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1、北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 半导体及其基本特性 北京大学 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1 ？什么是半导体(电导率) 从导电特性和从导电特性和 机制来分：机制来分： 不同电阻特性不同电阻特性 不同输运机制不同输运机制 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 1. 1. 半导体的结构半导体的结构 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
2、北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子 本征半导体：n=p=ni 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3
3、. 半导体的能带 (价带、导带和带隙) 量子态和能级 固体的能带结构 原子能级 能带 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 原 子 能 级 反 成 键 态 成 键 态 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 导导 带带 价价 带带 E Eg g 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与 真空中
4、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* 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4.半导体的掺杂 BAs 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 施主能级 受主能级 杂质能级：杂质可
5、以使电子在其周围运动形成量子态 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关 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 p 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 6. 非本征半导体的载流子 在非本征情形: 热平衡时: N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学
6、北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 7. 电中性条件: 正负电荷之和为0 p + Nd n Na = 0 施主和受主可以相互补偿 p = n + Na Nd n = p + Nd Na 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 8. 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 公式 不成立 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
7、和空穴成对产生或复合 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 9. 载流子的输运 漂移电流 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 扩散电流 电子扩散电流 ： 空穴扩散电流 ： 爱因斯坦关
8、系: 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合 过剩载流子的扩散过程 扩散长度扩散长度L L n n 和和L L p p : L=(D: L=(D ) )1/2 1/2 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 方程的形式1 方程的形式2 电荷 密度 (x) 可
9、动的 载流子（n,p) 固定的 电离的施主、受主 特例： 均匀Si中 ，无外加 偏压时， 方程RHS 0， 静电势为 常数 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 电流密度方程 载流子的输运方程 在漂移扩散模型中 扩散项 漂移项 方程形式1 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 爱因斯坦关系 波耳兹曼关系 方程形式2 电子和空穴的准费米势 ： 费米势 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 重 点 半导体、N型半导体、P型半导体、本
10、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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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。 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 北京大学北京大学 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 *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
11、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半导体器件物理基础 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 PN结的结构 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 1. PN结的形成 NP 空间电荷区XM 空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层 X XN N X XP P 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2. 平衡的PN结：没有外加偏压 能带结构能带结构 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 自建场和自建势自建场和自建势 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子
12、学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 自建势qVbi 费米能级平直 平衡时的能带结构 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3.正向偏置的PN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 N区P区空穴 ： 正向电流正向电流 电子：P区N区 扩散 扩散 漂移 漂移 NP 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研
13、究所 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 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 NP 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 N区P区电子： 扩散 漂移 空穴 ： P区N区 扩散 漂移 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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Vbi0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究
14、所 6. PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳/隧穿击穿 7. PN结电容 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2.4 双极晶体管 1. 1. 双极晶体管的结构双极晶体管的结构 由两个相距很近的由两个相距很近的PNPN结组成：结组成： 分为：分为：NPNNPN和和PNPPNP两种形式两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度 发射区收集区基区 发 射 结 收 集 结 发 射 极 收 集 极 基极 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管的双极晶体管的两种形式两种形式：NPNNPN和和PNPPNP NPNNPN c c b b e e c c b b
15、 e e PNPPNP 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 双极晶体管双极晶体管 的结构和版的结构和版 图示意图图示意图 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 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 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 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 NPNNPN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 电子流电子流 空穴流空穴流 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 2.3 NPN2.3 NPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态 共基极 共发射极 共收集极 共基极共基极 共发射极共发射极 共收集极共收集极 N N P 晶体管的共收集极接法 c b e 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 3. 3. 晶体管的直流特性晶体管的直流特性 3.1 3.1 共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线 三个区域三个区域 ： 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 北
