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1、半导体器件半导体器件半导体器件原理半导体器件原理秦明秦明东南大学东南大学MEMSMEMS教育部重点实验室教育部重点实验室Tel:025-83792632 ext.8809Email:半导体器件半导体器件半导体器件原理半导体器件原理教材:半导体器件基础，半导体器件基础，Robert F. Pierret著，黄如等译，著，黄如等译，电子工业出版社电子工业出版社参考书：半导体器件物理半导体器件物理, 刘树林等编著刘树林等编著,电子工业出版社电子工业出版社微电子技术基础微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理，电双极、场效应晶体管原理，电子工业出版社，曹培栋编著子工业出版社，曹培栋编著 半导体器件半导体
2、器件半导体器件半导体器件1 1半导体物理基础半导体物理基础2pn结结3BJT4MOSFET5JFET/MESFET简介简介半导体器件半导体器件固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体（主要是半导体研究在固体（主要是半导体材料上构成材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科微电子学简介微电子学简介:半导体物理基础半导体物理基础半导体器件半导体器件微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高
3、集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域： 光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体物理基础半导体物理基础半导体器件半导体器件固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体材料的纯度和晶体结构纯度纯度极高，杂质1013cm-3结构结构半导体器件半导体器件晶体结构晶体结构单胞单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结
4、构的最小单元三维立方单胞三维立方单胞 简立方、 体心立方、 面立方半导体器件半导体器件半半 导导 体体 有有: 元元 素素 半半 导导 体体 如如Si、Ge化化 合合 物物 半半 导导 体体 如如GaAs、InP、ZnS原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构： 构成一个正四面体，构成一个正四面体，具有具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体半导体的结合和晶体结构的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构半导体器件半导体器件密勒密勒(Miller)指数指数半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件(111)晶面晶面原子面密度比原子面密度比(100)(100)晶
5、面稍高晶面稍高: :7.8 x 1014 atoms / cm2半导体器件半导体器件半导体中的缺陷半导体中的缺陷点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错半导体器件半导体器件+14半导体的能带与杂质能级电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiH半导体器件半导体器件半导体模型半导体模型价键模型空穴空穴电子电子半导体器件半导体器件半导体的半导体的能带能带 （价带、导带和带隙价带、导带和带隙半导体器件半导体器件价带：价带：0K0K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带：导带：0K0K条件下未被电子填充的能量的能
6、带条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E Eg g半导体器件半导体器件电子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚：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后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚：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后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位电子浓度电子浓度空穴浓度空穴浓度其中其中NC、NV分别为
7、等效态密度，分别为等效态密度，Ef为费米能级为费米能级半导体中的半导体中的载流子载流子半导体器件半导体器件半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体半导体器件半导体器件载流子的特性载流子的特性电荷有效质量An electron moves with a certain characteristic mass (from F=ma) in vacuumIn a solid, F=ma changes, so we can model this change via an “effective” mass半导体器件半导体器件有效质量在一个电场中，电子和空穴的加速度为：半导体器件半导体器件施主施主：掺
