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1、1,集成电路设计基础,2,常用半导体器件,4.1 半导体基础知识,能带,1、孤立原子能级 原子中电子分层绕核运动，从能量观点看，在各 层轨道上运动的电子具有一定的能量，这些能量 是不连续的，只能取某些确定的数值，称为能级， 可以用电子的能级来描述这些材料； 2、共有化运动 原子的电子壳层交叠；子壳层间电子相互转移 运动。3、能带形成 每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，但原子彼此靠近时，共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用，这使得电子能量发生微小变化，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能带与之
2、对应，所有这些能带称为允许带，相邻两个允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态，称为禁带。,4,导带、价带(满带)和禁带a、导带激发态形成的能带；电子未填满或空带；电子在电场作用下形成电流。b、价带价电子所填充的能带；如价带中所有量子态均被电子占满，称为满带，满带不具有导电作用。无任何电子占据的能带称为空带。c、禁带导带与价带间的能量间隔。,5,1 价带为未满带能导电 2 价带为满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠,电子遵循费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布规律。能量为E的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为：,费米分布函数,晶体中电子的能量状态呈能带分布， 那么晶体中
3、电子本身又是如何按照能量分布的呢？,空穴分布几率,7,费米能级物理意义,T=0K时：E EF , f(E) 0 费米能级以下能级完全被电子填满， 费米能级以上的能级全空，没有一 个电子 T0K时：E 1/2E =EF , f(E) = 1/2E EF , f(E) p 掺杂目的！电子称为多数载流子(简称多子Majority carriers)；空穴称为少数载流子(简称少子Minority carrier)。,5 价杂质原子称为施主(Donor)原子， 作用是 提供导电电子。,价带,导带,施主能级,电离能,杂质（多子 ）,自由态（导电子 ）,束缚态,N 型半导体,约 0.044eV,按能带图(E
4、nergy band diagram)的意义如何理解？,靠近导带 容易脱离,多数载流子(多子)富裕的载流子 少数载流子(少子)稀少的载流子,以 N 型半导体为例,杂质电离,本征激发,少子,多子,杂质的贡献很大,+,施主电离,浓度决定于掺杂原子的浓度,浓度决定于温度,成对出现,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼B、镓Ga、铟In等，即 构成P型半导体(或称空穴型半导体) 。,3 价杂质原子称为受主(Acceptor)原子， 作用是 提供导电空穴。,P 型半导体,受主电离,P 型半导体,杂质（多子 ）,束缚态,自由态（导电空穴 ）,受主能级,价带,导带,电离能,注意：能带图是按电子的能量
5、标注的,电子,空穴,空穴浓度多于电子浓度，即 pn 。空穴(Holes)为多数载流子，电子(Electrons)为少数载流子。,说 明：,掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,T =300K(27)室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n0 = p0 = 1.51010/cm3,掺杂后 N型半导体中的自由电子浓度: n = 51016/cm3,本征硅的原子浓度: 5.01022/cm3,以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3，本征激发较少。,Three par
6、ameters,应该满足：,负电荷：,正电荷：,N型半导体的载流子浓度,电中性条件：,施主能级被占据几率为：,受主能级被空穴占据几率为：,杂质半导体载流子浓度与费米能级,杂质能级与能带中能级的区别：能带中能级可以容纳两个自旋相反的电子，而杂质能级只能容纳一个任意自旋的电子；所以杂质能级被占据的几率不能用标准的费米分布函数。,电离受主浓度,受主能级上的空穴浓度,电离施主浓度,施主能级上的电子浓度,施主能级上的电子浓度就是没有电离的施主杂质浓度；受主能级上的空穴浓度就是没有电离的受主杂质浓度。 杂质有多少电离，显然取决于杂质能级与费米能级的相对位置。以施主为例：当ED-EFk0T时，杂质几乎全部电
7、离， 反之当EF-EDk0T时，施主杂质几乎没有电离。当EF=Ed时，杂质1/3电离。,29,非简并半导体:掺入杂质原子的浓度与晶体或者半导体原子浓度相比很小，这些少量杂质原子的扩散速度足够快，因此施主电子间不存在相互作用，杂质会在半导体中引入分立的、无相互作用的杂质能级简并半导体：当杂质浓度增加，杂质原子间距缩小，施主电子开始相互作用，单一的分立的杂质能级将分裂为一个能带，随着杂质浓度升高，杂质能带宽度增加，当掺入杂质原子浓度与有效状态密度可比拟，杂质能带可能与导带底相交叠,杂质的补偿作用工艺的需要，因器件很小,补偿：在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质提供的自由电子和受主杂质
8、具有相互抵消的作用。,用 和 表示施主和受主浓度,受主能级,施主能级,导带中的电子浓度：,N 型半导体基体,有效施主浓度,掺磷,掺硼,高浓度扩散,高浓度扩散,转型,再转型,补偿型本征半导体材料：半导体杂质的存在会影响半导体中载流子的迁移率、寿命等，因此补偿型本征半导体材料的性质比本征半导体材料差。,同时含一种施主杂质和一种受主杂质,同时含若干种施主杂志和若干种受主杂质,一般情况的电中性条件-杂质补偿,32,第四章 常用半导体器件,4.2 PN结,33,结面,基体,衬底（外延层）,PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们交界面就形成PN结，PN结具有单向导电
9、性,平衡 PN 结,在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能过渡区域；,平衡PN结就是指没有外加电压、光照和辐射等的PN结。,结面,基体,衬底（外延层）,35,平衡pn结空间电荷区与自建电场形成1）相互接触时，在交界面处存在着电子和 空穴的浓度差，p区和n区多子分别向对方扩散 2）界面p区侧留下固定离化受主负电荷， n区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为空间电荷，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷区或者耗尽层。 3）正-负电荷间产生电场， 该电场称为空间电荷区自建电场； 4）自建电场使空间电荷区内的电子和空穴 产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；,36,
10、空间电荷区与自建电场形成 5）随扩散运动的进行，空间电荷区正、 负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变 宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电 子和空穴的漂移运动也不断加强; 6）电子和空穴各自的扩散（扩散流）与 漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电 荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、 空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平 衡，两个相反的运动大小相等、方向相反； 形成稳定分布。 7）电中性决定了空间电荷区内 正、负空间电荷量相等。,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻,漂移运动 电场力 少子,扩散运动 浓度差 多子,37,接触电位差（扩散势，内建电场） (以突变结为例) 自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由 p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用bi表示。在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到接触电位差,
