半导体物理与器件-复习大纲.ppt

中北大学梁庭2013 09半导体物理与器件绪论、第一章什么是半导体P型和N型，理论和技术半导体科学和技术的发展史半导体材料固体晶格基本知识硅的体原子密度是多少？金刚石结构、闪锌矿结构半导体中的缺陷和杂质半导体的纯度？对加工工艺环境的要求？半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质电阻率可在很宽的范围内可控调节的材料称之为半导体暗含假设：仅电特性变化，其他物、化特性几乎不变半导体的特殊性杂质第二章量子力学初步量子力学的基本原理能量量子化；波粒二相性；不确定原理薛定谔波动方程无限深势阱；隧道效应单电子原子单电子原子中的能级量子化第三章固体量子理论初步能带理论半导体理论的基石共有化运动；单电子近似；固体物理基本知识布里渊区；E-k能带图知识；固体中电的传导能带理论的初步应用满带、空带、半满带；有效质量；空穴；金属、绝缘体与半导体；能带的三维扩展直接带隙、间接带隙；状态密度函数K空间量子态密度；等能面；统计力学费米分布函数；玻尔兹曼近似条件；为第4章讨论载流子浓度打下基础；载流子浓度=（状态密度分布函数）dEE0kE0简约布里渊区允带允带允带禁带禁带第三章固体量子理论初步7当EVEkT时，则有：第四章平衡半导体半导体中的载流子热平衡载流子浓度计算方法；掺杂原子与能级非本征半导体电中性状态费米能级位置对于本征半导体，费米能级位于禁带中心（附近）费米能级的位置需保证电子和空穴浓度的相等如果电子和空穴的有效质量相同，状态密度函数关于禁带对称。对于普通的半导体（Si）来说，禁带宽度的一半，远大于kT（21kT），从而导带电子和价带空穴的分布可用波尔兹曼近似来代替fF(E)=0半导体中的载流子本征载流子浓度和温度、禁带宽度的关系禁带宽度禁带宽度E Eg g越大，本征载流子浓度越低越大，本征载流子浓度越低禁带宽度禁带宽度E Eg g越大，本征载流子浓度越低越大，本征载流子浓度越低半导体中的载流子为什么要掺杂？半导体的导电性强烈地随掺杂而变化硅中的施主杂质与受主杂质能级EcEvEdEcEvEd施主杂质电离，施主杂质电离，n n型半导体型半导体受主杂质电离，受主杂质电离，p p型半导体型半导体掺杂原子与能级m掺入施主杂质，费米能级掺入施主杂质，费米能级向上（导带）移动，导带向上（导带）移动，导带电子浓度增加，空穴浓度电子浓度增加，空穴浓度减少减少m过程：施主电子热激发跃过程：施主电子热激发跃迁到导带增加导带电子浓迁到导带增加导带电子浓度；施主电子跃迁到价带度；施主电子跃迁到价带与空穴复合，减少空穴浓与空穴复合，减少空穴浓度；施主原子改变费米能度；施主原子改变费米能级位置，导致重新分布级位置，导致重新分布非本征半导体m掺入受主杂质，费米掺入受主杂质，费米能级向下（价带）移能级向下（价带）移动，导带电子浓度减动，导带电子浓度减少，空穴浓度增加少，空穴浓度增加m过程：价带电子热激发到过程：价带电子热激发到受主能级产生空穴，增加受主能级产生空穴，增加空穴浓度；导带电子跃迁空穴浓度；导带电子跃迁到受主能级减少导带电子到受主能级减少导带电子浓度；受主原子改变费米浓度；受主原子改变费米能级位置，导致重新分布能级位置，导致重新分布EvEcEd非本征半导体m载流子浓度载流子浓度n0和和p0的公式：的公式：只要满足玻尔兹曼近似条件，该公式即可成立只要满足玻尔兹曼近似条件，该公式即可成立m只要满足玻尔兹曼近似条件，只要满足玻尔兹曼近似条件，n0p0的乘积依然为本征载的乘积依然为本征载流子浓度（和材料性质有关，掺杂无关）的平方。流子浓度（和材料性质有关，掺杂无关）的平方。（虽然在这里本征载流子很少）（虽然在这里本征载流子很少）m例例4.5直观地说明了费米能级的移动，对载流子浓度造直观地说明了费米能级的移动，对载流子浓度造成的影响：费米能级抬高了约成的影响：费米能级抬高了约0.3eV，则电子浓度变为，则电子浓度变为本征浓度的本征浓度的100000倍。倍。非本征半导体q载流子浓度载流子浓度n0、p0的另一种表达方式：的另一种表达方式：同样地：同样地：EFEFi电子浓度超电子浓度超过本征载流子浓度；过本征载流子浓度；EFEFi空穴浓度超空穴浓度超过本征载流子浓度过本征载流子浓度非本征半导体m发生简并的条件发生简并的条件大量掺杂大量掺杂温度的影响（低温简温度的影响（低温简并）并）m简并系统的特点：简并系统的特点：杂质未完全电离杂质未完全电离杂质能级相互交叠分杂质能级相互交叠分裂成能带，甚至可能裂成能带，甚至可能与带边相交叠。杂质与带边相交叠。杂质上未电离电子也可发上未电离电子也可发生共有化运动参与导生共有化运动参与导电。电。