微电子制造概论-第2章-半导体物理和器件物理基础教材课件

微电子制造概论第二章 半导体物理和器件物理基础 半导体及其基本特半导体及其基本特性性 固体材料：超固体材料：超导体体:大于大于106(cm)-1 导 体体:106104(cm)-1 半半导体体:10410-10(cm)-1 绝缘体体:小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体从从导电特性和特性和机制来分：机制来分：不同不同电阻特性阻特性不同不同输运机制运机制1.半半导体的体的结构构原子原子结合形式：共价合形式：共价键形成的晶体形成的晶体结构：构：构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体，具具 有有 金金 刚 石石 晶晶 体体 结 构构半半导体的体的结合和晶体合和晶体结构构金金刚石石结构构 半半导体有元素半体有元素半导体，如：体，如：Si、Ge 化合物半化合物半导体，如：体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半本征半导体：体：n=p=ni电子：子：Electron，带负电的的导电载流流子，是价子，是价电子脱离原子束子脱离原子束缚 后后形成的自由形成的自由电子，子，对应于于导带中占据的中占据的电子子空穴：空穴：Hole，带正正电的的导电载流子，流子，是价是价电子脱离原子束子脱离原子束缚 后形成后形成的的电子空位，子空位，对应于价于价带中的中的电子空位子空位3.半导体的能带半导体的能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子量子态和能和能级固体的能固体的能带结构构 原子能原子能级 能能带共价共价键固体中价固体中价电子的量子子的量子态和能和能级共价共价键固体：成固体：成键态、反、反键态原原 子子 能能 级 反反 成成 键 态 成成 键 态价价带：0K条件下被条件下被电子填充的能量最高的能子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被条件下未被电子填充的能量最低的能子填充的能量最低的能带禁禁带：导带底与价底与价带顶之之间能能带带隙：隙：导带底与价底与价带顶之之间的能量差的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导 带带价价价价 带带E E E Eg g g g半半导体中体中载流子的行流子的行为可以等效可以等效为自由粒子，但与自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效有效质量可正、可量可正、可负，取决于与晶格的作用，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m*m*4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺 杂 施施 主主 掺 杂施主和受主施主和受主浓度：度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半入半导体的体的杂质原子向半原子向半导体中体中 提供提供导电的的电子，并成子，并成为带正正电的离子。如的离子。如 Si中中掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半入半导体的体的杂质原子向半原子向半导体中体中 提供提供导电的空穴，并成的空穴，并成为带负电的离子。如的离子。如 Si中中掺的的B施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征本征载流子流子浓度：度：n=p=ni np=ni2ni与禁与禁带宽度和温度有关度和温度有关5.本征载流子本征载流子本征半本征半导体：没有体：没有掺杂的半的半导体体本征本征载流子：本征半流子：本征半导体中的体中的载流子流子载流子流子浓度度 电 子子 浓 度度 n,空空 穴穴 浓 度度 p6.6.非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子在非本征情形在非本征情形:热平衡平衡时:N型半型半导体：体：n大于大于pP型半型半导体：体：p大于大于n多子：多数多子：多数载流子流子n型半型半导体：体：电子子p型半型半导体：空穴体：空穴少子：少数少子：少数载流子流子n型半型半导体：空穴体：空穴p型半型半导体：体：电子子7.电中性条件电中性条件:正负电荷之和为正负电荷之和为0p+Nd n Na=0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p=n+Na Ndn=p+Nd Nan型半型半导体：体：电子子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半型半导体：空穴体：空穴 p Na 电子子 n ni2/Na8.过剩剩载流子流子 由于受外界因素如光、由于受外界因素如光、电的作用，半的作用，半导体中体中载流子的分布偏离了平衡流子的分布偏离了平衡态分布，称分布，称这些偏离平些偏离平衡分布的衡分布的载流子流子为过剩剩载流子流子公式公式不成立不成立载流子的流子的产生和复合：生和复合：电子和空穴增加和消失的子和空穴增加和消失的过程程电子空穴子空穴对：电子和空穴成子和空穴成对产生或复合生或复合9.9.载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载载 流流 子子 的的 漂漂 移移 运运 动动：载载 流流 子子 在在 电电 场场 作作 用用 下下 的的 运运 动动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格散射（热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：空穴扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程扩散长度扩散长度扩散长度扩散长度L Ln n和和和和L Lp p:L=(D:L=(D )1/21/2热平衡时：热平衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2判断：半导体参与导电的粒子是电子和空穴；空穴导电和电子导电本质上都是导带上的电子导电；掺杂半导体中有多数载流子和少数载流子，多子浓度多于少子，所以N型半导体带负电，P型半导体带正电；半导体的导电和导体导电的本质是一样的；平衡载流子是指电子浓度和空穴浓度相同平衡；半导体和绝缘体的区别就是任何温度下半导体的导带都有电子而绝缘体则没有半导体的禁带是不可能有电子存在半导体掺杂后的导电能力可以大幅提高半导体的激发是电子获得能量从价带跃迁到导带，复合是电子从导带跳回到价带，并释放能量半导体中的电流主要是准自由电子受电场力作用下的定向移动而产生重 点半导体、半导体、N N型半导体、型半导体、P P型半导体、本征半导体、型半导体、本征半导体、非本征半导体非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合作作 业业载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述行简单的描述如何实现：首先将一块本征半导体变成如何实现：首先将一块本征半导体变成N型半型半导体，然后再设法使它变成导体，然后再设法使它变成P型半导体。