8、入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As 受主受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的B BN型半导体型半导体 P型半导体型半导体BAs半导体的半导体的掺杂掺杂半导体器件半导体器件施主和受主的相互补偿施主和受主的相互补偿施主能级施主能级 受主能级受主能级半导体器件半导体器件态密度态密度根据量子力学，当
9、电子能量为根据量子力学，当电子能量为E E，且距带边不远时，态，且距带边不远时，态密度为：密度为：半导体器件半导体器件费米分布函数费米分布函数在热平衡条件下，能量为在热平衡条件下，能量为E E的有效状态被电子占据的有效状态被电子占据的几率为的几率为半导体器件半导体器件平衡载流子分布平衡载流子分布简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示：半导体器件半导体器件平衡载流子浓度平衡载流子浓度导带中的电子浓度：价带中的空穴浓度：半导体器件半导体器件平衡载流子浓度平衡载流子浓度如果Ev+3kT=EF=Ec-3kT半导体器件半导体器件n和p的其他变换公式本征半导体时， 半导体器件半导体器件本征载流子浓度
10、本征载流子浓度本征费米能级本征费米能级本征载流子本征载流子半导体器件半导体器件杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度对掺杂半导体，半导体器件半导体器件举例半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件掺杂半导体掺杂半导体电中性条件：半导体器件半导体器件特殊情况半导体器件半导体器件举例掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？半导体器件半导体器件载流子浓度与温度的关系半导体器件半导体器件非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子的产生与复合半导体中载流子的输运有三种形式：扩散漂移产生和复合半导体器件半导体器件热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为半
11、导体器件半导体器件热能和热速度热能和热速度电子或空穴的平均动能半导体器件半导体器件漂移电流电流密度 半导体器件半导体器件迁移率迁移率单位电场下的平均漂移速度为迁移率半导体器件半导体器件影响迁移率的因素与散射有关与散射有关晶格散射晶格散射电离杂质电离杂质散射散射半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件漂移电流与电导率电导率电导率电阻率电阻率半导体器件半导体器件电阻率与掺杂的关系N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体半导体器件半导体器件扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动粒子从高浓度向低浓度区域运动半导体器件半导体器件热探针测量原理可以用来分辩硅片的导电类型可以用来分辩硅片的导电类型p-Sin-
12、SiA热探针冷探针电子扩散空穴扩散半导体器件半导体器件扩散电流半导体器件半导体器件半导体内总电流扩散+漂移半导体器件半导体器件能带弯曲能带弯曲当材料中存在电场时，能带能量变成位当材料中存在电场时，能带能量变成位置的函数置的函数半导体器件半导体器件场强场强势能势能半导体器件半导体器件扩散系数和迁移率的关系扩散系数和迁移率的关系考虑非均匀半导体半导体器件半导体器件爱因斯坦关系爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0半导体器件半导体器件产生和复合产生和复合产生产生电子和空穴（载流子）被创建的过程电子和空穴（载流子）被创建的过程复合复合电子和空穴（载流子）消失的过程电子和空穴（载流子）消失的过程产生和复合会
13、改变载流子的浓度，从而间接地影响电流产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流半导体器件半导体器件复合复合直接复合 间接复合 Auger复合半导体器件半导体器件产生产生直接产生 R-G中心产生 载流子产生 与碰撞电离半导体器件半导体器件过剩载流子和电中性平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性：电中性：半导体器件半导体器件由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的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子为过剩载流子平衡载流子满足费米狄拉克统计分布平衡载流子满足费米狄拉克统
