半导体器件物理(详尽版)

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1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 1 章半导体特性半导体特性 1.1 1.1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.2 1.2 半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性1.3 1.3 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带1.4 1.4 半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷1.5 1.5 载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子的运动1.6 1.6 非平衡载流

2、子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子1.7 1.7 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合 本章重点本章重点本章重点本章重点(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.11.1 电阻率介于导体

3、和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于1010-8-8mm），），），），绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于10106 6mm）。）。）。）。 半导体半导体五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构 简单立方结构简单立方结构简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构 面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌

4、矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构 晶体晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。 釙釙釙釙(Po) (Po) (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半

5、导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为晶格。晶格。晶格。晶格。体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（钼（钼（钼（MoMo）钨（钨（钨（钨（WW） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（

6、铝（AlAl）铜（铜（铜（铜（CuCu）金（金（金（金（AuAu）银（银（银（银（AgAg） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe） 由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。长度相互嵌

7、套而成。长度相互嵌套而成。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理大量的硅（大量的硅（大量的硅（大量的硅（SiSi）、锗）、锗）、锗）、锗（GeGe）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构， 。这。这。

8、这。这四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的价电子对。价电子对。价电子对。价电子对。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器

9、件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构砷化镓（砷化镓（砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）磷化镓磷化镓磷化镓磷化镓(GaP) (GaP) 硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnS) (ZnS) 硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS) (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体硅（硅（硅（硅（Si

10、Si）锗（锗（锗（锗（GeGe）族元素族元素族元素族元素 如铝如铝如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓、镓、镓(Ga)(Ga)、铟、铟、铟、铟(In)(In)和和和和 族元族元族元族元素素素素 如磷如磷如磷如磷(P)(P)、砷、砷、砷、砷(As)(As)、锑锑锑锑(Sb)(Sb)合成的合成的合成的合成的-族化族化族化族化合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角

11、落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。例例例例1-11-1解解解解(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习练习练

12、习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。解解解解(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师

13、范大学半导体器件物理半导体器件物理例例例例1-21-2硅（硅（硅（硅（SiSi）在）在）在）在300K300K时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为5.435.43。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为28.09g/mol28.09g/mol） 解解解解(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导

14、体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的各向异性晶体的各向异性 沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同 。 晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体

15、不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理在在在在ACCAACCA平面

16、平面平面平面内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，在在在在ADDAADDA平面平面平面平面内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，且这两个平面且这两个平面且这两个平面且这两个平面内原子的间距内原子的间距内原子的间距内原子的间距不同。不同。不同。不同。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向

17、的不同取向。密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：（1 1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；（2 2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最

18、简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；（3 3）将此结果以）将此结果以）将此结果以）将此结果以“ “（hklhkl）” ”表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密勒指数。勒指数。勒指数。勒指数。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理如图，晶面如图，晶面如图，晶面如图，晶面ACCAACCA在在在在坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的截距为截距为截距为截距为1 1，1

19、 1， ，其倒数为其倒数为其倒数为其倒数为1 1，1 1，0 0，此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示为（为（为（为（110110），），），），此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指数）即为数）即为数）即为数）即为110110；晶面晶面晶面晶面ABBAABBA用密勒指用密勒指用密勒指用密勒指数表示为（数表示为（数表示为（数表示为（ ）；）；）；）；晶面晶面晶面晶面DACDAC用密勒指数用密勒指数用密勒指数用密勒指数表示为（表示为（表示为（表示为（ ）。）。）。）。100111 (施敏)半导体器件物理(详尽版

20、)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习试求试求ADDA的密勒指数。的密勒指数。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶列指数晶列指数晶向指数晶向指数任何两个原子之间的任何两个原子之间的连线在空间有许多与连线在空间有许多与它相同的平行线。它相同的平行线。一族平行线所指的方一族平行线所指的方向用晶列指数表示向用晶列指数表示晶列指数是按晶列矢晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影量在坐标轴上的投影的比例

21、取互质数的比例取互质数111、100、110(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面的平行晶面一族平行晶面用晶面指数来表示一族平行晶面用晶面指数来表示它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质数质数(111)、(100)、(110)相同指数的晶面和晶列互相垂直。相同指数的晶面和晶列互相垂直。(施敏)半导体器件物

22、理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.21.2半导体的电性能半导体的电性能半导体的电性能半导体的电性能温度与半导体温度与半导体温度与半导体温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。 金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加

23、，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）； 半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。 对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测

24、量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体 杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对

25、半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。 例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14102.14107 7mm，若，若，若，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20m20m。 虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻

26、率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理光照与半导体光照与半导体光照与半导体光照与半导体 光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。

27、光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。 例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（CdSCdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。 成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电

28、阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体 除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。料的导电能力。料的导电能

29、力。料的导电能力。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理硅硅硅硅（SiSi） 在在在在2020世纪世纪世纪世纪5050年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自6060年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制

30、造的主要材料。 现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器

31、件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%25%，仅次于氧。，仅次于氧。，仅次于氧。，仅次于氧。 到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元

32、素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.31.3半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子电子电子电子电子静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。量子力

33、学量子力学量子力学量子力学 虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。轨道轨道轨道轨道 电子云在空间分布几

34、率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几率最大。率最大。率最大。率最大。 电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。- -E1E2E3原子核原子核原子核原子核能级能级能级能级(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体中的电子晶体中的电子晶体中的

35、电子晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以

36、转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个

37、晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材料大多是料大多是料大多是料大多是单晶体单晶体单晶体单晶体。单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量级。级。级。级。(施敏)半导体器件物

38、理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共有化运动共有化运动共有化运动共有化运动由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电子共有化。子共有化。子共有化。子共有化。在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，

39、内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。半导体中的电子是在周期性排列半导体中的电子是在

40、周期性排列且固定不动的大量原子核的势场且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的和其他大量电子的平均势场平均势场中运动。中运动。这个平均势场也是这个平均势场也是周期性变化周期性变化的，的，且周期与晶格周期相同。且周期与晶格周期相同。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。带演变的示意图。能级能级能级能

41、级能带能带能带能带(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 允带允带允带允带 禁带禁带禁带禁带 满带满带满带满带 空带空带空带空带允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能量状态量状态量状态量状态被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准连续的能量状态连

42、续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 满带不导电满带不导电满带不导电满带不导电没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 空带也不导电空带也不导电空带也不导电空带也不导电 图图图图1-5 1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 导带导带

43、导带导带 价带价带价带价带 有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。常称为价带。常称为价带。常称为价带。 禁

44、带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度/E/Eg g 导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：eVeV（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图图图图1-6 1-6 导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图 能带被电能带被电能带被电能

45、带被电子部分占子部分占子部分占子部分占满，在电满，在电满，在电满，在电场作用下场作用下场作用下场作用下这些电子这些电子这些电子这些电子可以导电可以导电可以导电可以导电禁带很禁带很禁带很禁带很宽，价宽，价宽，价宽，价带电子带电子带电子带电子常温下常温下常温下常温下不能被不能被不能被不能被激发到激发到激发到激发到空的导空的导空的导空的导带带带带禁带比较窄，常禁带比较窄，常禁带比较窄，常禁带比较窄，常温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有少数电子填充的少数电子填充的少数电

46、子填充的少数电子填充的导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都能带电能带电能带电能带电36eV36eV硅硅硅硅1.12eV1.12eV锗锗锗锗0.67 eV0.67 eV砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓1.42 eV 1.42 eV (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 空穴空穴空穴空穴 价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的空的空的空的量子状态量子状态量子

47、状态量子状态，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带带正电荷的正电荷的“准粒子准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。电子而留下的空位称为空穴。所以，所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。这与金属导体导

48、电有很大的区别。 图中图中图中图中“ ”“ ”表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子 ; ;图中图中图中图中“ ”“ ”表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理思考思考既然半导体电子和空穴都能导电，而导既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？能力比导体差？(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物

49、理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图图1-7 一定温度下半导体的能带示意图一定温度下半导体的能带示意图 导带底导带底导带底导带底E EC C 价带顶价带顶价带顶价带顶E EV V 禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度 E Eg g 本征激发本征激发本征激发本征激发 导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高能量价带电子的最高能量 Eg=Ec-Ev 由于温度，价键上的电子由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带即价带电子激发成为导带电子的过程电子的过程 。(施敏)半导体器件物理(详尽版

50、)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理注意三个注意三个“准准”准连续准连续准粒子准粒子准自由准自由(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习整理空带、满带、半满带、价带、导带、整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。念。简述空穴的概念。简述空穴的概念。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器

51、件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.41.4半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 理想的半导体晶体理想的半导体晶体理想的半导体晶体理想的半导体晶体 实际应用中的实际应用中的实际应用中的实际应用中的半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料 十分纯净十分纯净不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严格晶格中的原子严格按周期排列的按周期排列的 原子并不是静止在具有严格周期性原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近衡位置附近振动振动并不是纯净的，而是含有若干并不是纯净的，而是含有若干杂质杂质，即在半导体晶格

52、中存在着与组成半即在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其他化学元素的导体的元素不同的其他化学元素的原子原子晶格结构并不是完整无缺的，而存晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的在着各种形式的缺陷缺陷(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理极其极其极其极其微量微量微量微量的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生和化学性质产生和化学性质产生和化学

53、性质产生决定性决定性决定性决定性的影响的影响的影响的影响 在硅晶体中，若以在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个个硅原子中掺入一个杂质杂质原原子的比例掺入硼（子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加下将增加103倍。倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错位错密度要求密度要求控制在控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。性能良好的器件。 （缺陷的一种）（缺陷的一种）（缺陷的一种）（缺陷的一种）例例例例1 1例例例例2 2(施敏)半导体器件物理(详

54、尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理理论分析认为理论分析认为理论分析认为理论分析认为由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子允许电子存在的能量状态（即存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决），从而对半导体的性质产生决定性的影响。定性的影响。 杂质来源杂质来源杂质来源杂质来源一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；二）

55、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污；三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，是空隙，这些空隙通常称为这些空隙通常称为间隙位置间隙位置。 杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式一）杂

56、质原子位于晶格一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，原子间的间隙位置，间隙式杂质间隙式杂质/填充填充；二）杂质原子取代晶格二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，原子而位于晶格格点处，替位式杂质替位式杂质/填充填充。 间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径

57、为）的半径为0.68 ，所，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。替位式杂质替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它，且它们的们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与、族元素的情况比较相近，所以族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。晶体中都是替位式杂质。 杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3 (施敏)半导体

58、器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级硅中掺入磷（硅中掺入磷（P）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个磷族元素杂质的作用。当一个磷原子原子占据占据了硅原子的位置，如了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为一个带个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（有一

59、个正电荷的磷离子（P+），），称为称为正电中心磷离子正电中心磷离子。其效果。其效果相当于形成了相当于形成了一个正电中心和一个正电中心和一个多余的电子一个多余的电子。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成为自由电

60、子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离。使。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电杂质电离能离能，用，用ED表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为子很容易挣脱原子的束缚成为导电

61、电子），在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为，在锗中电离能约为0.01 eV，比硅、锗的禁带宽，比硅、锗的禁带宽度小得多。度小得多。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生产生导电电子导电电子并形成并形成正电中心正电中心。施放电子的过程称为施放电子的过程称为施主电离施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态，电离后成为正

62、电中心，称为电离后成为正电中心，称为离化态离化态。 施主杂质施主杂质/N型杂质型杂质电子型半导体电子型半导体/N型半导体型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理施主能级施主能级用离导带底

63、用离导带底Ec为为ED处的处的短短线段线段表示，表示，施主能级上的小黑点表示施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子。箭头箭头表示被表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的跃迁到导带成为导电电子的电离过程电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电导带中的小黑点表示进入导带中的电子子， 表示施主杂质电离后带表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正电，成为不可移动的正点中心正点中心。 电子得到能量电子得到能量ED后，就后，就从施主的束缚态跃迁到从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，导带成为导电电子，被被施主杂质束缚时的电

64、子施主杂质束缚时的电子的能量比导带底的能量比导带底Ec低低ED，称为，称为施主能级施主能级，用，用ED表示。由于表示。由于ED远小远小于禁带宽度于禁带宽度Eg，所以，所以施施主能级位于离导带底很主能级位于离导带底很近的禁带中近的禁带中。由于施主。由于施主杂质相对较少，杂质原杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽子间的相互作用可以忽略，所以略，所以施主能级施主能级可以可以看作是看作是一些具有相同能一些具有相同能量的孤立能级量的孤立能级， (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理受主杂质

