北京大学微电子学研究所半导体物理讲义2

第二章半导体物理和器件物理基础*半导体及其基本特性*半导体中的载流子*PN结*双极晶体管*MOS场效应晶体管2.1半导体及其基本特性固体材料(电导率）：超导体:大于106(cm)-1 导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1一、什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构二、半导体的基本特性半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、ZnS。硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。。化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物，如，GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用于光电器件、半导体激光器和微波器件。2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体有：电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能结构原子能级能带电子的微观运动服从量子力学规律。其基本特点包含以下两种运动形式：电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种稳恒的运动状态称为量子态。相应的能量称为能级。在一定条件下，电于可以发生从一个量子态转移到另一个量子态的突变。这种突变称为量子跃迁。量子态和能级固体的能带结构原子能级能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态半导体的能带半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子哪样连续，也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级，而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近的能级。能带之间的间隙叫禁带，一个能带到另一个能带之间的能量差称为禁带宽度。价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*电子和空穴的产生电子摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，在能带图上看，就是一个价电子从价带到导带的量子跃迁过程。其结果是在导带中增加了一个电子而在价带中则出现了一个空的能级（空穴）。半导体中的导电电子就是处于导带中的电子，空穴的导电性反映的仍是价带中电子的导电作用。电子能量增加空穴能量增加4.半导体的掺杂受主掺杂P型半导体施主掺杂N型半导体电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况下，是靠晶体内部原子本身的热运动提供的。常温下，硅里面由于热运动激发价健上电子而产生的电子和空穴很少，它们对硅的导电性的影响是十分微小的。室温下半导体的导电性主要由掺入半导体中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，这是半导体能够制造各种器件的重要原因。施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As（最外层有5个价电子）受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B(硼）（最外层只有3个价电子）施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半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态。杂质量子态的能级处在禁带之中。掺杂就是在禁带中引入能级。施主杂质引入施主能级施主能级在导带的下面，与导带的距离等于电离能，图中箭头表示电子从施主能级跃迁到导带的电离过程。受主杂质引入受主能级浅能级：离导带或者价带很近，电离能很小；深能级：离导带或者价带较远，电离能较大；受主能级在价带的上面，与价带的距离等于电离能，图中箭头表示电子从价带跃迁到受主能级的电离过程。杂质能级中施主和受主能级的区分方法：*如果能级在有电子占据时是电中性，失去电子后成为正电中心的杂质能级则为施主能级。*如果能级在有电子占据时是负电中心，而没有电子占据时是电中性的杂质能级则为受主能级。本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni（本征载流子浓度）与禁带宽度和温度有关，（见书P28图2.13）5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度电子浓度n,空穴浓度p6.非本征半导体(又叫杂质半导体）的载流子将掺杂的半导体称为非本征半导体，在纯净半导体中加入杂质后，半导体的导电性将发生很大变化。在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于p（如在硅中掺入五价杂质）P型半导体：p大于n（如在硅中掺入三价杂质）（质量作用定律）多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子掺入杂质的作用：提高了半导体的导电率；使其中一种载流子的浓度明显高于另一种载流子的浓度，出现了“多子”和“少子”。当一块半导体中同时含有施主和受主杂质时，受主和施主在导电性上会相互抵销，这种现象叫做杂质的“补偿”。在有补偿的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差。当施主数量超过受主时，半导体就是N型的；反之，受主数量超过施主，则是P型的。杂质补偿单位体积（通常指每立方厘米）杂质的数量称为杂质浓度；杂质浓度分为电子浓度n和空穴浓度p。7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–NaNd为施主杂质浓度，Na为受主杂质浓度。n型半导体：电子nNd 空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa 电子nni2/Na8.过剩载流子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载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流密度：迁移率电阻率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载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素迁移率电子平均漂移速度；在dt时间内通过A平面的电荷数量dQ为：电流密度j为：与相比，可以得到平均漂移速度： 与电场成正比；m被称为迁移率。