1 半导体物理与器件-复习大纲[讲课适用]

半导体物理与器件 中北大学 中北大学 梁庭 2013 09 半导体物理与器件 1优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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？ 2优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 3优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 4优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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）dE 5优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 E 0 a 2 a 3 a 3 a 2 a a k E 0 a a 简约布 里渊区 允带 允带 允带 禁带 禁带 6优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 当EVEkT时，则有： 8优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 9优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 10优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 / 2 00 g EkT iiicv n pnnnN N e 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 11优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 Ec Ev Ed Ec Ev Ed 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 12优选课堂 半导体物理与器件 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 13优选课堂 半导体物理与器件 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 Ev Ec Ed 非本征半导体 14优选课堂 半导体物理与器件 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。载流子浓度（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。 0 exp cF c EE nN kT 0 exp Fv v EE pN kT 2 00 / g i EkT cv n pn N N e 非本征半导体 15优选课堂 半导体物理与器件 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： 0 )( expexpexp cFiFFicFiFFi cc EEEEEEEE nNN kTkTkT exp cFi ic EE nN kT 0 exp FFi i EE nn kT 同样地：同样地： 0 exp FFi i EE pn kT 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 16优选课堂 半导体物理与器件 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 34优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 pn pn -xpxn x=0 Ec EF EFi Ev -+ E eVbi 2 ln ad biT i N N VV n 22 n Exxx apdn N xN x dx Ex dx -xpxn EMax 2 bi MAX V E W 1 2 ppMAX VxE 35优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 则可以得到： 1/ 2 2 n d RR sad biRad dxdQ CeN dVdV eN N VVNN 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： s C W 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 36优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 37优选课堂 半导体物理与器件 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区边界处的少数载流子分布 0exp a nnn eV pxp kT 0exp a ppp eV nxn kT 0 x n x p x p n n p n L p L 0p n 0n p 0 x n x p x p nn p n L p L 0p n 0n p 正偏反偏 38优选课堂 半导体物理与器件 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，对于不同的的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的p p型型 区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表 达式。达式。 39优选课堂 半导体物理与器件 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 appas VVIr 二极管电压 PN结电压 串联电阻 40优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 41优选课堂 半导体物理与器件 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 m e e s e Ec EF EFi Ev EF 0B e bi eV Ec EF Ev EF n e 耗尽层 n xW 42优选课堂 半导体物理与器件 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 提高表面杂质浓度提高表面杂质浓度，利用，利用隧道效应隧道效应制成的欧制成的欧 姆接触，这是姆接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法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 43优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 44优选课堂 半导体物理与器件 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； 45优选课堂 半导体物理与器件 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 46优选课堂 半导体物理与器件 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 1 , 1 BBEE BEB EBE xLxL NDx NDx 2 1 1 1 2 TBB B B xL x L 0 0 1 1exp 2 rBE s JeV JkT 2 0 0 1 1 1exp 22 T rBEBBBE EBEBs JNDxxeV NDxLJkT 2 0 0 1 1 1 exp 22 rBEBBBE EBEBs JNDxxeV NDxLJkT 47优选课堂 半导体物理与器件 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 48优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 49优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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衬底材料的表面势也将达到临界阈值临界阈值点，即：点，即： 50优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 00 2 g mOXsFp E eeVeee 51优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 52优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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 53优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 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： 54优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 55优选课堂 半导体物理与器件 中北大学 第十二章 亚阈值电导 短沟道效应 窄沟道效应 56优选课堂