14、计分布过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布且公式且公式不成立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载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程过剩载流子过剩载流子半导体器件半导体器件复合寿命复合寿命假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关，如果光突然关闭，闭， 和和 将随时间逐渐衰减直至将随时间逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常数称为寿命衰减的时间常数称为寿命 半导体器件半导体器件复合复合半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件1 1半导体物理基础半导体物理基础2PN结结3BJT4MOSFET5JFET/MESFET简介简介半导体器件半导体器
15、件PN结杂质分布结杂质分布PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间的边界型区之间的边界PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件更好地理解器件典型制造过程典型制造过程半导体器件半导体器件PN结杂质分布结杂质分布下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析 突变结突变结: 线性缓变结线性缓变结:浅结、重掺杂（浅结、重掺杂（3um） 或外延的或外延的PN结结半导体器件半导体器件PN结中的能带PN半导体器件半导体器件内建电势内建电势半导体器件半导体器件内建电势内建电势PNPN
16、结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度N ND D、N NA A、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度半导体器件半导体器件能带能带内建电势内建电势电场电场半导体器件半导体器件Poisson方程方程电荷和电势分布满足电荷和电势分布满足Poisson方程方程在中性区在中性区:半导体器件半导体器件耗尽近似耗尽近似半导体器件半导体器件耗尽层模型耗尽层模型在耗尽区在耗尽区P型一型一侧侧,N型一侧, 半导体器件半导体器件突变结耗尽区的电场与电势分布突变结耗尽区的电场与电势分布耗尽近似Possion方程：方程：半导体器件半导体器件电场分布电场分布积分一次：(x)-xpxn半导体器件
17、半导体器件电势分布由微分方程：边界条件：设在设在-x-xp p处处V=0 V=0 x xn n处处V=VV=Vbibi再积分一次：半导体器件半导体器件电势分布N型侧，X=0处，有半导体器件半导体器件耗尽层宽度电场随电场随x线性变化，在线性变化，在x=0时达最大值：时达最大值：半导体器件半导体器件耗尽层宽度耗尽层宽度半导体器件半导体器件VA 0条件下的突变结条件下的突变结外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VA上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA半导体器件半导体器件反偏反偏PN结结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？半导体器件半导体器件线性缓变
18、结线性缓变结半导体器件半导体器件线性缓变结线性缓变结-1令令V V(-W/2)=0, (-W/2)=0, 进一步解出进一步解出最大电场最大电场空间电荷区宽度空间电荷区宽度半导体器件半导体器件理想二极管方程PN结反偏时半导体器件半导体器件理想二极管方程PN结正偏时半导体器件半导体器件准费米能级半导体器件半导体器件定量方程基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于少于扩散长度。电中性区宽度远大于少于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在子在PNPN结中一维流动。结中一
19、维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, , 不考虑空间电不考虑空间电荷区的产生荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。在过渡区上。半导体器件半导体器件准中性区的载流子运动情况准中性区的载流子运动情况稳态时稳态时, 假设假设GL=0边界条件边界条件:欧姆接触边界欧姆接触边界耗尽层边界耗尽层边界半导体器件半导体器件边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)半导体器件半导体器件耗尽层边界耗尽层边界P型一侧型一侧PN半导体器件半导体器件耗尽层边界耗尽层边界(续续)
20、N型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关半导体器件半导体器件准中性区载流子浓度准中性区载流子浓度半导体器件半导体器件理想二极管方程理想二极管方程求解过程求解过程准中性区少子扩准中性区少子扩散方程散方程求求Jp(xn)求求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp)半导体器件半导体器件理想二极管方程理想二极管方程(1)新的坐标新的坐标:边界条件边界条件:-xp xn0xX半导体器件半导体器件空穴电流空穴电流一般解一般解半导体器件半导体器件电子电流电子电流P型侧型侧半导体器件半导体器件PN结电流结电流半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件PN结电流与温度的关系结电流与温度的关系半