影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：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描述半导体器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS＝0，静电势为常数电流连续方程可动载流子的守恒热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中方程形式1方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势重点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合作业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设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。半导体器件物理基础上一节课的主要内容半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结金属－半导体接触MOS结构异质结超晶格半导体器件物理基础2.2PN结1.PN结的形成在一块半导体材料中，如果一部分是n型区，一部分是p型区，在n型区和p型区的交界面处就形成了pn结自建电场2.平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势Ei为本征费米能级，Ef为费米能级，N型Ef大于Ei，P型Ef小于EiPN结空间电荷区（耗尽区）形成的原因：载流子的漂移（由自建场产生）和扩散（存在浓度差）运动，在平衡pn结中，漂移和扩散是动态平衡（运动大小相等，方向相反）。耗尽区载流子分布平衡PN结的能带：费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央如果没有外加偏压，费米能级Ef处处相等（形成PN结时）（见前2页图）P型区能带上移，原因是pn结空间电荷区存在自建场，方向是n区指向p区（即p区的电势比n区低），而能带是按电子能量的高低确定，所以电子的静电势能（-q*静电势V）在p区比n区高，正是这个附加的静电势能，使p区的能带比n区上移。在空间电荷区（势垒区），能带发生弯曲，反映了空间电荷区中电子静电势能的变化。电子从n区运动到p区必须越过一个能量势垒。pn结存在接触电势差。自建势qVbi平衡时的能带结构自建场和自建势：(势垒、接触电势差)PN两边掺杂浓度越高，接触电势差越大；禁带宽度越大，ni越小，接触电势差越大；3.PN结的正向特性正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移，称为PN结的正向注入效应。N区P区空穴：扩散移动的非平衡载流子形成正向电流：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移正向的PN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〕：N区电子在电场作用下漂移向XN，越过空间电荷区，经过XP注入P区，成为非平衡少子，并以扩散形式向XP’运动；在此过程中电子不断与右面过来的空穴复合，直到XP’处注入电子全部被复合，此时完全是空穴导电。但在任何一个截面处，电子和空穴电流之和相等。图中虚线代表电子或空穴的扩散流，实线代表漂移流。4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移漂移载流子形成反向电流：反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散,PN结的反向抽取作用。反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向PN结的电流输运(反向电流的方向是N区流向P区）N区中离XN为扩散长度的区域内，XN’～XN区域产生的少子(空穴)有机会扩散到边界，在反向PN结的抽取作用下被拉到P区，成为多子漂移电流。同样P区的电子也类似。反向抽取使边界处的少子浓度减小，并随反向偏压的增大而很快趋于零，而边界处少子的浓度变化最大不超过平衡时的少子浓度，所以PN结反偏时，电流随电压增大而很快趋于饱和。5.PN结的特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb6.PN结击穿PN结反偏时，电流很小，但当电压超过临界电压时，电流会突然增大。这一临界电压称为PN结的击穿电压。PN结的正向偏压一般为0.7V，而它的反向击穿电压一般可达几十伏，击穿电压与PN结的结构及P区和P区的掺杂浓度有关。普通PN的电压电流特性雪崩击穿:PN结反偏电压增大时，空间电荷区电场增强，通过空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得足够大的能量，当与晶格原子碰撞时可以使满带的电子激发到导带，形成电子-空穴对，这种现象成为“碰撞电离”。新的电子-空穴对又在电场作用下获得足够的能量，通过碰撞电离又产生更多的电子-空穴对，当反偏电压大到一定值后，载流子碰撞电离的倍增象雪崩一样，非常猛烈，使电流急剧增加，从而发生击穿。这种击穿是不可恢复的。齐纳/隧道击穿：电子的隧道穿透效应在强电场的作用下迅速增加的结果。PN结电容：PN结空间电荷区的电荷以及两侧的载流子随外加偏压变化，因而PN结有电容效应。7.PN结电容（势垒电容）Xm为空间电荷区宽度，它不是一个常数，它是随电压V变化的。反偏电压固定 反偏电压减小 反偏电压增大PN结特性总结单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，注入效应，多数载流子扩散电流反向截止，抽取效应，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压Vrb在集成电路中，PN结不仅作为有元器件使用（整流、稳压等），也可以作为元件之间的电绝缘（称为PN结隔离）。PN结应用2.3双极晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT)一.双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNPNP双极晶体管的结构和版图示意图二、NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布a图b图晶体管中两个结的相互作用是通过载流子输运体现出来。非平衡少子的扩散运动是晶体三极管的工作基础。处于正常工作的晶体管，发射结加正向偏压，收集结加反向偏压。在基区中存在少子（电子）的浓度梯度，发射结注入基区的电子将由边界X2向X3扩散，到X3后被收集结电场拉向收集区，并漂移通过收集区流出收集极（见b图）。同时基区向发射区注入空穴，在扩散过程中不断与电子复合而转换为电子漂移电流。由基极流入的空穴一部分注入发射区；另一部分与注入基区的电子复合（见a图）。NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换发射结有两股扩散电流。收集区有两种电流正向发射结把电子注入到P型基区，基区宽度远远小于电子的扩散长度，注入到基区的电子来不及复合就扩散到反向收集结的边界，被反向收集结的抽取作用拉向收集区。正是由于发射结的正向注入作用和收集结的反向抽取作用，使得有一股电子流由发射区流向收集区。NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极三、晶体管的直流特性（输入和输出电流—电压关系曲线，可鉴别晶体管的性能）1.