,、,热平衡时，能级,E,处的空穴浓度为（）。,8,、,在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。,练习,三、简答,1,、单胞的概念及两大注意点？,2,、三种立方单胞的名称？,3,、引入有效质量的原因及意义？,4,、的物理含义？,5,、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？,6,、在外加电场,E,作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。,7,、在室温下，热平衡时，,Si,半导体中 ，,，求半导体中的电子和空穴浓度。,半导体中的电子状态,半导体中杂质和缺陷能级,半导体中载流子的统计分布,半导体的导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体的接触,半导体表面与,MIS,结构,Part 1:,半导体物理学,平衡载流子,在某一平衡状态下的载流子称为平衡载流子,本征或非简并半导体处于热平衡状态的判据式,（只受温度,T,影响）,Recall,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）,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,电中性要求：,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,小注入条件,例：室温下一受到微扰的掺杂硅，,判断其是否满足小注入条件？,解：,满足小注入条件！（）,注：（,1,）即使在小注入的情况下，,非平衡少数载流子浓度,还是可以比,平衡少数载流子浓度,大的多,（,2,）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子,(,非平衡多子一般远小于平衡多子浓度，所以一般不起作用）,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,p,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,费米能级,热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级,统一的费米能级是热平衡状态的标志,准费米能级,当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过热跃迁实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少,导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“准费米能级”,准费米能级,注：非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。,在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大,准费米能级,注：两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度,产生和复合,产生,载流子（电子和空穴）被创建的过程,产生率（,G,）：单位时间单位体积内所产生的电子空穴对数,复合,载流子（电子和空穴）消失的过程,复合率（,R,）：单位时间单位体积内复合掉的电子空穴对数,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,（禁带宽度小的半导体材料）,（窄禁带半导体及高温情况下）,（具有深能级杂质的半导体材料）,产生,直接产生,R-G,中心产生 载流子产生,与碰撞电离,Quiz,1,、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。（）,2,、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（）所经历的时间。,3,、简述小注入条件,4,、处于非平衡态的,p,型半导体中，和 哪个距 近？为什么？,陷阱效应,当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定的陷阱效应,所有杂质能级都具有陷阱效应,具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱；相应的杂质和缺陷称为陷阱中心,杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,扩散电流,总电流,扩散,+,漂移,扩散系数,D,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,连续性方程,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,N,a,又是多少？,(),半导体中的电子状态,半导体中杂质和缺陷能级,半导体中载流子的统计分布,半导体的导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体的接触,半导体表面与,MIS,结构,Part 1:,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,Alloyed Junctions(,合金结,),；,Diffused Junctions(,扩散结,),；,Ion Implantation(,离子注入,),；,Epitaxial Growth (,外延生长,),p-n,结基本结构,合金温度,降温再结晶,扩 散,PN,结的形成,PN,结,Flash,动画演示,.swf,PN,结,.swf,刚接触，扩散,漂移,（达到动态平衡）,扩散,=,漂移,内建电场,漂移,E,Fn,高于,E,Fp,表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,能带图,(Enery band diagram),PN,结中的能带,内建电势,V,bi,，或接触电势差,(The Contact Potential)V,D,平衡时,内建电势,内建电场,方向,内建电势,PN,结的内建电势决定于掺杂浓度,N,D,、,N,A,、材料禁带宽度以及工作温度,能带,内建电势,电场,电荷密度,空间电荷区（耗尽区）,PN,结分类：按杂质分布,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（单边突变结）,:,线性缓变结,:,浅结、重掺杂（,3um,）,或外延的,PN,结,缓变结与突变结,空间电荷区宽度,(Space charge region width),突变结,载流子分布,(,Carrier distributions),V,A,0,条件下的突变结,外加电压全部降落在耗尽区，,V,A,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,V,bi,-V,A,反偏,PN,结,反偏电压能改变耗尽区宽度吗？,理想二极管,PN,结正偏时,理想二极管,PN,结反偏时,理想二极管的定量方程,基本假设,P,型区及,N,型区掺杂均匀分布，是突变结。体内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（耗尽层）宽度远小于少子扩散长度,势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。即不考虑空间电荷区的产生,-,复合作用,(,无源或漏）。,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。,小注入,:,注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。