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1、第二章半导体物理及器件物理基础,天津工业大学通信与信息工程学院,基本内容,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,半导体物理基础知识,器件物理基础知识,第二章半导体物理及器件物理基础,本章主要专业词汇,Semiconductor; Carrier; Donor; Electron; Acceptor; Hole; Electron-Hole pair(e-h); Doping; Doping Concentration; Mobility; Drift Velocity; Diffusion Velocity;,第二章半导体物理及器件物理基础,2.1 半导
2、体及其基本特性,半导体材料的主要特点； 半导体中的载流子； 半导体的掺杂； 半导体的电导率和电阻率； 迁移率；,第二章半导体物理及器件物理基础,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？,从导电特性和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制,第二章半导体物理及器件物理基础,一、 半导体的结构及特性,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,第二章半导体物理及器件物理基础,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半
3、导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS,第二章半导体物理及器件物理基础,半导体的基本特性,半导体材料的电导率随温度的上升而指数增加； 半导体中的杂质种类和数量决定其电导率； 光辐射、电注入等方式可以改变电导率； 在半导体中可以实现非均匀掺杂。,第二章半导体物理及器件物理基础,二、半导体中的载流子(Carrier)：能够导电的自由粒子,本征半导体：n=p=ni,第二章半导体物理及器件物理基础,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
4、形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,第二章半导体物理及器件物理基础,三、 半导体的掺杂(Doping),受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,第二章半导体物理及器件物理基础,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,第二章半导体物理及器件物理基础,四、 半导体的电导率和电阻率,n型： p型：,半导体的电导率一方面取决于杂质浓度，另一方面取决于迁移率的大小。,第二章半导体物理及器件物理基础,五
5、、 Mobility,迁移率是反映半导体中导电能力的重要参数； 迁移率直接决定着载流子输运（漂移和扩散）的快慢； 迁移率：,第二章半导体物理及器件物理基础,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,第二章半导体物理及器件物理基础,载流子的散射,晶格散射：规则排列的原子晶格的无规则热运动引起的。（当温度升高时，晶格散射增强）； 电离杂质散射：电离杂质形成的正、负电中心对载流子的吸收或排斥作用。（电离杂质散射随温度变化的趋势与晶格散射相反，温度越低，散射作用越强； P20图2.4,第二章半
6、导体物理及器件物理基础,第二章半导体物理及器件物理基础,2.2 半导体中的载流子,半导体中的能带 多子和少子的热平衡 电子的平衡统计规律 过剩载流子,第二章半导体物理及器件物理基础,主要专业词汇,Energy band; energy level; forbidden band; energy band diagram; band model; band theory; bandgap; conduction band; valence band; majority carrier; minority carrier; excess carrier; pn junction; depletio
7、n region; space charge region; breakdown; barrier capacitance; diffused capacitance; BJT (Bipolar Junction Transistor); polysilicon; MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor); source; drain; gate; subthreshold;,第二章半导体物理及器件物理基础,一、 半导体中的能带(Energy band),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：
8、 原子中的电子做稳恒的运动，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，电子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。,第二章半导体物理及器件物理基础,能级与能带,半导体晶体中的电子的能量不象孤立原子那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。,第二章半导体物理及器件物理基础,价带(Valence band)：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带(Conduction band)： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能
9、带 禁带(Forbidden band)：导带底与价带顶之间能带 带隙(band gap)：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,第二章半导体物理及器件物理基础,电子和空穴的产生,价电子从价带跃迁到导带，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； 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。,第二章半导体物理及器件物理基础,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,杂质量子态的能级处在禁带之中。掺杂就是在禁带中引入能级。,第二章半导体物理及器件物理基础,本征载流子浓度： n=p
10、=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关，温度一定时为常数。,二、多子和少子的热平衡,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,第二章半导体物理及器件物理基础,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,第二章半导体物理及器件物理基础,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,第二章半导体物理及器件物理基础,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：,
11、p = n + Na Nd n = p + Nd Na,在掺杂的半导体中，多子和少子浓度是通过多子和少子平衡的基本公式 np=ni2和电中性条件来确定。,第二章半导体物理及器件物理基础,非本征半导体载流子浓度（杂质浓度ni，所以可以忽略少子浓度）： 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,非本征半导体载流子浓度,本征载流子浓度： n=p=ni 且 np=ni2,第二章半导体物理及器件物理基础,三、电子的平衡统计规律,所谓电子的平衡统计规律是大量电子作微观运动时表现出来的规律； 费米分布函数： EF以下的能级基本上被电子填满，EF以
12、上的能级则基本是空的； N型半导体的EF位于禁带的上半部，掺杂浓度越高，EF便越高，导带中的电子越多；,第二章半导体物理及器件物理基础,四、 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，称这些超出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,第二章半导体物理及器件物理基础,准费米能级,就导带和价带内部而言，基本上处于平衡状态，而导带和价带之间又是不平衡的，这种既平衡又不平衡的状态，称为准平衡状态； 准平衡状态下，各自局部的费米能级称为“准费米能级”； 导带的准费米能级为电子准费米能级EF
13、n ；价带的准费米能级为空穴准费米能级EFp 。,第二章半导体物理及器件物理基础,载流子的输运,载流子在电场作用下的运动称为漂移运动，其电子漂移电流为： 载流子在化学势的作用下的运动称为扩散运动，其电子扩散电流为： 爱因斯坦关系：,第二章半导体物理及器件物理基础,过剩载流子的扩散,漂移-扩散模型中半导体载流子的输运方程：,过剩载流子的扩散过程,扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2,第二章半导体物理及器件物理基础,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
14、、产生、复合,第二章半导体物理及器件物理基础,半导体器件物理基础,天津工业大学通信与信息工程学院,集成电路中的半导体器件,集成电路中使用的半导体器件可分为两大类：有源器件和无源器件。有源器件包括二极管、双极型晶体管(BJT)和MOS晶体管，无源器件包括电阻和电容。 这部分内容主要阐述PN结、双极型晶体管、MOS晶体管的基本特性。这些是理解集成电路原理所必须的基础知识。,第二章半导体物理及器件物理基础,2.3 pn结,pn结的结构 pn结的单向导电性能 平衡pn结 pn结的正向特性 pn结的反向特性 pn结击穿 pn结电容,第二章半导体物理及器件物理基础,一、 pn结的结构,第二章半导体物理及器
15、件物理基础,pn结最显著的特点是具有整流特性，它只允许电流沿一个方向流动，不允许反向流动。,二、 pn结的单向导电性能,第二章半导体物理及器件物理基础,正向偏置的PN结，电流随电压的增加而迅速增加。反向偏置的PN ，电流很小基本可以忽略不计。,第二章半导体物理及器件物理基础,三、平衡pn结,空间电荷区耗尽层势垒区,第二章半导体物理及器件物理基础,pn结空间电荷区（耗尽区）,形成的原因：载流子的漂移和扩散运动,第二章半导体物理及器件物理基础,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
16、没有外加偏压，费米能级处处相等,第二章半导体物理及器件物理基础,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),第二章半导体物理及器件物理基础,四、 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，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,第二章半导体物理及器件物理基础,正向的pn结电流输运过程,第二章半导体物理及器件物理基础,五、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，漂移大于扩散，PN结的反向抽取作用。,反向偏置时的能带图,第二章半导体物理及器件物理基础,反向PN结的电流输运,第二章半导体物理及器件物理基础,六、pn结击穿,pn结反偏时，电流很小，但当电