65、和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级硅中掺入硼（硅中掺入硼（B）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个硼原族元素杂质的作用。当一个硼原子子占据占据了硅原子的位置，如图所了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一个带有一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（一个负电荷的硼离子

66、（B-），称），称为为负电中心硼离子负电中心硼离子。其效果相当。其效果相当于形成了于形成了一个负电中心和一个多一个负电中心和一个多余的空穴余的空穴。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成为自由空穴在晶格中运动，

67、起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离杂质电离。使。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂质电杂质电离能离能，用，用EA表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），在硅中约为在硅中约为在硅

68、中约为在硅中约为0.0450.065eV0.0450.065eV，在锗中约为，在锗中约为，在锗中约为，在锗中约为0.01 eV0.01 eV。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴导电空穴，并形成并形成负电中心负电中心。受主杂质受主杂质/P型杂质型杂质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或

69、中性态中性态。 空穴型半导体空穴型半导体/P型半导体型半导体纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理受主能级受主能级用离价带顶用离价带顶EV为为EA处的处的短线段短线段表表示，示，受主能级上的小

70、圆圈表示被施主杂质束受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空穴缚的空穴。箭头箭头表示被束缚的空穴得到电离表示被束缚的空穴得到电离能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空位）的位）的电离过程电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴价带中的空穴，表示受主杂质电离后带负表示受主杂质电离后带负电，成为不可移动的电，成为不可移动的负点中心负点中心。 空穴得到能量空穴得到能量EA后，就后，就从受主的束缚态跃迁到从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，价带成为导电空穴，被被受主

71、杂质束缚时的空穴受主杂质束缚时的空穴的能量比价带顶的能量比价带顶EV低低EA，称为，称为受主能级受主能级，用，用EA表示。由于表示。由于EA远小远小于禁带宽度于禁带宽度Eg，所以受，所以受主能级位于价带顶很近主能级位于价带顶很近的禁带中的禁带中。由于受主杂。由于受主杂质相对较少，杂质原子质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，间的相互作用可以忽略，所以所以受主能级受主能级可以看作可以看作是是一些具有相同能量的一些具有相同能量的孤立能级孤立能级， (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物

72、理综上所述综上所述族元素族元素族元素族元素 族元素族元素族元素族元素掺入半导体，掺入半导体，掺入半导体，掺入半导体，分别成为分别成为分别成为分别成为受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质在禁带中引入了在禁带中引入了在禁带中引入了在禁带中引入了新的能级，分别为新的能级，分别为新的能级，分别为新的能级，分别为 施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低EED D 受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高EEA A 常温下，杂质都常温下，杂质都常温下，杂质都常温下，杂质都处于离化态处于离化态处于离

73、化态处于离化态 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 分别分别分别分别成为成为成为成为N N型半导体型半导体型半导体型半导体P P型半导体型半导体型半导体型半导体(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理施主施主 donor受主受主 ac

74、ceptor(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理关于能带图关于能带图关于能带图关于能带图电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看

75、作是两种所带电荷性质相反，电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。浅能级浅能级浅能级浅能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很

76、靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理杂质的补偿作用杂质的补偿作用杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题问题问题问题假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是N N型还是型还是型还是型还是P P型

77、型型型 ？答答答答应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理ND 施主杂质浓度施主杂质浓度 NA 受主杂质浓度受主杂质浓度n 导带中的电子浓度导带中的电子浓度 p 价带中的空穴浓度价

78、带中的空穴浓度假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当NDNA时，因为受主能级时，因为受主能级低于施主能级，所以施主杂低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到受主能质的电子首先跃迁到受主能级上，填满级上，填满NA个受主能级，个受主能级，还剩（还剩（ND-NA）个电子在施主）个电子在施主能级上，在杂质全部电离的能级上，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中条件下，它们

79、跃迁到导带中成为导电电子，这时，成为导电电子，这时，n=ND-NAND，半导体是，半导体是N型的型的 情况一情况一情况一情况一(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理情况二情况二情况二情况二当当NAND时，施主能级时，施主能级上的全部电子跃迁到受上的全部电子跃迁到受主能级上后，受主能级主能级上后，受主能级还有还有(NA-ND)个空穴，个空穴，它们可以跃迁到价带成它们可以跃迁到价带成为导电空穴，所以，为导电空穴，所以，p=NA-NDNA，半导体，半导体是是P型的型的 (施敏)半导体器件物

80、理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度经过补偿之后，半导体中的经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度净杂质浓度 当当ND NA时，则（时，则（ND-NA）为）为有效施主浓度有效施主浓度；当当NA ND时，则（时，则（NA-ND）为）为有效受主浓度有效受主浓度。 利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用以根据需要用扩散扩散或或离子注离子注入入等方法来改变半导体中某等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备一区域的导电类型，以制备各种器件。

81、各种器件。 若控制不当，会出现若控制不当，会出现NDNA的现象，的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿杂质的高度补偿）。这种材料容）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。际上却含有很多杂质，性能很差。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理深能级杂质深能级杂

82、质深能级杂质深能级杂质非非、族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非非、族元素产生的能级有以下两个族元素产生的能级有以下两个特点特点：（1）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。称为顶也较远。称为深能级深能级，相应的杂质称为，相应的杂质称为深能级杂质深能级杂质；（2）这些深能级杂质能产生）这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干引入若干个能级个能级。而且，。

83、而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级级。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体中的缺陷和缺陷能级半导体中的缺陷和缺陷能级 当半导体中的某些区域，晶格中的原子当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性周期性排列被破坏排列被破坏时就形成了各种缺陷。时就形成了各种缺陷。 缺陷分为缺陷分为三类三类： 点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子；：如空位，间隙原子，替位原子； 线缺陷：如线缺陷：如位错位错； 面缺陷：如层错等。面缺陷：如层错

84、等。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理点缺陷点缺陷在在一定温度一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常称之为（通常称之为热振动热振动），而且有一部分原子会获得足够的），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成形成间隙原子间隙原子，原来的位置就成为，原来的位置就成为空位空位。 弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷 肖特基

85、缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷 间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷 只在晶格内形成空位而无间隙原子只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷的缺陷 均由温度引起，又称之为均由温度引起，又称之为热缺陷热缺陷，它们总是，它们总是同时存在同时存在的。的。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。者又不断地复合，达到一个平衡

86、浓度值。 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多空位比间隙原子多得多，空位成了，空位成了常见的点缺陷。常见的点缺陷。 在在元素半导体硅、锗元素半导体硅、锗中存在的中存在的空位空位最邻近有四个原子，每个最邻近有四个原子，每个原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，因此空位表现出键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用受主作用。而每一个而每一个间隙原子间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的

87、价电子，有四个可以失去的未形成共价键的价电子，表现出表现出施主作用施主作用。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理位错位错 位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能也会产生很大的影响。的性能也会产生很大的影响。 在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂。由位错引入禁带由位错引入禁带的能级也十分复杂的能级也十分复杂。 根据实验测得，位错能级都是根据实验测得，位错能级都是深受主能级深受主能级。当位错密

88、度较。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的N型硅、锗中的载流子浓度降低，而对型硅、锗中的载流子浓度降低，而对P型硅、锗却没有这型硅、锗却没有这种影响。种影响。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习写出常见缺陷的种类并举例。写出常见缺陷的种类并举例。试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系。共同点和关系。位错对半导体材料和器件有什么影响？位错对半导体材料和器件

89、有什么影响？(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.51.5载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子载流子载流子载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。 载流子的产生载流子的产生载流子的产生载流子的产生本征激发本征激发 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离杂质电离 当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能

90、级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子； 当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴 载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理载流子的复合载流子的复合载流子的复合载流子的复合在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可

91、以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量。晶格放出一定的能量。载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减少(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在在一定温度一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起下，载流子产生和复合的过程建立起动态动态平衡平衡，即，即单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子- -空穴对数等于复合掉的电空穴对数等于复合掉的电空穴对数等于复合掉

92、的电空穴对数等于复合掉的电子子子子- -空穴对数空穴对数空穴对数空穴对数，称为热平衡状态。，称为热平衡状态。 这时，半导体中的这时，半导体中的 导电电子浓度和空穴浓度都保持一导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子热平衡载流子。 热平衡状态热平衡状态(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 实践表明，半导体的导电性与温度密切相实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实际上，这主要是由于

93、关。实际上，这主要是由于半导体中的载流子半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化浓度随温度剧烈变化所造成的。所造成的。 所以，要深入了解半导体的导电性，必须所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半导体中研究半导体中载流子浓度随温度变化的规律载流子浓度随温度变化的规律。 因此，解决如何计算一定温度下，半导体因此，解决如何计算一定温度下，半导体中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。题。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量在能量在EE+dE

94、范围内的电子数（统计方法）范围内的电子数（统计方法） 电子填充能级电子填充能级E的几率的几率N(E) 单位体积晶体中在能量单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度处的电子能级密度 能量为能量为E的状态密度的状态密度能量无限小量能量无限小量(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的电子状态密度（测不准关系）的电子状态密度（测不准关系） EC 导带底导带底 h h 普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数mn* 电子的有效质量电子的有效质量 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导

95、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的空穴状态密度的空穴状态密度mp* 空穴的有效质量空穴的有效质量EV 价带顶价带顶(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理有效质量有效质量 晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质量，所以引入有效质量的概念

96、。（当电子在外力作用下运量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进有效质量有效质量后可使问题变得简单后可使问题变得简单，直接把外力和电子的加速度联系起直接把外力和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效

97、质量加以概括来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。特别是。特别是有有效质量可以直接由试验测定效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）的运动规律。）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数 量为量为E的一个量子态被一个电子占据的几率的一个量子态被一个电子占据的几率E 电子能量电子能量 k0 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数 T 热力学温度热力学温度EF 费米能级费米能级 常数，大多数情况下，它的数值在半导

98、体能常数，大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数的特性狄拉克分布函数的特性当当T=0K时，时，若若EEF，则，则f（E）=

99、0绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级EF可看成量子态可看成量子态是否被电子占据的一个界限。是否被电子占据的一个界限。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当T0K时，时，若若E1/2若若E= EF，则，则f（E）=1/2若若E EF，则，则f（E）p0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带； P型半导体型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带； 掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。(施敏)半导体器件

100、物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度 当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生空穴，这就是去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发本征激发。由于。由于电子和空穴电子和空穴成对出现成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度 n0=p0 式（式（式（式（1-81-8）将式（将式（1-6）、（）、（1-7）代入（）代入（1-8），可以求

101、得本征半导体），可以求得本征半导体的费米能级的费米能级EF，并用符号，并用符号Ei表示，称为本征费米能级表示，称为本征费米能级式（式（式（式（1-91-9）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理式（式（式（式（1-91-9）等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米能级能级Ei基本上在禁带中线处。基本上在禁带中线处。 将式（将式（1-9）分别代入式（）分别代入式（1-6）、（）、（1-7），），可得本征半导体载流子浓度可得

102、本征半导体载流子浓度ni式（式（式（式（1-111-11）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理式（式（式（式（1-111-11） 一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上随温度上而迅速增加；而迅速增加； 不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度本征载流子浓度ni就越小。就越小。由（由（1-6）（）（1-7）得载流子浓度乘积，并与（）得载流子浓度乘积，并与（1-11）比较，可得）比较

103、，可得 n0p0=ni2 式（式（式（式（1-121-12）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在一定温度下，任何在一定温度下，任何非简并半导体非简并半导体（电子（电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级密度）的热平衡载流子浓度的乘积密度）的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温等于该温度下的本征半导体载流子浓度度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含的平方，与所含杂质无关。杂质无关。 式（式（1-12）不仅适用于本征半导体，而

104、且也）不仅适用于本征半导体，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。适用于非简并的杂质半导体材料。 n0p0=ni2 式（式（式（式（1-121-12）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表表1-1 300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一般来说，在室温下所有的

105、杂质都已电离，一个杂质原子可以一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以提供一个载流子；提供一个载流子；假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度 。N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 (ND为施主杂质浓度为施主杂质浓度) (NA为受主杂质浓度为受主杂质浓度) N型半导体中，电子为型半导体中，电子为多数载流子多数载流子（简称（简称多子多子），空穴为），空穴为少少数载流子数载流子（简称（简称少子少子）；）；P型半导体中，空穴为多数载流子，型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。(施敏)半导体器