,载流子边界浓度由结电势降决定，即由玻尔兹曼分布决定（,Fermi,分布的经典近似适用）,J-V characteristics of a ideal p-n junction,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,J,p,(x,n,),求,J,n,(-x,p,),J=J,p,(x,n,)+J,n,(-x,p,),Space charge region,Neutral region,Diffusion region,这两股电流之和就是正向偏置下流过,p-n,结的电流。,P,区空穴向,n,区扩散,空穴扩散电流,n,区电子向,P,区扩散,电子扩散电流。,根据电流连续性原理，通过,p-n,结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,考虑,-x,p,截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,准费米能级,正偏时少子分布（上）及电流的分布（下）,N,区,P,区,正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布,加正向偏置,V,后，结电压为（,V,D,-V,f,），,在,x,p,处注入的非平衡电子浓度为：,在,x,n,处注入的非平衡空穴浓度为：,同理：,-,肖克莱方程,外加电场,V,r,与内建电场方向一致,扩散,漂移,(2),反向偏置（,Reverse bias,）,V,D,增大为（,V,D,+V,r,），相应地势垒区加宽,势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。,类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度,式中，,Js,不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。,Jr,与反向电压,Vr,无关，是因为当反向电压,V,的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。,p-n,结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示,正向：,V=V,f,反向：,V=-Vr,p-n,结的伏,-,安特性,（,3,）,J-V characteristics of a p-n junction,单向导电性,-,整流,Ge,、,Si,、,GaAs,：,0.3,、,0.7,、,1V,PN,结电流,与理想情况的偏差,大注入效应,空间电荷区的产生、复合,串联电阻效应,温度的影响,PN,结电流与温度的关系,二极管伏安特性,.swf,温度影响大,单边突变结,I-V,特性由轻掺杂一边决定。,影响,p-n,结伏,-,安特性的主要因素：,产生偏差的原因：,（,1,）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。,（,2,）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。,空间电荷区的产生与复合,正向有复合电流（复合对正向电流的影响）,反向有产生电流（产生对反向电流的影响）,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,V,A,愈低，,I,R-G,愈是起支配作用,空间电荷区的复合电流,空间电荷区的产生电流,V,A,V,bi,时的大电流现象,串联电阻效应（对正向电流的影响）,q/kT,Log(I),V,A,当二极管上的电压降和,kT/q,可比拟甚至更大时，二极管上的压降将显著降低势垒伤得真实有作用的电压降，导致似乎外加电压变小了，通常显示为一个正向的“不应期”,注入,p,+,-n,结的,n,侧的空穴及其所造成的电子分布,大注入,扩散区产生内建电场,V,A,V,bi,时的大电流现象,-1,大注入效应,（对正向电流的影响）,大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡多子密度的工作状态。,p,n,n,no,V,A,V,bi,时的大电流现象,-2,V,A,V,bi,时的大电流现象,-3,V,A,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,产生击穿的机制,热效应,隧道效应,雪崩效应,在反向偏置下，当反向电压很大时，,p-n,结的反向电流突然增加，从而破坏了,p-n,结的整流特性,-p-n,结的击穿。,p-n,结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子,-,空穴对,碰撞电离。,(1),雪崩击穿,(Avalanche,breakdown,),雪崩击穿原因,PN结加大的反向偏压,载流子从电场获得能量,载流子与晶格碰撞,能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子空穴,新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴,载流子倍增,硅,PN,结发生雪崩击穿的电场强度为,10,5,10,6,V,/,cm,非破坏性可逆击穿,雪崩倍增,雪崩倍增连锁反应使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而,p-n,结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。,影响雪崩击穿电压的主要因素：,1.,掺杂浓度,:,掺杂浓度大,击穿电压小,.,2.,势垒宽度,:,势垒宽度足够宽,击穿电压小,3.,禁带宽度,:,禁带宽度越宽,击穿电压越大,.,4.,温度,:,温度升高,击穿电压增大,.,(2),齐纳,击穿,(Zener b,erakdown,),或隧道击穿,是掺杂浓度较高的非简并,p-n,结中的击穿机制,.,根据量子力学的观点,当势垒宽度,X,AB,足够窄时,将有电子穿透禁带,.,当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度,X,AB,变得更窄,.,造成很大的反向电流,.,使,p-n,结击穿,.,X,D,X,AB,反向偏压升高,P区价带顶高于 N区导带底,当势垒区宽度较小,P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带,形成电子空穴对,这种效应称“隧道效应”,一般：,隧道击穿的电压较低，如,S,i,PN,结，,V,B,6.7,V,非破坏性可逆击穿,P,+,区,N,+,区,势垒区,E,C,E,V,隧道击穿,齐纳,(,隧穿,),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,:,V,B,6E,g,/q,影响齐纳击穿电压的主要因素：,1.,掺杂浓度,:,掺杂浓度大,击穿电压小,.,2.,禁带宽度,:,禁带宽度越宽,击穿电压越大,.,3.,温度,:,温度升高,击穿电压下降,.,齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法,.,掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿,.,相反,易发生雪崩击穿,.,(3),热击穿,热损耗,局部升温,电流增加,破坏性击穿,禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿,.,p-n,结中的隧道效应：隧道二极管,当,p-n,结的两边都是重掺杂时,:(1),费米能级分别进入导带和价带,.(2),势垒十分薄,.,在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流,.,隧道电流,平衡时,加正向电压的情况,加反向电压的情况,隧道二极管的优点：,温度影响小、高频特性良好,p-n,结的光生伏特效应：太阳电池,如果用,hEg,的光照射具有,p-n,结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的