半导体物理与器件课件

半导体物理与器件 <一>能带理论原子结构 原子的核型结构:卢瑟福认为原子的结构与太阳系结构相似,中间是原子核,相当于太阳,电子绕着原子核旋转,就象9大行星绕着太阳转一样。硅原子结构泡利不相容原理 泡利不相容原理:原子中第n个壳层最多只能容纳2N²个电子。电子共有化运动 半导体晶体中的电子共有化运动：晶体中原子外围电子的轨道互相重叠，电子不再只属于某一个原子，而是可以在整个晶体内运动，为晶体整个原子所共有。电子共有化运动电子共有化运动：能带形成能带概念 半导体中能带的形成：电子的共有化运动，引起能级的分裂，受泡利不相容原理的影响，这些能级将形成能量稍有不同的“能带”能带图能带概念 空带，满带，价带，导带，禁带宽度： 能带上没有电子，称空带。 能带上充满电子，称满带。 能量最高的满带称为价带EV。 能量最低的空带称为导带EC。 导带和价带之间的区域称为禁带宽度Eg。 导体、半导体、绝缘体的能带的差异：禁带宽度极大的不同。<二>半导体中的杂质本征半导体 本征半导体：纯净半导体，无杂质。 本征激发：在一定温度下，由于热运动，一部分价带电子获得大于禁带宽度的能量而跃迁到导带。（实质：共价键上电子挣脱了出来，成为自由电子；同时留下一个空穴。）这样形成了空穴电子对。载流子复合 电子空穴对的复合：电子空穴对在晶体中相遇，就可能复合而消失，补好了一个完整的共价键。 这也就是电子又从导带跳回了价带，多余的能量以发光的形式或发热的形式释放出来。激发和复合可形成动态的平衡。本征载流子浓度一般是很低的。载流子复合施主能级 N型半导体：硅中掺入5价元素磷、砷、锑，产生非平衡载流子电子。在能带图中，在禁带中靠近导带的地方，形成一个施主能级ED。施主能级受主能级 P型半导体：硅中掺入3价元素硼，产生非平衡载流子空穴。在能带图中，在禁带中靠近价带的地方，形成一个受主能级EA。受主能级 施主杂质和受主杂质的补偿作用。半导体中杂质的补偿 费米能级EF：衡量半导体掺杂水平―――电子填充水平高低的标志。载流子运动方式 半导体中载流子的两种运动方式： 漂移运动（在电场作用下的运动）； 扩散运动（浓度差造成的运动）。 <三>半导体中的载流子的迁移现象载流子迁移率 载流子的迁移率：载流子在单位电场强度作用下的平均漂移速度。常温下载流子的迁移率 <四>非平衡载流子 平衡载流子：半导体在热平衡情况下，体内产生的载流子。 非平衡载流子：光、电等外界因素引起的额外增加的载流子。 非平衡载流子的复合载流子寿命的概念 非平衡载流子的寿命:在外界作用因素停止后，其随时间逐渐减少以至消失的过程称为衰减。其平均存在时间称为非平衡载流子的寿命。 非平衡少数载流子寿命的意义：其浓度降低到原来的37％（1/e）的时间。 非平衡载流子的复合机理： 直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁造成的电子和空穴的复合。 间接复合：电子通过禁带中的各种复合中心能级（杂质和缺陷形成）分两步进行的电子和空穴的复合。 非平衡载流子的净复合率： 甲：俘获电子过程； 乙：发射电子过程； 丙：俘获空穴过程； 丁：发射空穴过程。 净复合率＝甲－乙＝丙－丁半导体的界面态和表面态 半导体界面：半导体晶体和别的物质的交界面。比如硅表面和SIO2的交界面。 半导体表面：当别的物质是空气时，半导体界面又称为半导体表面。 半导体界面态：半导体界面上的硅原子外层电子不能象体内那样和另一个硅原子的外层电子形成完整的共价键，称悬挂键，它很容易和其它原子结合，就形成了界面态。 表面态：界面态的特殊形式。 表面复合：硅晶体的表面，一般和SIO2相接，在相互作用下，由于界面态的存在，会在禁带中形成一些新的能级；硅晶体表面受水汽和脏物的影响，也会在禁带中产生一些新的能级。这些能级其实也属于复合中心能级的范畴。从而使晶体表面载流子复合加剧，这样就使表面附近载流子寿命减小。非平衡载流子的扩散运动 非平衡载流子的扩散运动：自然界任何物质都有从浓度高处向浓度低处运动的趋势。非平衡载流子的扩散 扩散流与浓度差的关系：等式右边的D表示扩散系数。dn/dx表示浓度梯度，即浓度差的大小。 影响扩散系数的因素：温度、掺杂浓度等 ： 扩散流密度与扩散定律：扩散流密度与载流子的浓度梯度成正比。 扩散长度Lp：是描写非平衡少子在边扩散边复合的过程中，能够扩散的平均距离。其在数值上等于非平衡少子浓度衰减到原来的1/e（即37％）时两点之间的距离。 扩散长度的计算;爱因斯坦方程半导体体内可能存在的4种电流 PN结与半导体二极管1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线结构符号二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 PN结的形成： 合金法； 扩散法； 注入法两种不同杂质分布的PN结 突变结：P区和N区的杂质分布界限分明。 缓变结：P区和N区的杂质分布呈现此消彼涨的渐变模式。 PN结的空间电荷区 PN结的势垒 PN结的正向特性 PN结的反向特性PN结两边的掺杂浓度PN结两边未接触时的能带图PN结能带图少子在PN结两边的分布PN结的正反向接法根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。 影响PN结伏安特性偏离理想方程的因素： 正向复合电流：当P区来的空穴和N区来的电子在空间电荷区复合时，就形成该电流，此电流在正向电流较小时比重较大，由于它对三极管发射极注入无贡献，故小电流时三极管放大倍数会下降。 反向时空间电荷区产生电流：空间电荷区热激发的载流子在反压下来不及复合，就被电场驱走，增多了反向电流。 大注入情况：电流随电压的增加将变缓。 PN结的反向击穿： 雪崩击穿：当反向电压很高时，空间电荷区电场很强，电子和空穴动能很大，可将空间电荷区中的硅的共价键撞开，产生新的电子空穴对，使载流子呈现雪崩式倍增，使电流剧增，形成击穿。从能带观点：即是将价带上的电子激发到了导带上。雪崩击穿 影响雪崩电压大小因素：单边突变结电压与轻掺杂一边掺杂浓度有关，浓度大则电压低。缓变结击穿电压高低则与浓度梯度的大小有关，梯度大则电压低，反之已然。隧道击穿 隧道击穿：对于PN结两边掺杂都较高的情况下，空间电荷区比较窄，电场强度极大，使得电子和空穴的能量极高，快速穿越PN结，造成击穿。隧道击穿 从能带角度讲：P区的价带可高于N区的导带，这时P区价带电子就可穿越空间电荷区的隧道，直接进入N区导带，形成击穿。