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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 构北京大学北京大学 微电子学研究所微
2、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. 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. 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
3、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
4、 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=ni2ni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
5、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pP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0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = 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
6、 Nd 空穴 p ni2/Ndp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
7、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 Ln n和和L Lp p: L=(D: L=(D ) )1/21/2北京大学北京大学 微电子学研
8、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RHS0，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
9、 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
10、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 NX 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)
11、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
12、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
13、学 微电子学研究所微电子学研究所 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PNPPNPNPNNPNc cb be ec cb be ePNPPNP北京大学
14、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
15、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NNP晶体管的共收集极接法cbe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3.2 3.2 共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数4.1 4.1 晶体管的电流增益（放大系数晶体管的电
16、流增益（放大系数共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和交流放大系数交流放大系数 0 0 、 两者的关系两者的关系共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数交流放大系数交流放大系数 0 0、 北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数4.2 4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流反向漏电流I Icbocbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流I Ieboebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流I Iceoceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，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主要参数之一北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学研究所 4. 4. 晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续（续）4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压BVBVcbocboBvBvceoceoBVBVeboeboBVBVeeoeeo晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一北京大学北京大学 微电子学研究所微电子学