共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区(两个结均正偏)放大区(Vbe正偏，Vcb反偏)截止区(两个结均反偏)2.共基极的直流特性曲线四.晶体管的特性参数1.晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、2.晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流(越小越好)Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流晶体管的主要参数之一晶体管的击穿电压(决定了晶体管各极间所能承受的最大反向电压)(电流趋向无穷大时所对应的电压）BVcbo：集电极-基极反向击穿电压；BVceo：集电极-发射极反向击穿电压；BVebo：发射极-基极反向击穿电压；通常BVcbo>BVceoBVceo:晶体管的重要直流参数之一，其越大，晶体管可能输出的功率越大。3.晶体管的频率特性晶体管的许多参数，如放大倍数,，都与频率有关，电流放大系数随频率增加而减小。(如图所示)截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的时所对应的频率值；截止频率f：减小到低频值的时对应的频率值；特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率；最高振荡频率fM：共发射极功率增益为1时对应的频率；五.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极2.4MOS场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransnsator)场效应晶体管（FET）结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）场效应晶体管是一种电压控制器件,其导电过程主要涉及一种载流子.也称为单极晶体管集成电路中最重要的单极器件一、MOSFET结构MOSFET:MOSfield-effecttransistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（InsulatedGate,IGFET）栅极与其他电极之间绝缘金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流—>场效应晶体管两个高掺杂的n+区（二氧化硅）属于四端器件，有四个电极。由于结构对称，在不加偏压时，无法区分器件的源和漏。源漏之间加偏压后，电位低的一端称为源，电位高的一端称为漏。nMOSFET如图，当施加在栅极上的电压为0时，源区和漏区被中间的P型区隔开，源和漏之间相当于两个背靠背的pn结，在这种情况下，即使在源和漏之间加一定的电压，也没有明显的电流，只有少量的pn结反向电流(为什么？）。当在栅极上加有一定的正电压VG>0后，会形成电子导电沟道,如果在源和漏之间加一定的电压，就会有明显的电流流过。由于器件的电流是由电场控制的,因此这种器件为场效应晶体管.MOS器件的表征：沟道长度沟道宽度二、MOSFET工作原理（NMOS为例）1.半导体表面场效应（以P型半导体为例）(1).P型半导体图1P型半导体（2）、表面电荷减少(施加正电压)金属绝缘体半导体施加正电荷作用使半导体表面的空穴被排走，少子（电子）被吸引过来。（3）、形成耗尽层（继续增大正电压）继续增大正电压，负空间电荷区加宽，同时被吸引到表面的电子也增加。形成耗尽层（4）、形成反型层（电压超过一定值Vt）电压超过一定值Vt，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，反型层。2.NMOS晶体管工作原理表面场效应形成反型层（MOS电容结构）MOSVds<Vgs–Vt，Vds=Vgs-VtVds>Vgs-Vt漏电流Ids随漏电压Vds的变化而线性变化。整个沟道厚度变化不大。随着Vds的增加，漏端沟道变窄，当Vds增加到使漏端沟道面积减少到零时，称为沟道“夹断”。漏极附近不再存在反型层。阈值电压：强反型而形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linearregion)： Vds<Vgs-Vt饱和区（Saturationregion）： Vds>=Vgs-Vt截至区（Cutoff）：Vgs–Vt≤0击穿区：PN结击穿；（1）线性区(见图（a））：Vgs-Vt>Vds令：K=Coxn工艺因子Cox:单位面积电容；n：电子迁移率βn=K(W/L)导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。（2）饱和区：Vgs-Vtn<VdsVgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以Vgs-Vtn取代线性区电流公式中的Vds得到饱和区的电流—电压表达式：MOS的电流电压特性（3）截止区：Vgs-Vtn≤0Ids=0Vds=Vgs-Vt（4）亚阈值区栅电压低于阈值电压时，MOS管中形成弱反型层，漏电流Ids虽然很小，但并不为0，此时随栅电压成指数规律变化，称此时的电流为弱反型电流或者亚阈值电流，它主要是由载流子扩散引起的。当VDS大于200mv时，电流的简化公式有：其中I0为Vgs为0时的电流，它是一个实验值；VT＝kT/q；z为一个非理想因子，z>1；（5）击穿区VDS增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。3、PMOS管I~V特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²三、MOS晶体管类别按载流子类型分：NMOS:也称为N沟道，载流子为电子。PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。按导通类型分：增强（常闭）型：必须在栅上施加电压才能形成沟道。耗尽（常开）型：在零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件。四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型（a）N沟增强：输出特性转移特性Vgs必须施加高于阈值电压才能有漏源电流。(b)N沟耗尽：输出特性转移特性在Vgs=0时，可能有较大电流流过。沟道（C）P沟增强:输出特性转移特性（d）P沟耗尽:输出特性转移特性四、MOS管的电容（电容效应由器件中的电荷存储效应引起的）Cgs：栅-源电容，栅和沟道电荷变化引起，包括栅对源的覆盖产生的结电容，是最大的电容；Csb’：源-衬电容，由源极反偏耗尽层产生，包括沟道对衬底的电容；Cdb’：漏-衬电容，漏极反偏耗尽层产生；Cgd：栅-漏电容，由于栅-漏的覆盖引起，也称miller电容；Cs-sw、Cd-sw：源-漏区侧墙电容(sidewallcapacitance)，由于场氧区的P+高掺杂，这两个电容也较大；Csb=Csb’+Cs-swCdb=Cdb’+Cd-swCgb：栅-衬底电容，较小；五、CMOS（互补MOS）器件（已成为集成电路的主流）作业讨论二极管的工作原理。讨论PMOS晶体管的工作原理，给出PMOS管的电流电压方程。