一般而言，击穿电压在7伏以下者是隧道击穿，反之是雪崩击穿。隧道击穿能带图 <六>金属－半导体接触固体的功函数 固体的功函数－逸出功：固体的处于费米能级高度的电子跑到自由空间需要的能量。 金属－半导体接触： 金－半接触的整流特性（SBD结构—肖特基二极管） 低掺杂的N型半导体与金属接触，当金属的逸出功较大时，就会形成肖特基势垒，出现整流特性。 欧姆接触定义：欧姆接触的概念:线性和对称的伏安特性,接触电阻小于材料体电阻. 获得方式： 低势垒接触:P型硅与金属的接触 高复合接触：大量的缺陷能级提供反向时的载流子 高掺杂接触：空间电荷区极薄，电子可通过隧道效应穿过去 肖特基二极管与普通二极管的比较： 1.正向压降较低：多子电流大，故饱和电流大。 2.开关速度较快：空间电荷区没有电荷存储效应。肖特基二极管结构 <七>半导体的磁电效应——霍尔效应 霍尔效应的现象：在半导体晶体上，在x方向加以电场，流过一个电流，在z方向施加一个磁场，则在y方向将会产生一个横向电压，称为霍尔电压。 原理：是物理学中洛仑兹力引起的载流子定向运动。 有关公式 霍尔系数RH 霍尔效应在半导体工艺中的应用： 1.可以测量载流子浓度。 2.可判断硅片的导电类型。 3.可测量载流子的迁移率。霍尔电压测试示意通过测出霍尔系数和电导，可求出载流子迁移率 推导过程从略 <八>晶体管的直流特性 晶体管的基本结构一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。二．BJT的内部工作原理（NPN管）三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。*若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE>0* 载流子在晶体管内的传播（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程 晶体管的输入特性曲线BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。 （2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。 输出特性曲线(2)输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const现以iB=60uA一条加以说明。（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：2.极间反向电流（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。 （1）集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。3.极限参数Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCEPCM<PCM（3）反向击穿电压BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：①U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。晶体管的基极电阻rb、输入正向压降VBES、饱和压降VCES 晶体管的基极电阻rb、 输入正向压降VBES(VBEF)、 饱和压降VCes <九>晶体管的频率特性 晶体管的电容PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容） 晶体管的交流特性 晶体管交流电流放大系数 晶体管频率特性参数 发射结电容充电时间 基区渡越时间 集电结电容充电时间 集电结耗尽区渡越时间截止频率的计算 <十>晶体管功率特性 极限参数Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。 集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗:PC=ICUCE极限参数Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCEPCM<PCM反向击穿电压BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：①U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏～十几伏。②U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏～几百伏。③U（BR）CEO——基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。晶体管安全工作区<十一>晶体管开关特性晶体管的开关作用 晶体管开关过程 晶体管开关时间参数 发射极电容充电时间 基区渡越时间 集电极耗尽层渡越时间 集电极电容充电时间 <十二>场效应管 MOS管结构 1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和衬底B。 MOS管工作原理（2）工作原理①栅源电压uGS的控制作用当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。 MOS特性（3）特性曲线四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT MOS主要参数一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。MOS管的主要参数（1）开启电压UT（2）夹断电压UP（3）跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const（4）直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。 MOS管和双极三极管的比较 1.控制类型不同:(输入信号) 电压控制电流控制 2.工作区域不同: 表面器件体内工作器件 3.参与工作的载流子: 只有一种载流子两种载流子 (单极器件)(双极器件)*