21、导体器件半导体器件载流子电流载流子电流准中性区多子准中性区多子电流电流半导体器件半导体器件与理想情况的偏差与理想情况的偏差大注入效应大注入效应空间电荷区的复合空间电荷区的复合半导体器件半导体器件空间电荷区的产生与复合空间电荷区的产生与复合正向有复合电流正向有复合电流反向有产生电流反向有产生电流半导体器件半导体器件空间电荷区的产生与复合空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时反向偏置时,正向偏置时正向偏置时, 计算比较复杂计算比较复杂V VA A愈低，愈低，I IR-GR-G愈是起支配作用愈是起支配作用半导体器件半导体器件VAVbi时的大电流现象时的大电流现象串联电阻效应串联电阻效应q/kTLog(
22、I)VA半导体器件半导体器件VAVbi时的大电流现象时的大电流现象-1大注入效应大注入效应大大注注入入是是指指正正偏偏工工作作时时注注入入载载流流子子密密度度等等于于或或高高于于平平衡衡态态多多子子密密度度的的工工作作状状态。态。p pn nnnnono半导体器件半导体器件VAVbi时的大电流现象时的大电流现象-2半导体器件半导体器件VAVbi时的大电流现象时的大电流现象-3VA越大越大, 电流上升变缓电流上升变缓半导体器件半导体器件PN结的击穿特性结的击穿特性电流急剧增加电流急剧增加可逆可逆雪崩倍增雪崩倍增齐纳过程齐纳过程不可逆不可逆热击穿热击穿半导体器件半导体器件雪崩倍增击穿雪崩倍增击穿一
23、个载流子一个载流子的产生的产生雪崩击穿条件雪崩击穿条件半导体器件半导体器件雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系耗尽层中达到临界电场时耗尽层中达到临界电场时,将发生击穿将发生击穿半导体器件半导体器件雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系P+NN+E(x)X半导体器件半导体器件扩散结结深对击穿电压的影响结的形状平面结柱面结球面结改善措施深结扩散磨角法形成台面结分压环表面状态对击穿电压的影响半导体器件半导体器件雪崩击穿雪崩击穿通用公式通用公式单边突变结：单边突变结：线性缓变结：线性缓变结： 硅：硅：扩散结的雪崩击穿扩散结的雪崩击穿电压判断条件电压
24、判断条件：考虑边缘效应的通考虑边缘效应的通用公式：用公式：半导体器件半导体器件齐纳过程齐纳过程产生了隧穿效应产生了隧穿效应E隧道穿透几率隧道穿透几率P P：隧道长度隧道长度: :隧道击穿隧道击穿: VB6Eg/q半导体器件半导体器件两种击穿的区别掺杂浓度的影响外因如光照、离子轰击引起空间电荷区的电子、空穴增加，产生倍增效应温度的影响隧道效应具有负温度系数雪崩击穿具有正温度系数半导体器件半导体器件PN结二极管的等效电路结二极管的等效电路小信号加到小信号加到PN结上结上+ -vaVA+ -PNRsGC半导体器件半导体器件反向偏置结电容反向偏置结电容也称势垒电容或也称势垒电容或过渡区电容过渡区电容半
25、导体器件半导体器件反向偏置结电容反向偏置结电容-1半导体器件半导体器件反向偏置结电容反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量荷总量半导体器件半导体器件参数提取和杂质分布参数提取和杂质分布CV测量系统测量系统VA1/C2Vbi半导体器件半导体器件扩散电容扩散电容半导体器件半导体器件扩散电容扩散电容-1表现为电容形式表现为电容形式半导体器件半导体器件扩散电容扩散电容-2扩散电容与正向电流扩散电容与正向电流成正比成正比半导体器件半导体器件小信号小信号特性特性器件处理连续波时所表现器件处理连续波时所表现 出来的性能。出来的性能。工工作作频频率率低低，
26、不不考考虑虑电电容容效效应应时时，半导体器件半导体器件小信号小信号特性特性-1级数展开半导体器件半导体器件小信号等效电路小信号等效电路一维连续性方程：一维连续性方程：P Pn n表表示示为为稳稳态态值值与与交变分量之和交变分量之和得到：得到：id1与与va1之间之间满足线性变化关系满足线性变化关系半导体器件半导体器件PN结的开关特性结的开关特性理想开关电路理想开关电路RFRRVFVRvA(t)i(t)-0.1IR-IRIFts trri(t)tvA(t)t半导体器件半导体器件瞬态关断特性瞬态关断特性-2载流子的消失载流子的消失有一定时间有一定时间: :复合复合漂移漂移半导体器件半导体器件存储延
27、迟时间存储延迟时间考虑考虑p+n突变结突变结电流连续性方程：电流连续性方程：半导体器件半导体器件存储延迟时间存储延迟时间-1从从0+到到ts积分积分:半导体器件半导体器件存储延迟时间存储延迟时间-2少子寿命的测量少子寿命的测量记录器件的瞬态关断过程中的存储延迟时间记录器件的瞬态关断过程中的存储延迟时间, , 然后就可用前式计算然后就可用前式计算半导体器件半导体器件瞬态开启特性瞬态开启特性结电压从反偏迅速到结电压从反偏迅速到0偏偏, 再正偏再正偏i(t)IFtxnPno半导体器件半导体器件瞬态开启特性瞬态开启特性-1分离变量分离变量, 积分积分半导体器件半导体器件瞬态开启特性瞬态开启特性-2稳态时稳态时上升过程中上升过程中:半导体器件半导体器件小结小结瞬态关断特性瞬态关断特性在准中性区储存的少在准中性区储存的少子必须消除子必须消除, , 需要时需要时间间, , 导致导致PNPN结上电压结上电压不能突变不能突变瞬态开启特性瞬态开启特性准中性区的少子从准中性区的少子从“欠欠”到到“过过”, ,需要需要时间时间, , 导致导致PNPN结上电结上电压不能突变压不能突变