106、件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理式（式（式（式（1-121-12）n0p0=ni2 由式（由式（1-12），可以确定少数载流子的浓度），可以确定少数载流子的浓度N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 由于由于ND（或（或NA）远大于）远大于ni，因此，因此在杂质半导体中少数载流在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度子比本征半导体的载流子浓度ni小得多小得多。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体

107、器件物理半导体器件物理本征激发时本征激发时 式（式（式（式（1-61-6）式（式（1-6）可改写如下）可改写如下 式式式式(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理式代入式（式代入式（式代入式（式代入式（1-61-6）可得）可得）可得）可得式式式式(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当一块半导体中同时掺入当一块半导体中同时掺入P型杂质和型杂质和N型杂质时，考虑室温下，型杂质时

108、，考虑室温下，杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为|ND-NA| 。多子浓度计算多子浓度计算多子浓度计算多子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 对于杂质浓度一定的半导体，随着对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高温度的升高，载流子则是载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过

109、程激发为主要来源的过程。相应地，。相应地，费米能级则从位费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处。 当当温度一定温度一定时，时，费米能级的位置由杂质浓度所费米能级的位置由杂质浓度所决定决定，例如，例如N型型半导体，随着施主浓度的增加，费米半导体，随着施主浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。 对于对于P型型半导体，随着受主杂质浓度的增加，费半导体，随着受主杂质浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。杂质浓度与费米能级的关系杂质浓度与费米能级的关系(施敏)半导体器

110、件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在杂质半导体中，在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。 对于对于N型型半导体，费米能级位于禁带中线以上，半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越越大，费米能级位置越高。大，费米能级位置越高。 对于对于P型型半导体，费米能级位于禁带中线以下，半导体，费米能级位于禁带中线以下，NA越越大，费米能级位置越低。如图大，费米能级位置越低。如图1-15所

111、示。所示。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理载流子的漂移运动载流子的漂移运动 半导体中的载流子在半导体中的载流子在电场作用电场作用下作漂移运动。下作漂移运动。在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原子在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原子或其他散射中心或其他散射中心 碰撞，速度和运动方向将会发碰撞，速度和运动方向将会发生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，也生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，也有可能把能量交给晶格，速度变小。有可能把能量交给晶格，速度变小。 平均自由程

112、平均自由程平均自由程平均自由程 大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值平均自由时间平均自由时间平均自由时间平均自由时间 大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律 以金属导体为例，在导体两端加以电压以金属导体

113、为例，在导体两端加以电压V时，时，导体内形成电流，导体内形成电流，电流强度电流强度为为 R为导体的为导体的电阻电阻，且，且阻值与导体的长度阻值与导体的长度l成正比，与截面积成正比，与截面积s成反比，成反比，为导为导体的体的电阻率电阻率。电阻率的倒数为电阻率的倒数为电导率电导率 ，即，即，即，即 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理电流密度电流密度 在半导体中，通常电流分布是在半导体中，通常电流分布是不均匀不均匀的，即流过的，即流过不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度不同截

114、面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度的概念，它定义为的概念，它定义为通过垂直于电流方向的单位面积的通过垂直于电流方向的单位面积的电流电流，用，用J表示，即表示，即 I：通过垂直于电流方向的面积元：通过垂直于电流方向的面积元s的电流强度的电流强度 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式一段长为一段长为l，截面积为，截面积为s，电阻率为，电阻率为的均匀导体，的均匀导体，若两端外加电压若两端外加电压V，则导体内部各处均建立起电场，则导体内部各处均建立

115、起电场，电场强度电场强度大小大小 电流密度电流密度 欧姆定律的微欧姆定律的微欧姆定律的微欧姆定律的微分形式分形式分形式分形式电流密度和电流密度和电流密度和电流密度和该处的电导该处的电导该处的电导该处的电导率及电场强率及电场强率及电场强率及电场强度直接联系度直接联系度直接联系度直接联系起来起来起来起来 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理漂移电流密度漂移电流密度导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向反方向作定向运动，构成电流

116、。电子在电场力作用下的这种运动称作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为为漂移运动漂移运动，定向运动的速度称为，定向运动的速度称为漂移速度漂移速度。 电子的平均漂移速度电子的平均漂移速度 一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是电流强度电流强度 n：电子的浓度：电子的浓度 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理平均漂移速度的大小与电场强度成正比平均漂移速度的大小与电场强度成正比 则则则则：电子的：电子的迁移率迁移率，习惯取正值，习惯取

117、正值表示单位场强下电子的平均漂移速度表示单位场强下电子的平均漂移速度(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理比较上面两个式子，可得比较上面两个式子，可得和和之间的关系之间的关系 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场 电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子

118、带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移空穴沿电场方向漂移。 半导体中的导电半导体中的导电作用应该是电子作用应该是电子导电和空穴导电导电和空穴导电的总和。的总和。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 un：电子迁移率：电子迁移率 up：空穴迁移率：空穴迁移率 Jn：电子电流密度：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度空穴电流密度 n：电子浓度：电子浓度 p：空穴浓度：空穴浓度 总电流密度总电流密度J 两式相比可以得到半导

119、体的电导率两式相比可以得到半导体的电导率 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半导体来说，它的导体来说，它的电导率主要取决于多数载流子电导率主要取决于多数载流子。 N N型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 电导率与载流子浓度电导率与载流子浓度和迁移率之间的关系和迁移率之间的关系本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体n n0 0=p=p0

120、0=n=ni i (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体的电阻率可以用半导体的电阻率可以用四探针四探针直接测量读出，比较方便，直接测量读出，比较方便，所以实际工作中常习惯用电阻率来讨论问题。所以实际工作中常习惯用电阻率来讨论问题。 N N型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体n n0 0=p=p0 0=n=ni i 在在300K时，时，本征硅的电阻率约为本征硅的电阻率约为 2.3105cm，本征锗的电阻

121、率约为本征锗的电阻率约为 47cm。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理电阻率与杂质浓度电阻率与杂质浓度成简单反比关系，成简单反比关系，杂质浓度越高，电杂质浓度越高，电阻率越小。阻率越小。 P21 P21 图图图图1-17 1-17 SiSi、GeGe和和和和GaAsGaAs的电阻率与杂质的电阻率与杂质的电阻率与杂质的电阻率与杂质浓度的关系浓度的关系浓度的关系浓度的关系(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技

122、师范大学半导体器件物理半导体器件物理例例例例1-41-4一块每立方厘米掺入一块每立方厘米掺入1016个磷原子的个磷原子的N型硅，求其在室温下的型硅，求其在室温下的电导率和电阻率。已知，电子的迁移率为电导率和电阻率。已知，电子的迁移率为1300cm2/(Vs)。 解解 在室温下，假设所有的施主杂质皆被电离，因此在室温下，假设所有的施主杂质皆被电离，因此 电导率电导率电导率电导率 电阻率电阻率 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理载流子的扩散运动载流子的扩散运动 分子、原子、电子等微观

123、粒子，在气体、液体、固体中都可分子、原子、电子等微观粒子，在气体、液体、固体中都可以产生扩散运动。以产生扩散运动。 只要只要微观粒子在各处的浓度不均匀微观粒子在各处的浓度不均匀，由于无规则热运动，就，由于无规则热运动，就可以引起粒子可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。的地方扩散。 扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的有规有规则则运动，但它与粒子的运动，但它与粒子的无规则无规则运动密切相关。运动密切相关。 对于一块均匀掺杂的半导体，例如对于一块均匀掺杂的半导体，例如N型半导体，电离施主带型半导体，电离施主

124、带正电，电子带负电，由于电中性的要求，各处电荷密度为零，正电，电子带负电，由于电中性的要求，各处电荷密度为零，所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而均匀材料均匀材料中不会发生载流子的扩散运动中不会发生载流子的扩散运动。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理扩散流密度扩散流密度 t1时刻在晶体内的某时刻在晶体内的某一平面上引入一些载流子，一平面上引入一些载流子，由于载流子热运动的结果，由于载流子热运动的结果，在在x=0处原来高密度的

125、载处原来高密度的载流子要向外扩散，直至载流子要向外扩散，直至载流子均匀分布于整个区域流子均匀分布于整个区域内。内。单位时间内通过单位面积的载流子数目。单位时间内通过单位面积的载流子数目。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理费克第一定律费克第一定律扩散流服从费克第一定律。扩散流服从费克第一定律。 F 扩散流密度扩散流密度 D 扩散系数扩散系数N 载流子密度载流子密度 扩散电流密度扩散电流密度电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半

126、导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理稳态扩散方程稳态扩散方程电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴P22P22，推导略推导略推导略推导略(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理既有浓度梯度，又有电场作用既有浓度梯度，又有电场作用 若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要作的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要作漂移运

127、动。这时漂移运动。这时扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的总电流总电流。 电子电电子电电子电电子电流密度流密度流密度流密度空穴电空穴电空穴电空穴电流密度流密度流密度流密度(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理爱因斯坦关系爱因斯坦关系迁移率迁移率：反映载流子在电场作用下运动难易程度；：反映载流子在电场作用下运动难易程度；扩散系数扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。 在平衡条件下，不存在宏

128、观电流，因此电场的方向必须是反抗扩散电流，在平衡条件下，不存在宏观电流，因此电场的方向必须是反抗扩散电流，使使平衡时电子的总电流和空穴的总电流分布等于零平衡时电子的总电流和空穴的总电流分布等于零，即，即 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理以电子电流为例以电子电流为例以电子电流为例以电子电流为例（1-171-17）（1-181-18）（1-191-19）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器

129、件物理半导体器件物理将式（将式（1-18）、（）、（1-19）代入式（）代入式（1-17）得）得同理，对于空穴可得同理，对于空穴可得爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系 表明了表明了载流子迁移率和扩散系载流子迁移率和扩散系数之间的关系数之间的关系。 虽然是针对平衡载流子推导出虽然是针对平衡载流子推导出来的，但实验证明，这个关系可来的，但实验证明，这个关系可直直接应用于非平衡载流子接应用于非平衡载流子。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 由于载流子的由于载流子的迁移率

130、与半导体的杂质浓度有关系迁移率与半导体的杂质浓度有关系，故载，故载流子的流子的扩散系数也与半导体杂质浓度有关扩散系数也与半导体杂质浓度有关。 SiSi(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理GaAsGaAs(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理例例例例1-51-5 假设假设T=300K，一个，一个N型半导体中，电子浓度在型半导体中，电子浓度在0.1cm的的距离中从距离中从11

131、018cm-3至至71017cm-3作线性变化，计算扩散电流作线性变化，计算扩散电流密度。假设电子扩散系数密度。假设电子扩散系数Dn=22.5cm2/s。 解解解解扩散电流密度为扩散电流密度为 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P30 9写出欧姆定律的一般形式和微分形式。写出欧姆定律的一般形式和微分形式。电子和空穴的漂移方向如何判断？扩散运动又电子和空穴的漂移方向如何判断？扩散运动又如何？如何？为什么说平衡态下电场的方向必须是反抗扩散为什么说平衡态下电场的方向必须是反抗扩

132、散电流？电流？(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.6 1.6 非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于于与热平衡状态相偏离的状态与热平衡状态相偏离的状态，称为，称为非平衡状态非平衡状态。 用用n0和和p0分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足分别表示平衡时的电

133、子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n0和和p0，可，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子，有时也称，有时也称过剩载流子过剩载流子，用，用n 和和和和p 分别表示非分别表示非分别表示非分别表示非平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半

134、导体器件物理 例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中的电子和空穴浓度分别为中的电子和空穴浓度分别为n0和和p0，假设是，假设是N型半导型半导体，则体，则n0p0，当用适当波长的，当用适当波长的光照射该半导体光照射该半导体时，时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能把价带电子激发到导带上去，就能把价带电子激发到导带上去，产生电子产生电子-空穴对空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子使导带比平衡时多出一部分电子n，价带比平衡时多，价带比平衡时多出一部分空穴出一部分空穴 p，且，且n=p 。 在

135、一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。对于时的多数载流子浓度小得多。对于时的多数载流子浓度小得多。对于时的多数载流子浓度小得多。对于N N型半导体，型半导体，型半导体，型半导体，nn远远远远小于小于小于小于n n0，pp远小于远小于远小于远小于n n0，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为小注小注小注小注入入入入。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件