型半导体。半导体器件物理基础半导体器件物理基础重 点半半导体、体、N型半型半导体、体、P型半型半导体、本征半体、本征半导体、体、非本征半非本征半导体体载流子、流子、电子、空穴、平衡子、空穴、平衡载流子、非平衡流子、非平衡载流子、流子、过剩剩载流子流子能能带、导带、价、价带、禁、禁带掺杂、施主、受主、施主、受主输运、漂移、运、漂移、扩散、散、产生、复合生、复合*据据统计：半：半导体器件主要有体器件主要有67种，另种，另外外还有有110个相关的个相关的变种种*所有所有这些器件都由少数基本模些器件都由少数基本模块构成：构成：pn结金属半金属半导体接触体接触 MOS结构构 异异质结 超晶格超晶格半导体器件物理基础半导体器件物理基础半导体器件物理基础半导体器件物理基础PN结的的结构构1.PN结的形成的形成NP空空间电荷区荷区XM空空空空间电间电荷区耗尽荷区耗尽荷区耗尽荷区耗尽层层X XN NX XP P空空间电荷区荷区为高阻区，因高阻区，因为缺少缺少载流流子子2.平衡的平衡的PN结：没有外加偏没有外加偏压能能能能带结带结构构构构载流子漂移流子漂移(电流流)和和扩散散(电流流)过程保持平衡程保持平衡(相等相等)，形成自建，形成自建场和自建和自建势自建自建自建自建场场和自建和自建和自建和自建势势费米能米能级EF：反映了：反映了电子的填充水平某一个能子的填充水平某一个能级被被电子占据的几率子占据的几率为：E=EF时，能，能级被占据的几率被占据的几率为1/2本征本征费米能米能级位于禁位于禁带中央中央自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直平衡时的能带结构平衡时的能带结构3.正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移N区区P区区空穴：空穴：正向电流正向电流正向电流正向电流电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移NP正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程4.PN结的反向特性结的反向特性N区区P区区空穴：空穴：电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移反向反向反向反向电流电流电流电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散NPN区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴：P区区N区区扩散扩散漂移漂移反向电流反向电流反向电流反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散5.PN结的特性的特性单向向导电性：性：正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置正向正向导通，多数通，多数载流子流子扩散散电流流反向截止，少数反向截止，少数载流子漂移流子漂移电流流正向正向导通通电压Vbi0.7V(Si)反向反向击穿穿电压Vrb6.PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳齐纳/隧穿击穿隧穿击穿7.PN结电容结电容 2.4 双极晶体管双极晶体管1.1.双极晶体管的双极晶体管的双极晶体管的双极晶体管的结结构构构构由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的PNPN结组结组成：成：成：成：分分分分为为：NPNNPN和和和和PNPPNP两种形式两种形式两种形式两种形式基区基区基区基区宽宽度度度度远远远远小于少子小于少子小于少子小于少子扩扩散散散散长长度度度度发射区射区收集区收集区基区基区发射射结收收集集结发射射极极收收集集极极基极基极双极晶体管的两种形式：双极晶体管的两种形式：NPN和和PNPNPNcbecbePNP双极晶体管双极晶体管的的结构和版构和版图示意示意图2.3 NPN2.3 NPN晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运相应的载流子分布相应的载流子分布相应的载流子分布相应的载流子分布NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运晶体管的电流输运晶体管的电流输运NPNNPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换晶体管的电流转换晶体管的电流转换电子电子电子电子流流流流空穴空穴空穴空穴流流流流2.3 NPN2.3 NPN晶体管的几种晶体管的几种晶体管的几种晶体管的几种组态组态共基极共基极共共发射极射极共收集极共收集极共基极共基极共基极共基极共发射极共发射极共发射极共发射极共收集极共收集极共收集极共收集极NNP晶晶 体体 管管 的的 共共 收收 集集 极极 接接 法法cbe3.3.晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性 3.1 3.1 共共共共发发射极的直流特性曲射极的直流特性曲射极的直流特性曲射极的直流特性曲线线三个区域：三个区域：三个区域：三个区域：饱和区饱和区饱和区饱和区放大区放大区放大区放大区截止区截止区截止区截止区3.2 3.2 共基极的直流特性曲共基极的直流特性曲共基极的直流特性曲共基极的直流特性曲线线4.