1 半导体物理与器件-复习大纲

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体物理与器件,中北大学,中北大学,第二级,第三级,第四级,第五级,中北大学,半导体物理与器件,中北大学,第二级,第三级,第四级,第五级,中北大学,半导体物理与器件,中北大学,第二级,第三级,第四级,第五级,中北大学,半导体物理与器件,中北大学,第二级,第三级,第四级,第五级,中北大学,半导体物理与器件,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）,dE,E,0,k,E,0,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,E,V,EkT,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,f,F,(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,E,g,越大，本征载流子浓度越低,禁带宽度,E,g,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,E,c,E,v,E,d,E,c,E,v,E,d,施主杂质电离，,n,型半导体,受主杂质电离，,p,型半导体,掺杂原子与能级,掺入施主杂质，费米能级向上（导带）移动，导带电子浓度增加，空穴浓度减少,过程：施主电子热激发跃迁到导带增加导带电子浓度；施主电子跃迁到价带与空穴复合，减少空穴浓度；施主原子改变费米能级位置，导致重新分布,非本征半导体,掺入受主杂质，费米能级向下（价带）移动，导带电子浓度减少，空穴浓度增加,过程：价带电子热激发到受主能级产生空穴，增加空穴浓度；导带电子跃迁到受主能级减少导带电子浓度；受主原子改变费米能级位置，导致重新分布,E,v,E,c,E,d,非本征半导体,载流子浓度,n,0,和,p,0,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，,n,0,p,0,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。（虽然在这里本征载流子很少）,例,4.5,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,0.3eV,，则电子浓度变为本征浓度的,100000,倍。,非本征半导体,载流子浓度,n,0,、,p,0,的另一种表达方式：,同样地：,E,F,E,Fi,电子浓度超过本征载流子浓度；,E,F,E,Fi,空穴浓度超过本征载流子浓度,非本征半导体,发生简并的条件,大量掺杂,温度的影响（低温简并）,简并系统的特点：,杂质未完全电离,杂质能级相互交叠分裂成能带，甚至可能与带边相交叠。杂质上未电离电子也可发生共有化运动参与导电。,从费米积分曲线上可以看出当,F,p,0,、,N,d,n,0,）,耗尽区外为中性区（,N,d,=n,0,、,N,A,=p,0,）、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,p,n,p,n,-x,p,x,n,x=0,E,c,E,F,E,Fi,E,v,-,+,E,eV,bi,-x,p,x,n,E,Max,则可以得到：,可以看到，势垒电容的大小与,s,(,材料）、,V,bi,（掺杂水平）、,N,a,、,N,d,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/cm,2,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,pn,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,正偏,反偏,对于三种可能的,n,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,p,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。,完整的小信号等效电路模型,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,接触前,接触后,真空能级,E,c,E,F,E,Fi,E,v,E,F,E,c,E,F,E,v,E,F,耗尽层,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,制成的欧姆接触，这是,目前在生产实践中主要使用的方法,。,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,先进的双层多晶硅,BJT,结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；,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,发射极注入效率,基区输运系数,复合系数,共基极电流增益,共发射极电流增益,r,e,为发射结的扩散电阻，,C,p,为发射结的寄生电容。,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,11.9,11.11,）；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，半导体衬底材料的表面势也将达到,临界阈值,点，即：,MOS,电容结构后，外加栅压为零时，热平衡状态下的能带弯曲情况,高频与低频条件下，,MOS,电容的,C,V,特性示意图,NMOS,和,PMOS,两种器件的,I,V,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,