136、物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理例例 1cm的的N型硅中，型硅中，n05.51015cm-3，p03.1104cm-3，若注入非平衡载流子若注入非平衡载流子n=p=1010cm-3，n远小于远小于n0，是小注入，但是，是小注入，但是p几乎是几乎是p0的的106倍，即倍，即p远大于远大于p0。 说明说明 即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。分重要了

137、，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用非平衡少数载流子起着重要作用，因此，因此通常说的通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理光注入必然导致半导体电导率增大，即引起光注入必然导致半导体电导率增大，即引起附加电导率附加电导率 除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，最常用的是用电的方法，称为非平衡

138、载流子的最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的电注入电注入。 如以后讲到的如以后讲到的P-N结正向工作结正向工作时，就是常遇到的电时，就是常遇到的电注入。注入。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理实验证明实验证明 注入的非平衡载流子并不能一直存在注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，下去，光照停止后，它们会逐渐消失光照停止后，它们会逐渐消失，也就是原，也就是原来激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴又来激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴又成对地消失了。最后载流子浓度恢复到平

139、衡时的成对地消失了。最后载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到了平衡状态。值，半导体又回到了平衡状态。结论结论 产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失。平衡状态，过剩载流子逐渐消失。非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 热平衡热平衡并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载并不是一种绝对静止的状态。就半

140、导体中的载流子而言，流子而言，任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合，在热平衡状态，在热平衡状态，产生和复合处于相对平衡产生和复合处于相对平衡，每秒钟产生的，每秒钟产生的电子电子-空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓度稳定不变。度稳定不变。 当用当用光照射半导体光照射半导体时，打破了产生和复合的相对平衡，时，打破了产生和复合的相对平衡，产生超过了复合产生超过了复合，在半导体中产生了非平衡载流子，半导，在半导体中产生了非平衡载流子，半导体处于体处于非平衡状态非平衡状态。 光照停止初期光照停止初期，半导体

141、中仍然存在非平衡载流子。由，半导体中仍然存在非平衡载流子。由于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相遇而复合的机会也将增大。这时相遇而复合的机会也将增大。这时复合超过了产生复合超过了产生而造成而造成一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡值，半导体又回到了热平衡状态。值，半导体又回到了热平衡状态。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理非平衡载流子的寿命非平衡载流

142、子的寿命 实验表明实验表明 对于对于N型半导体，光照停止后，型半导体，光照停止后，p随时间按随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。间，有的长些，有的短些。 非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，称为非平衡载流子的寿命，用用表示。表示。 相对于非平衡多数载流子而言，相对于非平衡多数载流子而言，非平衡少数载流子的非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位影响处于主

143、导的、决定的地位，因而，因而非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命通常指少数载流子的寿命通常指少数载流子的寿命。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当当t=，则，则p(t)=(p)0/e。 寿命标志着寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原来数值的非平衡载流子浓度减小到原来数值的1/e所所经历的时间经历的时间。 寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。衰减越快。 通常通常寿命可用实验方法测量寿命可用实验方法测量 直流光电

144、导衰减法；直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；高频光电导衰减法；光磁电法；光磁电法；扩散长度法；扩散长度法；双脉冲法；双脉冲法；漂移法。漂移法。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 不同材料的寿命很不相同。不同材料的寿命很不相同。 一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过104s。 纯度和完整性特别好的硅材料，寿命可达纯度和完整性特别好的

145、硅材料，寿命可达103s以上。以上。 砷化镓的寿命极短，约为砷化镓的寿命极短，约为10-810-9s或更低。或更低。 即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一个很大的范围内变化。个很大的范围内变化。 通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百多通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百多微秒范围内。微秒范围内。 平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理复合理论复

146、合理论 由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，平衡态指的平衡态指的是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平衡衡。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统计性的过程。计性的过程。 根据长期的研究结果，就复合过程的微观机构讲，复合根据长期的研究结果，就

147、复合过程的微观机构讲，复合过程大致可以分为两种：过程大致可以分为两种：直接复合直接复合，即电子在价带和导，即电子在价带和导带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；间接间接复合复合，即电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复，即电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合。根据复合发生的位置，又可以将它分为合。根据复合发生的位置，又可以将它分为体内复合体内复合和和表表面复合面复合。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理直接复合直接复合电

148、子在导带与价带间电子在导带与价带间直接跃迁直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程而引起非平衡载流子的复合过程对于对于N型半导体型半导体 r 电子电子-空穴复合几率空穴复合几率 在小注入条件下，当温度和掺杂一在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。定时，寿命是一个常数。 寿命与多数载流子浓度成反比寿命与多数载流子浓度成反比，或，或者说，者说，半导体电导率越高，寿命就越短半导体电导率越高，寿命就越短。 一般来说，一般来说，禁禁带宽度越小，直带宽度越小，直接复合的几率越接复合的几率越大大。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范

149、大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理间接复合间接复合 半导体中的半导体中的杂质和缺陷杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，在禁带中形成一定的能级，它们除了影响半导体的电特性以外，它们除了影响半导体的电特性以外，对非平衡载流子对非平衡载流子的寿命也有很大的影响的寿命也有很大的影响。 实验发现，实验发现，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，寿命就越短寿命就越短。 这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。 间接复合间接复合:非平衡载流子通过复合中心的复合

150、非平衡载流子通过复合中心的复合。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理讨论具有一种复合中心能级的简单情况讨论具有一种复合中心能级的简单情况 禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个台禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个台阶，电子阶，电子-空穴的复合可分两步走：空穴的复合可分两步走：第一步第一步，导带电子落入复合中心能级；，导带电子落入复合中心能级；第二步第二步，这个电子再落入价带与空穴复合。，这个电子再落入价带与空穴复合。 复合中心恢复到原来空着的状态，又可以再去复合中心恢复到原来

151、空着的状态，又可以再去完成下一次的复合过程。完成下一次的复合过程。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理甲过程甲过程：俘获电子过程。复合：俘获电子过程。复合中心能级中心能级Et从导带俘获电子。从导带俘获电子。乙过程乙过程：发射电子过程。复合：发射电子过程。复合中心能级中心能级Et上的电子被激发到导上的电子被激发到导带（甲的逆过程）。带（甲的逆过程）。丙过程丙过程：俘获空穴过程。电子：俘获空穴过程。电子由复合中心能级由复合中心能级Et落入价带与空落入价带与空穴复合。穴复合。(复合中心

152、能级从价带复合中心能级从价带俘获一个空穴俘获一个空穴)丁过程丁过程：发射空穴过程。价带：发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心能级电子被激发到复合中心能级Et上。上。(复合中心能级向价带发射了一复合中心能级向价带发射了一个空穴个空穴)（丙的逆过程）（丙的逆过程） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理研究发现研究发现 非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比，即复，即复合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快，复合中合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快

153、，复合中心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。实验证明实验证明 在在锗锗中，锰（中，锰（Mn）、铁（）、铁（Fe）、钴（）、钴（Co）、金）、金（Au）、铜（）、铜（Cu）、镍（）、镍（Ni）等可以形成复合中心；）等可以形成复合中心； 在在硅硅中金（中金（Au）、铜（）、铜（Cu）、铁（）、铁（Fe）、锰）、锰（Mn）、铟（）、铟（In）等可以形成复合中心。）等可以形成复合中心。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面复合表面复合表面复合是指在表

154、面复合是指在半导体表面发生的复合半导体表面发生的复合过程。过程。 少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的形状形状和和表面状态表面状态的影响。的影响。 例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，寿命要长得多。的样品，寿命要长得多。 实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。寿命越短。 可见，可见，半导体表面确实有促进复合的作用半导体表面确实有促进复合的作用。

155、(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级，因而，就复合机构讲，心能级，因而，就复合机构讲，表面复合仍然是间接复表面复合仍然是间接复合合。 间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。 考虑了表面复合，实际测得的考虑了表面复合，实际测得的寿命应该是体内复合和表寿命应该是体内复合和表面复合的综合结果面复合的综合结果。 设这两种复合是单独平行地发生的。用

156、设这两种复合是单独平行地发生的。用v表示体内复合表示体内复合寿命，则寿命，则1/v就是体内复合几率。若用就是体内复合几率。若用s表示表面复合寿表示表面复合寿命，则命，则1/s就表示表面复合几率。就表示表面复合几率。 总的复合几率总的复合几率:有效寿命有效寿命 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理俄歇复合俄歇复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流合时，把多余的能量传递给另一个载流子，

157、使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以级时，多余的能量以声子声子的形式放出，这种复合称为俄的形式放出，这种复合称为俄歇复合。歇复合。 俄歇复合又可分为俄歇复合又可分为带间俄歇复合带间俄歇复合和和与杂质和缺陷有与杂质和缺陷有关的俄歇复合关的俄歇复合。 一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，常常会影响半导体发光器件的发光效率。过程，常常会影响半导体发光器件的发光效

158、率。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理影响非平衡载流子寿命的因素影响非平衡载流子寿命的因素材料的种类材料的种类杂质的含量（特别是深能级杂质）杂质的含量（特别是深能级杂质）表面状态表面状态缺陷的密度缺陷的密度外部条件（外界气氛）外部条件（外界气氛）很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，故常被称作故常被称作故常被称作故常被

159、称作“ “结构灵敏结构灵敏结构灵敏结构灵敏” ”的参数。的参数。的参数。的参数。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 P-N结的能带图 平衡P-N结的特点 P-N结的直流特性(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结结 采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可以在一块半导体中获得不同掺杂的两个

160、区域，这以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这种种P型和型和N型区之间的型区之间的冶金学界面冶金学界面称为称为P-N结。结。 双极型及双极型及MOS型半导体器件是由一个或几个型半导体器件是由一个或几个P-N结组结组成的，成的，P-N结是很多半导体器件的心脏结是很多半导体器件的心脏，所以研究，所以研究P-N结结的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。 2.12.1 P-NP-N结及其能带图结及其能带图结及其能带图结及其能带图P-NP-N结的形成结的形成结的形成结的形成 在一块在一块N型型(或或P型型)半导体单晶上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、半导体单晶

161、上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把生长法、离子注入法等）把P型（或型（或N 型）杂质掺入其中，使这块半导体型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有单晶的不同区域分别具有N型和型和P型的导电类型，在两者的交界面处就形型的导电类型，在两者的交界面处就形成了成了P-N结。结。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理制作方法制作方法制作方法制作方法合金法合金法合金法合金法 把一小粒铝放在一块把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上，加热到一型单晶硅片上，加热到一定

162、温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在开始凝固，在N型硅片上形成一含有高浓度铝的型硅片上形成一含有高浓度铝的P型型硅薄层，它和硅薄层，它和N型硅衬底的交界面即为型硅衬底的交界面即为P-N结（称之结（称之为铝硅合金结）。为铝硅合金结）。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理扩散法扩散法扩散法扩散法 在在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得等工艺制得P-N结。其杂质分布由扩散过程

163、及杂结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。如图所示在质补偿决定。如图所示在N型硅单晶上，生长一型硅单晶上，生长一层层SiO2，通过光刻、扩散将，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入型杂质扩散入N型硅型硅单晶中，形成单晶中，形成P-N结（亦称之为扩散结）。结（亦称之为扩散结）。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结能带图结能带图结能带图结能带图扩散扩散扩散扩散当半导体形成当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴

164、从导致了空穴从P区到区到N区，电子从区，电子从N区到区到P区的扩散运动。区的扩散运动。 空间电荷空间电荷空间电荷空间电荷/ /空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区 对于对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在在P-N结附近结附近P区一侧出现了一个负电荷区区一侧出现了一个负电荷区； 同理，同理，在在P-N结附近结附近N区一侧出现了区一侧出现了由电离施主构成的由电离施主构成的一个一个正电荷区正电荷区，通常把在，通常把在P-N结附近的这些电离

165、施主和电离结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为受主所带电荷称为空间电荷空间电荷，它们所存在的区域称为，它们所存在的区域称为空间空间电荷区电荷区（也称之为（也称之为势垒区势垒区） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理内建电场内建电场内建电场内建电场 空间电荷区中的这些电空间电荷区中的这些电荷产生了荷产生了从从N区指向区指向P区区，即，即从从正电荷指向负电荷正电荷指向负电荷的电场，的电场，称之为内建电场（自建电场）称之为内建电场（自建电场）。 漂移漂移漂移漂移 在内建电场作用下，