从费米积分曲线上可以看出当从费米积分曲线上可以看出当Fp0、Ndn0）耗尽区外为中性区（耗尽区外为中性区（Nd=n0、NA=p0）、无电场）、无电场耗尽区假设积分求解泊松方程，得到电场和电势整个空间电荷区电势积分得到内建电势差热平衡状态求出内建电势差边界条件（耗尽区边界电场为0，冶金结处电场连续）空间电荷区宽度、最大电场等pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-xpxnEMax则可以得到：可以看到，势垒电容的大小与s(材料）、Vbi（掺杂水平）、Na、Nd及反偏电压等因素有关。可以发现：这表明势垒电容可以等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容例7.5注意：势垒电容的单位是F/cm2,即单位面积电容第八章pn结二极管正向偏置下空间电荷区边界处的过剩少数载流子注入（边界条件）扩散区内的少数载流子分布（长pn结，双极输运方程的应用）理想电流电压方程（通过少数载流子分布推导）扩散电容的概念小信号等效电路模型击穿模式由此，我们可以得出由此，我们可以得出pn结处于正偏和反偏条件时，耗尽区结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处的少数载流子分布边界处的少数载流子分布正偏反偏对于三种可能的对于三种可能的n n型区长度，下表总结了三种情况下的型区长度，下表总结了三种情况下的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的p p型区长型区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。q完整的小信号等效电路模型完整的小信号等效电路模型m串联电阻的影响中性的p区和n区实际上都有一定的电压降落，这来源于中性区的体电阻，一般称为寄生电阻 二极管电压PN结电压串联电阻第九章 金属半导体和半导体异质结功函数、电子亲和势、肖特基势垒；电流电压关系；热电子发射机制；肖特基二极管与pn结二极管的比较；欧姆接触的概念及常规制备方法异质结基本概念肖特基接触形成肖特基接触形成接触前接触前接触后接触后真空能级EcEFEFiEvEFEcEFEvEF耗尽层m利用隧道效应制成的欧姆接触利用隧道效应制成的欧姆接触提高表面杂质浓度，利用隧道效应制成的欧姆提高表面杂质浓度，利用隧道效应制成的欧姆接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法。接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法。m高掺杂薄势垒强隧道效应欧姆接触第十章 双极晶体管双极晶体管的材料、结构特征正向有源模式下的少数载流子分布各个模式下的能带图电流增益（图10.19），可以用电流成分表达出各个电流增益因子提高电流增益需要做的材料结构改进措施（P.278 表10.3）非理想效应概念两个击穿电压延时因子（四个时间的概念），主要限制因素截止频率的概念实际器件结构图实际器件结构图先进的双层多晶硅先进的双层多晶硅BJT结构结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；q晶体管电流的简化表达形式晶体管电流的简化表达形式有用电流和无用电流电子电流和空穴电流扩散电流、漂移电流、复合电流、产生电流限制因素小结限制因素小结发射极注入效率发射极注入效率基区输运系数基区输运系数复合系数复合系数共基极电流增益共基极电流增益共发射极电流增益共发射极电流增益re为发射结的扩散电阻，Cp为发射结的寄生电容。m发射结电容充电时间第十一章MOS晶体管NMOS、PMOS定义（衬底掺杂类型）不同栅压下的半导体表面状态（堆积、耗尽、弱反、强反）（图11.3-11.7）会计算耗尽层厚度；最大耗尽层厚度；MOS中的电势平衡（图11.12，式11.911.11）；功函数差；氧化层固定电荷；会计算平带电压、阈值电压；CV特性，重点掌握电流电压方程；跨导，频率限制的主要因和截止频率；衬底偏置效应 当栅电压达到表面强反型的阈值电压时，半导体当栅电压达到表面强反型的阈值电压时，半导体衬底材料的表面势也将达到临界阈值点，即：衬底材料的表面势也将达到临界阈值点，即：MOSMOS电容结构电容结构后，外加栅后，外加栅压为零时，压为零时，热平衡状态热平衡状态下的能带弯下的能带弯曲情况曲情况高频与低频条件下，高频与低频条件下，MOSMOS电容的电容的C CV V特性示意图特性示意图 NMOS NMOS和和PMOSPMOS两种器件的两种器件的I IV V特性对照表如下：特性对照表如下：第十二章亚阈值电导短沟道效应窄沟道效应