晶体管的特性参数晶体管的特性参数4.1 4.1 晶体管的晶体管的晶体管的晶体管的电电流增益（放大系数流增益（放大系数流增益（放大系数流增益（放大系数共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和交流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数 0 0 、两者的关系两者的关系两者的关系两者的关系共共共共发发射极直流放大系数射极直流放大系数射极直流放大系数射极直流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数 0 0、4.2 4.2 晶体管的反向漏晶体管的反向漏晶体管的反向漏晶体管的反向漏电电流和流和流和流和击击穿穿穿穿电压电压反向漏反向漏反向漏反向漏电电流流流流I Icbocbo：发发射极开路射极开路射极开路射极开路时时，收集，收集，收集，收集结结的反向漏的反向漏的反向漏的反向漏电电流流流流I Ieboebo：收集极开路：收集极开路：收集极开路：收集极开路时时，发发射射射射结结的反向漏的反向漏的反向漏的反向漏电电流流流流I Iceoceo：基极极开路：基极极开路：基极极开路：基极极开路时时，收集极，收集极，收集极，收集极发发射极的反向漏射极的反向漏射极的反向漏射极的反向漏电电流流流流 晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压BVBVcbocboBvBvceoceoBVBVeboeboBVBVeeoeeo晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一4.4 4.4 晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性 截止频率截止频率截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放共基极电流放共基极电流放大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率截止频率截止频率f f ：特征频率特征频率特征频率特征频率f fT T：共发射极电流放共发射极电流放共发射极电流放共发射极电流放大系数为大系数为大系数为大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率时对应的工作频率时对应的工作频率最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率f fMM：功率增益为功率增益为功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率时对应的频率时对应的频率5.BJT的特点的特点优点点垂直垂直结构构与与输运运时间相关的尺相关的尺寸由工寸由工艺参数决定，参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于易于获得高得高fT高速高速应用用整个整个发射射结上有上有电流流流流过可可获得得单位面位面积的大的大输出出电流流易于易于获得得大大电流流大功率大功率应用用开开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工工艺无关无关片片间涨落小，可落小，可获得小的得小的电压摆幅幅易于小信易于小信号号应用用模模拟电路路输入入电容由容由扩散散电容决容决定定随工作随工作电流的减流的减小而减小小而减小可同可同时在大或小的在大或小的电流下工作而无需流下工作而无需调整整输入入电容容输入入电压直接控制提供直接控制提供输出出电流的流的载流子密度流子密度高跨高跨导缺点：缺点：存在直流存在直流输入入电流，基极流，基极电流流功耗大功耗大饱和区中存和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开开态电压无法成无法成为设计参数参数设计设计BJTBJT的关的关的关的关键键：获获得尽可能大的得尽可能大的得尽可能大的得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B当代当代BJT结构构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅多晶硅发射极射极 2.5 MOS场效效应晶体管晶体管 MOS电容容结构构 MOSFET 器件器件1.MOS 电容电容pp电容的含义电容的含义电容的含义电容的含义ppMOSMOS结构结构结构结构pp理想的理想的理想的理想的MOSMOS电容特性电容特性电容特性电容特性pp非理想的非理想的非理想的非理想的MOSMOS电容特性电容特性电容特性电容特性关于电容关于电容平行板电容器平行板电容器+Q-QEd+-V面积面积A电容电容C定义为：定义为：QVC斜率斜率直流和交直流和交流时均成流时均成立立一一 MOS结构结构交流电容交流电容交流电容交流电容C定义为：定义为：+Q-QEd+-V面积面积A+Q-Q VQVC（V斜率斜率对于理想的交流电容，对于理想的交流电容，C与频率无关与频率无关这里这里理想理想指电容中没有能量的耗散：指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量、介质层不吸收能量非理想的电容：非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容半导体中的电容通常是交流电容例如：突变例如：突变PN结电容结电容和平行板和平行板电容器形电容器形式一样式一样+-VP+Nxd偏压改变偏压改变 V施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型施加施加偏压偏压后的后的不同不同状态：状态：积累、积累、耗尽、耗尽、反型反型MOS场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管结型场效结型场效应晶体管应晶体管 （JFET）金属半导体金属半导体场效应晶体管场效应晶体管（MESFET）MOS 场效应场效应 晶体管晶体管（MOSFET）SGD转移特转移特性曲线性曲线+提取阈提取阈值电压值电压+研究亚研究亚阈特性阈特性长长 沟沟MOSFET的的 输输出出 特特性性亚亚0.1微米微米MOSFET器件的发展趋势器件的发展趋势N+(P+)N+(P+)P(N)Source Gate DrainN+(P+)作业作业描述二极管的工作机理描述二极管的工作机理讨论讨论PNPPNP双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理简单叙述简单叙述PMOS晶体管的开关原理晶体管的开关原理