166、载流子作漂移运动。电子和空穴的在内建电场作用下，载流子作漂移运动。电子和空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。 因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场 电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子带负电，空穴带正电，所以两

167、者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移空穴沿电场方向漂移。 半导体中的导电半导体中的导电作用应该是电子作用应该是电子导电和空穴导电导电和空穴导电的总和。的总和。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区逐

168、渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡，即从漂移最终达到动态平衡，即从N区向区向P区扩散过去多少电区扩散过去多少电子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回N区。区。因而电子的因而电子的扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反，从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电流流过流流过

169、P-N结，即净电流为零。结，即净电流为零。 这时这时空间电荷的数量一定空间电荷的数量一定，空间电荷区空间电荷区不再继续扩不再继续扩展，展，保持一定的宽度保持一定的宽度，同时，同时存在一定的内建电场存在一定的内建电场。一般在。一般在这种情况下的这种情况下的P-N结称为热平衡状态下的结称为热平衡状态下的P-N结（简称平结（简称平衡衡P-N结）。结）。 2.22.2 平衡平衡平衡平衡P-NP-N结结结结(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理平衡平衡平衡平衡P-NP-N结的能带图结的能带图结

170、的能带图结的能带图 N型、型、P型半导体的能带图，图中型半导体的能带图，图中EFn和和EFp分别表示分别表示N型和型和P型半导体的费米能级。型半导体的费米能级。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的区流向费米能级低的P区，空穴则从区，空穴则从P区流向区流向N区。因而区。因而EFn不断下移不断下移，而，而EFp不断上移不断上移

171、，直至，直至EFn=EFp。 这时，这时，P-N结中有统结中有统一的费米能级一的费米能级EF，P-N结结处于平衡状态处于平衡状态，其能带图，其能带图如图所示。如图所示。 能带相对移动的原因能带相对移动的原因是是P-N结空间电荷区中存结空间电荷区中存在内建电场的结果。在内建电场的结果。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 P区能带相对于区能带相对于N区能带上移的原因区能带上移的原因 能带图是按照电子能能带图是按照电子能量从高到低来画的。由于量从高到低来画的。由于内建电场使得内建电场

172、使得P区电子能区电子能量在原来能级基础上叠加量在原来能级基础上叠加上一个由电场引起的附加上一个由电场引起的附加势能。势能。 半导体中有电场存在半导体中有电场存在的地方，能带发生弯曲，的地方，能带发生弯曲，朝电场所指方向上移，电朝电场所指方向上移，电场强度越强，能带弯曲越场强度越强，能带弯曲越厉害，电场为零或很弱的厉害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。地方，能带保持平直。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结的载流子分布结的载流子分布结的载流子分布结的载流子分布 计算

173、平衡计算平衡P-N结中各处的载流子浓度时，取结中各处的载流子浓度时，取P区电势为区电势为零零，则势垒区中一点，则势垒区中一点x的电势的电势V(x)为正值，越接近为正值，越接近N区的点，区的点，其电势越高，到势垒区边界其电势越高，到势垒区边界xn处的处的N区电势最高为区电势最高为VD，如，如图所示。图所示。 图中图中xn，-xp分别为分别为N区和区和P区势垒区边界。区势垒区边界。 对电子而言，相应的对电子而言，相应的P区的电势能为区的电势能为0，比比N区的电势能区的电势能E(xn)=Ecn=-qVD高高qVD。 势垒区内点势垒区内点x处的电势能为处的电势能为E(x)=-qV(x)，比比N区高区高

174、qVD-qV(x)。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理nn0 N区平衡多数载流子区平衡多数载流子电子浓度电子浓度 np0 P区平衡少数载流子区平衡少数载流子电子浓度电子浓度pn0 N区平衡少数载流子区平衡少数载流子空穴浓度空穴浓度 pp0 P区平衡多数载流子区平衡多数载流子空穴浓度空穴浓度(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件

175、物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理平衡平衡平衡平衡P-NP-N势垒区电子势垒区电子势垒区电子势垒区电子和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当x=-xp时，时，V(x)=0，n(-xp) = =np0 当当x=-xp时，时，V(x)=0，p(-xp) = =pp0 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器

176、件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层 室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但已电离，但载流子浓度比起载流子浓度比起N区和区和P区的多数载流子浓区的多数载流子浓度小得多度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。荷密度就等于电离杂质浓度。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器

177、件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差 从图中可以看出，在从图中可以看出，在P-N结的空间电荷区中能带发生结的空间电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的弯曲，电子从势能低的N区向势能高的区向势能高的P区运动时，必须区运动时，必须克服这一势能克服这一势能“高坡高坡”，才能达到，才能达到P区；同理，空穴也必区；同理，空穴也必须克服这一势能须克服这一势能“高坡高坡”，才能从，才能从P区到达区到达N区。这一势区。这一势能能“高坡高坡”通常称为通常称为P-N结的势垒，故空间电荷区也叫结的势垒，故空间电荷区

178、也叫势势垒区垒区。从图中还可以看出。从图中还可以看出P区导带和价带的能量比区导带和价带的能量比N区的区的高高qVD。VD称为称为P-N结的结的接触电势差接触电势差。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理突变结突变结突变结突变结 合金结的杂质分布如图所示，合金结的杂质分布如图所示，N型区中施主杂质浓度为型区中施主杂质浓度为ND，而且是均匀分布的，而且是均匀分布的，P型区中受主杂质浓度为型区中受主杂质浓度为NA，也是均，也是均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从匀分布的。在交界面处，杂质浓

179、度从NA（P型区中）突变为型区中）突变为ND（N型区中），故称之为突变结。型区中），故称之为突变结。 设设P-N结的位置在结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可表示为处，则突变结的杂质分布可表示为 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理在热平衡条件下求接触电势差在热平衡条件下求接触电势差线性缓变结线性缓变结线性缓变结线性缓变结突变结突变结突变结突变结(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件

180、物理半导体器件物理突变结的杂质分布突变结的杂质分布N区有均匀施主杂质，浓度为区有均匀施主杂质，浓度为ND，P区有均匀受主杂质，浓度为区有均匀受主杂质，浓度为NA。势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和和-xp。同样取同样取x=0处为交界面，如图处为交界面，如图2-10所示，所示， (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理突变结的电荷分布突变结的电荷分布势垒区的电荷密度为势垒区的电荷密度为 整个半导体满足电中性条件，整个半导体满足电中性条件，势垒区内正

181、负电荷总量相等势垒区内正负电荷总量相等 NAxp=NDxn(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理NAxp=NDxn表明：表明： 势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比质浓度成反比。 杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。边宽度大。 例如，若例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则则xp比比xn大大100倍。倍。 所以所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散势垒区主要向杂质浓

182、度低的一边扩散。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理突变结的电场分布突变结的电场分布在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置x的线性函数。的线性函数。电场方向沿电场方向沿x负方向，从负方向，从N区指向区指向P区。区。在在x=0处，电场强度达到最大值处，电场强度达到最大值 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版

183、)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理突变结的电势分布突变结的电势分布电势分布是抛物线形式的电势分布是抛物线形式的 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理突变结的电势能（能带图）突变结的电势能（能带图）因为因为V(x)表示点表示点x处的电势，而处的电势，而-qV(x)则表示电子在则表示电子在x点的点的电势能，因此电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。结势垒区的能带如图所示。可见，势垒区中可见，势垒区

184、中能带变化趋势与电势变化趋势相反能带变化趋势与电势变化趋势相反。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习什么是空间电荷区？什么是空间电荷区？什么是势垒区？什么是势垒区？什么是耗尽层？什么是耗尽层？内建电场是如何形成的，方向如何？内建电场是如何形成的，方向如何？试写出突变结和线性缓变结杂质分布的表达式。试写出突变结和线性缓变结杂质分布的表达式。试概括平衡时的试概括平衡时的P-N结有哪些特点。结有哪些特点。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理

185、半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理2.32.3 P-NP-N结直流特性结直流特性结直流特性结直流特性平衡平衡平衡平衡P-NP-N结结结结非平衡非平衡非平衡非平衡P-NP-N结结结结 一定宽度和势垒高度的一定宽度和势垒高度的势垒区；势垒区； 内建电场恒定；内建电场恒定； 净电流为零；净电流为零； 费米能级处处相等。费米能级处处相等。当当P-N结两端有外加电压时结两端有外加电压时 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理外加直流电压下，外加直流电压

186、下，外加直流电压下，外加直流电压下，P-NP-N结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动正向偏压正向偏压正向偏压正向偏压 P-N结加正向偏压结加正向偏压V（即（即P区接电源正极，区接电源正极，N区接负极）区接负极） 势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本外加正向偏压基本降落在势垒区降落在势垒区。正向偏压在势垒区中产生了。正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方与内建电场方向相反向相反的电场，

187、因而的电场，因而减弱减弱了势垒区中的电场强度，这就表了势垒区中的电场强度，这就表明明空间电荷相应减少空间电荷相应减少。故。故势垒区的宽度也减小势垒区的宽度也减小，同时，同时势垒势垒高度从高度从qVD下降为下降为q(VD-V)。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运势垒区电场减弱，破坏了载流

188、子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使动之间的平衡，削弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电扩散电流大于漂移电流流。 所以在加正向偏压时，产生了所以在加正向偏压时，产生了电子从电子从N区向区向P区以及区以及空穴从空穴从P区到区到N区的净扩散电流区的净扩散电流。 电子通过势垒区扩散入电子通过势垒区扩散入P区，在边界区，在边界xp处形成电子的处形成电子的积累，成为积累，成为P区的非平衡少数载流子，结果使区的非平衡少数载流子，结果使xp处电子浓处电子浓度比度比P区内部高，形成了区内部高，形成了从从xp处向处向P区内部的电子扩散流区内部的电子扩散流。 非平衡少子边扩散边与非平衡少子边扩散边与

189、P区的空穴复合，经过区的空穴复合，经过扩散长扩散长度度的距离后，全部被复合。这一段区域称为的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区扩散区。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在一定的正向偏压下，单位时间内从在一定的正向偏压下，单位时间内从N区来到区来到xp处的处的非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分非平衡少子浓度是一

190、定的，并在扩散区内形成一稳定的分布。所以，布。所以，在正向偏压一定时，在在正向偏压一定时，在xp处就有一不变的向处就有一不变的向P区内部流动的电子扩散流区内部流动的电子扩散流。 同理，同理，在边界在边界xn处也有一不变的向处也有一不变的向N区内部流动的空区内部流动的空穴扩散流穴扩散流。 N区的电子和区的电子和P区的空穴都是多数载流子，分别进入区的空穴都是多数载流子，分别进入P区和区和N区后形成区后形成P区和区和N区的非平衡少数载流子。区的非平衡少数载流子。 当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入P区的区的电子流和流入电子流和流入N区的空穴流，这种由于外

191、加正向偏压的作区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的非平衡载流子的电注入电注入。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在假设通过势垒区的电子电在假设通过势垒区的电子电流和空穴电流均保持不变的情况流和空穴电流均保持不变的情况下，通过下，通过P-N结的总电流，就是结的总电流，就是通通过边界过边界xp的电子扩散电流与通过的电子扩散电流与通过边界边界xn的空穴扩散电流之和的空穴扩散电流之和。 (施敏)半导

192、体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理反向偏压反向偏压反向偏压反向偏压当当P-N结加反向偏压结加反向偏压V时（时（V0）（即（即N区接电源正极，区接电源正极，P区接负极）区接负极） 反向偏压在势垒区产生的电场反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场与内建电场方向一致方向一致，势垒区的电场增强势垒区的电场增强，势垒区也变宽势垒区也变宽，空间电荷数量变多空间电荷数量变多，势垒高度由势垒高度由qVD增加为增加为q(VD-V)。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导

193、体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使漂移流大于扩散流漂移流大于扩散流。 这时，这时，N区边界区边界xn处的空穴被势垒区的强电场处的空穴被势垒区的强电场驱向驱向P区，而区，而P区边界区边界xp处的电子被驱向处的电子被驱向N区。当区。当这些少数载流子被

194、电场驱走后，内部的少子就来这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成了反向偏压下的电子扩散电流和空穴补充，形成了反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流，这种情况好像少数载流子不断被抽出扩散电流，这种情况好像少数载流子不断被抽出来，所以称为来，所以称为少数载流子的抽取或吸出少数载流子的抽取或吸出。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器

195、件物理 P-N结中结中总的反向电流等于势垒区边界总的反向电流等于势垒区边界xn和和xp附近的少数载流子扩散电流之和附近的少数载流子扩散电流之和。 因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变化，因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，也不随电压变化，所以在反向偏压下，P-N结的结的电流较小并且趋于不变电流较小并且趋于不变

196、。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习4-1. 当当P-N结外加结外加正正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场与内建电场_（相反（相反/一致），导致势垒区总的电场强度一致），导致势垒区总的电场强度_（增强（增强/减弱），这说明空间电荷数量减弱），这说明空间电荷数量_（增多（增多/减少），也就意味着势垒区宽度减少），也就意味着势垒区宽度_（增大（增大/减小），势减小），势垒高度垒高度_（增大（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致

197、减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动载流子的漂移运动_（大于（大于/小于）扩散运动，形成小于）扩散运动，形成_（净扩散（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于（大于/小于）该区内部，从而在区形成小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的的_（电子空穴）的（电子空穴）的_（扩散漂移），在区（扩散漂移），在区形成形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的区势垒边界）的_（电子空穴）的（电子空穴）的_（扩散漂（扩散漂移）。移

198、）。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理4-2. 当当P-N结外加结外加反反向偏置电压时，外加电压形成的电场方向向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场与内建电场_（相反（相反/一致），导致势垒区总的电场强一致），导致势垒区总的电场强度度_（增强（增强/减弱），这说明空间电荷数量减弱），这说明空间电荷数量_（增（增多多/减少），也就意味着势垒区宽度减少），也就意味着势垒区宽度_（增大（增大/减小），减小），势垒高度势垒高度_（增大（增大/减小）。此时，电场强度的变化导减小）。

199、此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动致载流子的漂移运动_（大于（大于/小于）扩散运动，形成小于）扩散运动，形成_（净扩散（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于（大于/小于）该区内部，从而在区形成小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的的_（电子空穴）的（电子空穴）的_（扩散漂移），在区（扩散漂移），在区形成形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的区势垒边界）的_（电子空穴）的（电子空穴）的_（扩散漂（扩散漂移）。移）。(

200、施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当当P-N结满足上述假设条件时，其结满足上述假设条件时，其直流特性直流特性具体可具体可分以下分以下四个步骤四个步骤进行。进行。 根据准费米能级计算势垒区边界根据准费米能级计算势垒区边界xn和和xp处注入的处注入的非平衡少数载流子浓度；非平衡少数载流子浓度； 以边界以边界xn和和xp处注入的非平衡少数载流子浓度作处注入的非平衡少数载流子浓度作边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中非平衡

201、少数载流子的分布；中非平衡少数载流子的分布； 将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度；算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度； 将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想P-N结模型的电流电压方程式（结模型的电流电压方程式（具体分析过程具体分析过程略）。略）。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理JS理想理想P-N 结伏安特性表达式（电流电压关系式）结

202、伏安特性表达式（电流电压关系式） Ln、Lp分别分别表示电子表示电子和空穴的扩和空穴的扩散长度散长度 2-142-14(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-N结具有单向导电性结具有单向导电性 在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大指数关系迅速增大。 在室温下，在室温下，k0T/q=0.026V，一般外加正向偏，一般外加正向偏压约零点几伏，故压约零点几伏，故exp(qV/k0T)1，式（，式（2-14）可以表示为可以表示为(施敏

203、)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在反向偏压下，在反向偏压下，V0，当，当q|V|远大于远大于k0T时，时，exp(qV/k0T)趋于零，式（趋于零，式（2-14）可表示为）可表示为 负号表示电流密度方向与正向时相反；负号表示电流密度方向与正向时相反； 反向电流密度为常量，与外加电压无关反向电流密度为常量，与外加电压无关。 -Js 反向

204、饱和电流密度反向饱和电流密度（2-162-16）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理正向及反向偏压正向及反向偏压下，曲线是不对下，曲线是不对称的，称的，表现出表现出P-N结具有结具有单向导电性单向导电性或或整整流效应流效应。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理实际反偏实际反偏P-N 结直流特性的补充说明结直流特性的补充说明 P-NP-N结反向扩散电流结反向扩散电流结反

205、向扩散电流结反向扩散电流 P-N结反偏时，结反偏时，V0，此时势垒边界处的非平衡，此时势垒边界处的非平衡少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当V不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。态扩散。当反偏绝对值足够大时当反偏绝对值足够大时，势垒边界处的，势垒边界处的非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加

206、反向偏压的变化而变化，即压的变化而变化，即反向电流趋于饱和反向电流趋于饱和。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流 在反向偏压时，在反向偏压时，实际测得的反向电流比理论计算值大实际测得的反向电流比理论计算值大得多得多，而且，而且反向电流是不饱和的反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略有，随反向偏压的增大略有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加

207、电压下的下的P-N结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主要因素是存在反向势垒产生电流。要因素是存在反向势垒产生电流。 反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以IG表示。表示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器

208、件物理半导体器件物理若若P-N结势垒区宽度为结势垒区宽度为Xm，则势垒区产生电流密度为则势垒区产生电流密度为 由式（由式（2-16）得）得P+-N结结反向扩散电流密度为反向扩散电流密度为 （2-172-17）（2-182-18） 锗锗的禁带宽度小，的禁带宽度小，ni2大，在室温下从式（大，在室温下从式（2-18）算得）算得的的JRD比从式（比从式（2-17）算得的）算得的JG大得多，所以在大得多，所以在反向电流中反向电流中扩散电流起主要作用扩散电流起主要作用。 硅硅，禁带宽度比较宽，禁带宽度比较宽，ni2小，所以小，所以JG的值比的值比JRD值大得值大得多，因此在多，因此在反向电流中势垒产生电

209、流占主要地位反向电流中势垒产生电流占主要地位。由于势垒。由于势垒区宽度区宽度Xm随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生电流随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生电流不是饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。不是饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 表面对反向漏电流的影响表面对反向漏电流的影响 主要表现在以下三个方面主要表现在以下三个方面 表面漏电流表面漏电流。 P-N结沟道漏电流结沟道漏电流。 表面复合电流表面复合电流。 (施敏)半导体器件物理(

210、详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面漏电流表面漏电流表面漏电流表面漏电流 实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。 在在P-N结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它可以使电流从可以使电流从N区电极沿半导体表面直接流到区电极沿半导体表

211、面直接流到P区的电区的电极，从而引起反向漏电流的增加。极，从而引起反向漏电流的增加。 如果如果表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要成分成分。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结沟道漏电流结沟道漏电流结沟道漏电流结沟道漏电流 硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一方面可以提高器件的稳定性和

212、可靠性，另一方面也方面可以提高器件的稳定性和可靠性，另一方面也可以减小反向漏电流。可以减小反向漏电流。 但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在本书第七章作详细介绍。）本书第七章作详细介绍。） 反型沟道的存在相当于增大了反型沟道的存在相当于增大了P-N结的结面积，结的结面积，即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科

213、技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面复合电流表面复合电流表面复合电流表面复合电流 半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复合掉，从而导致反向电流的增加。合掉，从而导致反向电流的增加。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 综上所述，综上所述，P-N结的反向电流包括结的反向电流包括体内扩散电流体内扩散电流、势势垒产生电流垒产生电流和和表面漏电流表面漏电

214、流三种成分。三种成分。 在实际在实际P-N结二极管中，往往是表面漏电流占了主要结二极管中，往往是表面漏电流占了主要地位。因此，在生产过程中，地位。因此，在生产过程中，如何减小表面漏电流成了如何减小表面漏电流成了一个重要问题一个重要问题，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和含有过多的有害杂质；含有过多的有害杂质；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特注意工艺洁净度，如去

215、离子水和化学试剂的纯度，特别应该注意减小钠离子的沾污。别应该注意减小钠离子的沾污。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理2.4 P-N结电容结电容 P-N结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。这个因素就是性的因素。这个因素就是P-N结的电容。结的电容。 一个一个P-N结在结在低频低频电压下，能很好地起整流作用，电压下，能很好地起整流作用，但是当但是当电压频率增高电压频率增高时，其整流特性变坏，甚至基本上时，其整流特性变坏，甚至基本上没有

216、整流效应。这是因为没有整流效应。这是因为P-N结具有电容特性。结具有电容特性。 讨论：讨论： P-N结为什么具有电容特性？结为什么具有电容特性？ P-N结电容包括结电容包括势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容两部分。两部分。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容 当当P-N结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电

217、荷是由不能移动的杂质离子组成，所以空间因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成，所以空间电荷的减少是由于电荷的减少是由于N区的电子和区的电子和P区的空穴过来中和了区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主势垒区中一部分电离施主和电离受主。 这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴子和空穴“存入存入”势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是由一部分电子和空穴从势垒区中多，这就是由一部分电子和空穴从势垒区中“

218、取出取出”。 对于加反向偏压的情况，可作类似分析。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理反向偏压的绝对值增大，载流子存入势反向偏压的绝对值增大，载流子存入势垒区还是从势垒区垒区还是从势垒区取出取出？反向偏压的绝对值减小，载流子反向偏压的绝对值减小，载流子存入存入势势垒区还是从势垒区取出？垒区还是从势垒

219、区取出？正向偏压增大，载流子正向偏压增大，载流子存入存入扩散区还是扩散区还是从扩散区取出？从扩散区取出？正向偏压减小，载流子存入扩散区还是正向偏压减小，载流子存入扩散区还是从扩散区从扩散区取出取出？(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 P-N结上外加电压的变化，引起了电子结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的和空穴在势垒区的“存入存入”和和“取出取出”作用，作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个化，这和一个电容器的充放

220、电电容器的充放电作用相似。作用相似。 这种这种P-N结的电容效应称为势垒电容，结的电容效应称为势垒电容，以以CT表示。表示。 势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容 正向偏压时，有空穴从正向偏压时，有空穴从P区注入区注入N区。当正向偏压区。当正向偏压增加时，由增加时，由P区注入到区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加区的空

221、穴积累，增加了载流子的浓度梯度。了载流子的浓度梯度。 电子情况完全相同。电子情况完全相同。 在外加电压变化时，在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。 P扩散区情况完全相同。扩散区情况完全相同。 这种由于这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。用结的扩散电容。用CD表示。表示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江

222、西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理2.5 P-N结击穿结击穿 实验发现，对实验发现，对P-N结施加的反向偏压增大到某一数值结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反时，反向电流密度突然开始增大，此现象称为向电流密度突然开始增大，此现象称为P-N结击穿结击穿。 发生击穿时的反向偏压称为发生击穿时的反向偏压称为P-N结的击穿电压结的击穿电压，如图所示。，如图所示。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理发生发生P-N结击穿的机理结击穿的机理主要有以下几种主要有以下几种 雪崩击穿雪崩

223、击穿 隧道击穿隧道击穿热电击穿热电击穿(热击穿热击穿) (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿 当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴上的电子碰撞出来，成

224、为导电电子，同时产生一个空穴（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子产生第三代的电子-空穴对。空穴也如此产生第二代、第三空穴对。空穴也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为殖载流子的方式称为载流子的倍增效应载流子的倍增效

225、应。由于倍增效应，。由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生流，从而发生P-N结击穿。这就是雪崩击穿的机理。结击穿。这就是雪崩击穿的机理。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 雪崩击穿除了雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关与势垒区中电场强度有关外，还外，还与势垒区的宽度有关与势垒区的宽度有关，因为载流子动能的增加，需，因为载流子动能的增加，需要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很要有一个加速

226、过程，如果势垒区很薄，即使电场很强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理隧道击穿隧道击穿隧道击穿隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿机理。也称为的一种击穿机理

227、。也称为齐纳击穿齐纳击穿。 对于一定的半导体材料，势垒区中的对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越电场越大大，或，或隧道长度越短隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越，则电子穿过隧道的几率越大。大。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 一般杂质浓度一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。下，雪崩击穿机构是主要的。 杂质浓度高杂质浓度高时，反向偏压不高的情况就能发生隧时，反向偏压不高的情况就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效

228、应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。小结小结小结小结雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为电击穿电击穿。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理热电击穿热电击穿热电击穿热电击穿/ /热击穿热击穿热击穿热击穿 当当P-N结上施加反向电压时，流过结上施加反向电压时，流过P-N结的反向电流结的反向电流要引起要引起热损耗热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流

229、所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。随着起结温上升。随着结温的上升结温的上升，反向饱和电流密度也迅反向饱和电流密度也迅速上升速上升，产生的热能也迅速增大产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大反向饱和电流密度增大。 如此反复循环下去，最后使如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。无限增长而发生击穿。这种由于这种由于热不稳定性热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。引起的击穿，称为热电击穿。

230、对于禁带宽度比较小的半导体如对于禁带宽度比较小的半导体如锗锗P-N结结，由于反，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很值得重视。向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很值得重视。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理雪崩击穿和隧道击穿的主要区别雪崩击穿和隧道击穿的主要区别隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区宽还与空间电荷区宽度有关。度有关。雪崩击穿是碰撞电离的结果，如

231、果用光照等其雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。对隧道击穿则不会有明显的影响。隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数增加，温度系数为正数 。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第第 3 章章晶体管的直流特性晶体管的直流特性 3.1

232、 3.1 概述概述概述概述3.2 3.2 平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数 及影响电流放大系数的因素及影响电流放大系数的因素及影响电流放大系数的因素及影响电流放大系数的因素3.3 3.3 晶体管的反向电流晶体管的反向电流晶体管的反向电流晶体管的反向电流3.4 3.4 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压3.5 3.5 晶体管的基极电阻晶体管的基极电阻晶体管的基极电阻晶体管的基极电阻3.6 3.6 习题习题习题习题(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江

233、西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构 平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数 晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性 晶体管的反向电流晶体管的反向电流晶体管的反向电流晶体管的反向电流(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 晶体管（半导体三极管）是由两个晶体管（半导体三极管）是由两个

234、P-N结构成结构成的三端器件。由于两个的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其结靠得很近，其具有放具有放大电信号的能力大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更体二极管更广泛的应用广泛的应用。（半导体二极管由一个。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基用以及其他一些特性

235、，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。极电阻等。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3.1 概述概述 晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低低频管频管和和高频管高频管，小功率管小功率管和和大功率管大功率管，高反压管高反压管和和开开关管关管等等。等等。 但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为别称为发射结发射结和和集电结集电结的的P-N结组成。结组成。 两个两个P-N结将晶体管划分为三个区

236、：结将晶体管划分为三个区：发射区发射区、基区基区和和集电区集电区。由三个区引出的电极分别称为。由三个区引出的电极分别称为发射极发射极、基基极极和和集电极集电极，用符号，用符号E、B、C（e、b、c）表示。）表示。 晶体管的基本形式可分为晶体管的基本形式可分为PNP型型和和NPN型型两种。两种。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施

237、敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理合金管合金管合金管合金管 合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶

238、解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成型半导体，从而形成PNP结构，如结构，如图所示。图中图所示。图中Wb为基区宽度，为基区宽度，Xje和和Xjc分别为发射结和分别为发射结和集电结的结深。集电结的结深。 合金结的杂质分布特点是：合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是结都是突变结。突变结。 合金结的主要缺点是合金结的主要缺点是基区较宽基区较宽，一般只能做到，一般只能做到10微

239、微米左右。因此米左右。因此频率特性较差频率特性较差，只能用于，只能用于低频区低频区。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理平面管平面管平面管平面管 在高浓度的在高浓度的N+衬衬底底上，生

240、长一层上，生长一层N型的型的外延外延层，再在外延层上层，再在外延层上用用硼扩散制作硼扩散制作P区区，后，后在在P区上用区上用磷扩散形成磷扩散形成一个一个N+区区。 其结构是一个其结构是一个NPN型的型的三层式结构三层式结构，上面，上面的的N+区是发射区，中间区是发射区，中间的的P区是基区，底下的区是基区，底下的N区是集电区。区是集电区。 P57P57(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 平面晶体管的发平面晶体管的发射区和基区是用杂质射区和基区是用杂质扩散扩散的方法制造得到的方法制造

241、得到的，所以在平面管的的，所以在平面管的三层结构即三个区域三层结构即三个区域的杂质分布是的杂质分布是不均匀不均匀的。的。 其杂质分布可根其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，据扩散工艺推算出来，如图所示。如图所示。P57P57(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 晶体管的基区杂质分布有两种形式：晶体管的基区杂质分布有两种形式：均匀分布（如合金管），称为均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管均匀基区晶体管。均。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散匀基区晶体管中，载流子在基区

242、内的传输主要靠扩散进行，故又称为进行，故又称为扩散型晶体管扩散型晶体管。基区杂质是缓变的（如平面管），称为基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶缓变基区晶体管体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管漂移型晶体管。小结小结小结小结(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理小结小结小结小结

243、(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 (1). (1). 使发射区的掺杂浓度最高，以有效地使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；发射载流子；(2). (2). 使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；效地传输载流子；(3). (3). 使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发使集电区面积最大

244、，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子射区，以有效地收集载流子小结小结小结小结(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体管中载流子浓度分布及传输晶体管中载流子浓度分布及传输 设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用分别用NE、NB、NC表示，且表示，且NE远大于远大于 NB大于大于NC。 WWe e 发射区宽度发射区宽度发射区宽度发射区宽度WWb b 基区宽度基区宽度基区宽度基区宽度WWc c 集电区宽度集电区宽度集电区宽度集电区

245、宽度X Xmeme 发射结势垒发射结势垒发射结势垒发射结势垒 宽度宽度宽度宽度X Xmcmc 集电结势垒集电结势垒集电结势垒集电结势垒 宽度宽度宽度宽度(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理VDE 发射结的接触电势差发射结的接触电势差VDC 集电结的接触电势差集电结的接触电势差由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于发射区和集电区分别上移发射区和集电区分别上移qVDE和和qVDC。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物

246、理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图为图为图为图为PNPPNP型双极型晶体管能带图型双极型晶体管能带图型双极型晶体管能带图型双极型晶体管能带图(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当晶体管作为放大运用时当晶体管作为放大运用时发射结加正向偏压发射结加正向偏压VE集电结加反向偏压集电

247、结加反向偏压VC (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理发射结势垒由原来的发射结势垒由原来的qVDE下降下降为为q(VDE-VE)集电结势垒由集电结势垒由qVDC升高升高到到q(VDC+VC)(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理NPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理

248、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 发射结正偏发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作记作pE(x)。 集电结反偏集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在

249、基区一边，凡是能够扩散到当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电区。的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样，在处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电场拉的空穴，也被电场拉向基区，在向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓度分处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为布为pC(x)。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件

250、物理半导体器件物理晶体管中的载流子传输示意图晶体管中的载流子传输示意图 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，形成电子电流形成电子电流InE。如基区很薄，大部分电子都能通。如基区很薄，大部分电子都能通过扩散到达集电结边界，并被集电极收集，形成集电过扩散到达集电结边界，并被集电极收集，形成集电极电子电流极电子电流InC。由于通过基区的电子是非平衡载流。由于通过基区的电子是非平衡载流子，因此在基区中，电

251、子将一边扩散，一边和基区中子，因此在基区中，电子将一边扩散，一边和基区中的空穴复合，形成体复合电流的空穴复合，形成体复合电流IVR。显然，体复合电。显然，体复合电流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。同流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。同时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入空穴电流空穴电流IpE。这股空穴电流在发射区内边扩散边复。这股空穴电流在发射区内边扩散边复合，经过扩散长度合，经过扩散长度LpE后基本复合消失，转换成电子后基本复合消失，转换成电子电流。另外，在集电结处还有一股反向饱和电流电流。另外，在集电结处还有一股反

252、向饱和电流ICB0。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 综上所述可知，通过发射结有两股电流，综上所述可知，通过发射结有两股电流，即即InE和和IPe，所以，所以， 发射极电流发射极电流 IE=InE+IpE 通过集电结也有两股电流通过集电结也有两股电流InC和和ICB0， 集电结电流集电结电流 IC=InC+ICB0 通过基极有三股电流，即通过基极有三股电流，即IpE、IVR和和ICB0，因而，因而 基极电流基极电流 IB=IpE+IVR-ICB0 根据电流的连续性，应有根据电

253、流的连续性，应有 IE=IB+IC(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 对于对于NPN晶体管，电子电流是主要成分晶体管，电子电流是主要成分。 电子从发射极出发，通过发射区到达发射电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，由结，由发射结发射发射结发射到基区，再由基区运到集电到基区，再由基区运到集电结边界，然后由结边界，然后由集电结收集集电结收集，流过集电区到达，流过集电区到达集电极，成为集电极电流。集电极，成为集电极电流。 电子电流在传输过程中有电子电流在传输过程中有两次损失两次损失：

254、 在发射区，与从基区注入过来的空穴复合在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失；损失； 在基区体内的复合损失。因此，在基区体内的复合损失。因此， InCInEIE晶体管内部载流子的传输过程晶体管内部载流子的传输过程(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理直流电流放大系数直流电流放大系数电流放大系数表示放大电流的能力电流放大系数表示放大电流的能力电流放大系数表示放大电流的能力电流放大系数表示放大电流的能力电路接法不同电路接法不同电路接法不同电路接法不同，放大系数也不同，放大系数也不同，放

255、大系数也不同，放大系数也不同共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 集电极输出电流与发射极输入电流之比集电极输出电流与发射极输入电流之比 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共基极基本放大电路共基极基本放大电路共发射极基本放大电路共发射极基本放大电路共集电极基本放大电路共集电极基本放大电路(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理基区输运系数基区输运系数 * 晶体管的发

256、射效率晶体管的发射效率 注入基区的电子电流注入基区的电子电流与发射极电流的比值与发射极电流的比值 到达集电结的电子电流到达集电结的电子电流与进入基区的电子电流之比与进入基区的电子电流之比 如电子在基区输运过程如电子在基区输运过程中复合损失很少，则中复合损失很少，则InCInE，*1。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 减小基区体内复合电流减小基区体内复合电流IVR是提高是提高*的有效途径，的有效途径，而减小而减小IVR的主要措施是减薄基区宽度的主要措施是减薄基区宽度WB，使基区

257、宽度，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度远小于少子在基区的扩散长度LnB，即，即WB远小于远小于LnB。 所以，所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能

258、力。失去放大电流、电压的能力。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数因为因为IE=IB+IC 当当=20时，由上式可以算得时，由上式可以算得=0.95；=200时，时，=0.995。所以，一般晶体管。所以，一般晶体管的的很接近于很接近于1。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体管的放大作用晶体管的放大作用 晶体管在晶体管

259、在共射极共射极运用时，运用时，IC=IB。由于。由于远远大于大于1，输入端电流，输入端电流IB的微小变化，将引起输出的微小变化，将引起输出端电流端电流IC较大的变化，因此具有较大的变化，因此具有放大电流放大电流的能的能力。力。 在在共基极共基极运用时，运用时，IC=IE。由于。由于接近于接近于1，当输入端电流，当输入端电流IE变化变化IE时，引起输出端电时，引起输出端电流流IC的变化量的变化量IC小于等于小于等于IE。所以起不到。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放电压和功率的放大大。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器

260、件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体管具有放大能力，必须具有下面条件晶体管具有放大能力，必须具有下面条件 （1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多， 即即NE远大于远大于NB，以保证发射效率，以保证发射效率1；（2）基区宽度）基区宽度WB远小于远小于LnB， 保证基区输运系数保证基区输运系数*1；（3）发射结必须正偏，集电结反偏。）发射结必须正偏，集电结反偏。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理

261、基极电流的基本性质基极电流的基本性质晶体管基极电流主要包含有四个分量（以晶体管基极电流主要包含有四个分量（以晶体管基极电流主要包含有四个分量（以晶体管基极电流主要包含有四个分量（以npnnpn晶体管晶体管晶体管晶体管为例）：为例）：为例）：为例）：从基区注入到发射区的空穴电流（该电流分量从基区注入到发射区的空穴电流（该电流分量从基区注入到发射区的空穴电流（该电流分量从基区注入到发射区的空穴电流（该电流分量主要是影响到发射结注射效率，与发射区和基区的掺杂浓主要是影响到发射结注射效率，与发射区和基区的掺杂浓主要是影响到发射结注射效率，与发射区和基区的掺杂浓主要是影响到发射结注射效率，与发射区和基区

262、的掺杂浓度有关）；度有关）；度有关）；度有关）；在基区中与注入的少子（电子）进行复合的在基区中与注入的少子（电子）进行复合的在基区中与注入的少子（电子）进行复合的在基区中与注入的少子（电子）进行复合的空穴电流（该电流分量主要是影响到基区输运系数，与基空穴电流（该电流分量主要是影响到基区输运系数，与基空穴电流（该电流分量主要是影响到基区输运系数，与基空穴电流（该电流分量主要是影响到基区输运系数，与基区少子扩散长度有关）；区少子扩散长度有关）；区少子扩散长度有关）；区少子扩散长度有关）；与发射结势垒中复合中心的复与发射结势垒中复合中心的复与发射结势垒中复合中心的复与发射结势垒中复合中心的复合电流（

263、该电流分量也主要是影响到发射结注射效率）；合电流（该电流分量也主要是影响到发射结注射效率）；合电流（该电流分量也主要是影响到发射结注射效率）；合电流（该电流分量也主要是影响到发射结注射效率）；通过集电结的反向饱和电流（通过集电结的反向饱和电流（通过集电结的反向饱和电流（通过集电结的反向饱和电流（IcboIcbo，是少子扩散电流）。，是少子扩散电流）。，是少子扩散电流）。，是少子扩散电流）。对于放大性能较好的晶体管，影响最大的基极电流分量主对于放大性能较好的晶体管，影响最大的基极电流分量主对于放大性能较好的晶体管，影响最大的基极电流分量主对于放大性能较好的晶体管，影响最大的基极电流分量主要是第要

264、是第要是第要是第项。而第项。而第项。而第项。而第项并不直接影响到晶体管的电流放大项并不直接影响到晶体管的电流放大项并不直接影响到晶体管的电流放大项并不直接影响到晶体管的电流放大系数。系数。系数。系数。 可见，晶体管基极电流主要是多数载流子电流；并且可见，晶体管基极电流主要是多数载流子电流；并且可见，晶体管基极电流主要是多数载流子电流；并且可见，晶体管基极电流主要是多数载流子电流；并且基极电流的方向是垂直于发射极基极电流的方向是垂直于发射极基极电流的方向是垂直于发射极基极电流的方向是垂直于发射极- -集电极电流的。集电极电流的。集电极电流的。集电极电流的。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器

265、件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理基极电流的控制作用基极电流的控制作用 如果向如果向如果向如果向npnnpn晶体管的基区增加一些空穴，则为了保持发射结晶体管的基区增加一些空穴，则为了保持发射结晶体管的基区增加一些空穴，则为了保持发射结晶体管的基区增加一些空穴，则为了保持发射结两边的平衡（发射结电压两边的平衡（发射结电压两边的平衡（发射结电压两边的平衡（发射结电压VbeVbe一定时），就必将在发射区中增加一定时），就必将在发射区中增加一定时），就必将在发射区中增加一定时），就必将在发射区中增加相等数量的电子，即等效于增加

266、了发射区掺杂浓度，从而也就使相等数量的电子，即等效于增加了发射区掺杂浓度，从而也就使相等数量的电子，即等效于增加了发射区掺杂浓度，从而也就使相等数量的电子，即等效于增加了发射区掺杂浓度，从而也就使得注入到基区头部的电子浓度由得注入到基区头部的电子浓度由得注入到基区头部的电子浓度由得注入到基区头部的电子浓度由n(o)n(o)增加为增加为增加为增加为n(o)n(o)，如图中的虚线，如图中的虚线，如图中的虚线，如图中的虚线所示。可见，基区多数载流子浓度的增加，就增大了少子浓度分所示。可见，基区多数载流子浓度的增加，就增大了少子浓度分所示。可见，基区多数载流子浓度的增加，就增大了少子浓度分所示。可见，

267、基区多数载流子浓度的增加，就增大了少子浓度分布的梯度，于是也就提高了少子扩散电流密度，结果导致输出集布的梯度，于是也就提高了少子扩散电流密度，结果导致输出集布的梯度，于是也就提高了少子扩散电流密度，结果导致输出集布的梯度，于是也就提高了少子扩散电流密度，结果导致输出集电极电流增大。电极电流增大。电极电流增大。电极电流增大。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理基极电流的控制作用基极电流的控制作用 当基极当基极电流增大流增大时，即增加了基区中的空穴，即增加了基区中的空穴浓度，度，则为了

268、了保保证基区的基区的电中性要求，就必将同中性要求，就必将同时增加相等数量的增加相等数量的电子子浓度，度，即少子即少子浓度度将相应地增大，所以基区中少子浓度的分布梯度将将相应地增大，所以基区中少子浓度的分布梯度将会随着基极电流的增大而增大，从而导致集电极电流也将随着会随着基极电流的增大而增大，从而导致集电极电流也将随着基极电流的增大而增大，这就是晶体管的放大作用。基极电流的增大而增大，这就是晶体管的放大作用。 晶体管的共发射极组态和共基极组态的放大都是由于基极晶体管的共发射极组态和共基极组态的放大都是由于基极电流的控制作用所致，只是输出电流不同（一个是集电极电流，电流的控制作用所致，只是输出电流

269、不同（一个是集电极电流，另一个是发射极电流），所以这两种放大组态都具有较好的放另一个是发射极电流），所以这两种放大组态都具有较好的放大性能：大性能：共发射极组态的电流放大系数共发射极组态的电流放大系数= (Ic-Icbo)/IbIc/Ib；共集电极组态的电流放大系数共集电极组态的电流放大系数 Ie/Ib = (Ic+Ib)/Ib = +1.(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极

270、电流与电压间的关系，反映晶体管内各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优劣。数的优劣。 所以，在生产过程中常用特性曲线来判所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。断晶体管的质量好坏。 晶体管的接法不同，其特性曲线也各不晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。相同。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共基极输入特性曲线共基极输入特性曲线 输出电压输出电压VCB一一定时，输入电流与输定时，输入

271、电流与输入电压的关系曲线，入电压的关系曲线，即即IEVBE关系曲线关系曲线。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 由于发射结正向偏置，所以，由于发射结正向偏置，所以，IEVBE输入特性输入特性实际上就是实际上就是正向正向P-N结的特性结的特性，因而，因而IE随随VBE指数增大。指数增大。 但它与单独但它与单独P-N结间存在结间存在差别差别，这是由于集电结，这是由于集电结反向偏置反向偏置VCB影响的结果。若影响的结果。若VCB增大，则集电结的增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展

272、，这样就使有效基区宽势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随度随VCB增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于由于WB减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流引起发射区向基区注入的电子电流InE增加，因而发射增加，因而发射极电流极电流IE就增大。就增大。 所以，所以，输入特性曲线随输入特性曲线随VCB增大而左移增大而左移。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共射

273、极输入特性曲线共射极输入特性曲线 在输出电压在输出电压VCE一定时，输一定时，输入端电流入端电流IB与输与输入端电压入端电压VBE的的关系曲线，即关系曲线，即IBVBE曲线。曲线。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 由于发射结正偏，如将输出端短路，由于发射结正偏，如将输出端短路，VCE=0时，就相当于将发射结与集电结两个正向时，就相当于将发射结与集电结两个正向P-N结结并联。并联。 所以，输入特性曲线与正向所以，输入特性曲线与正向P-N结伏安特性结伏安特性相似。相似。 当集电结

274、处于反偏时，由于基区宽度减小，当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所也就减少。所以，以，特性曲线随特性曲线随VCE的增加而右移的增加而右移。 而且，当而且，当VBE=0时，时，IpE和和IVR都等于零，故都等于零，故IB=-ICBO。因而。因而在在VBE=0处，特性曲线下移至处，特性曲线下移至ICBO。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线输出端电流随输出端电流随输出电压变化

275、输出电压变化的关系曲线，的关系曲线，即即ICVCB关系关系曲线。曲线。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当当IE =0，即发射结不发射载流子时，输出电流，即发射结不发射载流子时，输出电流IC=ICBO，这时的输出特性就是集电结的反向特性，这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。线。 当当IE0时，随着时，随着IE的增加，的增加，IC按按IE的规律增大。的规律增大。若若IE取不同的数值，

276、就得到一组基本上互相平行的取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的ICVCB关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线ICVCE关系曲线关系曲线 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当当IB=0（基极开路）时，（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射。这是因为共

277、射极电路的输出电压为极电路的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当IB=0时，时，IE并不为零，这部分发射极电流输运到集电并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流极上，使输出电流ICE0比比ICB0大，这就是图中下面的第大，这就是图中下面的第一条曲线。一条曲线。 当当IB0时，随着时，随着IB的增加，的增加，IC就按就按IB的规律增加。的规律增加。IB取不同的数值，取不同的数

278、值，IBVCE关系就得到一组曲线。关系就得到一组曲线。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3.2 晶体管的反向电流晶体管的反向电流晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，它包括它包括ICB0，IEB0和和ICE0 。反向电流的来源：反向扩散电流、势垒产生电反向电流的来源：反向扩散电流、势垒产生电流、表面漏电流。流、表面漏电流。反向电流过大的反向电流过大的危害危害：降低成品率降低成品率 （反向电流不受输入电流控制，（反向电流不受输入电流控制，对

279、放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体对放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁 ）所以，希望所以，希望反向电流越小越好反向电流越小越好 。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3.2 晶体管的反向电流晶体管的反向电流 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 ICB0当当发射极开路（发射极开路（I

280、E=0）时，时，集电极集电极-基极的反向电流基极的反向电流(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理反向电流反向电流少子电流少子电流多子电流多子电流 集电结加反偏集电结加反偏势垒区两边的少子密度势垒区两边的少子密度平衡时的少子密度平衡时的少子密度基区中的少子基区中的少子（电子）及集电区中的少子（空穴）都（电子）及集电区中的少子（空穴）都向结区扩散向结区扩散少子电流少子电流体内复合中心和界面态复合中心体内复合中心和界面态复合中心多子多子电流电流(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理

281、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 IEB0 集电极开路（集电极开路（IC=0）时，时，发射极发射极-基极的反向电流基极的反向电流 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理注意注意 晶体管的反向扩散电流和势垒区的产晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。生电流是很小的。 引起反向电流过大的原因往往是引起反向电流过大的原因往往是表面表面漏电流漏电流太大。太大。 因此，在生产过程中，搞好因此，在生产过程中，搞好表

282、面清洁表面清洁处理处理及及工艺规范工艺规范是减小反向电流的关键。是减小反向电流的关键。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理ICE0基极开路（基极开路（IB=0）时，时，集电极集电极-发射极之间反向电流发射极之间反向电流(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 ：共射极电流放大系数：共射极电流放大系数 说明说明 要减小要减小ICE0，必须减小，必须减小ICB0。 电流放大系

283、数电流放大系数不要追求过高不要追求过高 （因为（因为ICE0太大，会影响晶体管工作的稳定性）太大，会影响晶体管工作的稳定性） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 晶体管的击穿电压是晶体管的晶体管的击穿电压是晶体管的 另一个重要参数另一个重要参数 晶体管承受电压的上限晶体管承受电压的上限 击穿电压有击穿电压有 BVEB0 BVCB0 BVCE0 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技

284、师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 BVEB0和和BVCB0 BVEB0：集电极开路时，发射极与基极间的：集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。 对于平面管，由于发射结由两次扩散形对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在结侧面最低，崩击穿电压在结侧面最低，BVEB0由基区扩由基区扩散层表面杂质浓度散层表面杂质浓度NBs决定，所以决定，所以BVEB0只有只有几伏。几伏。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理

285、半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 硬击穿硬击穿（图中曲线（图中曲线甲甲）：）： BVCB0：集电结的雪崩击：集电结的雪崩击穿电压穿电压VB 软击穿软击穿（图中曲线（图中曲线乙乙）：）： BVCB0比比VB低低 BVCB0 ：发射极开路时，集电极与基极间的：发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理BVCE0BVCE0 基极开路

286、时，集电极与发射极基极开路时，集电极与发射极 之间的击穿电压。之间的击穿电压。 BVCE0与与BVCB0之间满足以下关系之间满足以下关系 n：常数：常数 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为N型时，型时，硅管硅管n=4，锗管，锗管n=3 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为P型时，型时，硅管硅管n=2，锗管，锗管n=6 因为因为大于大于1，所以，所以，BVCE00，集电结，集电结也处于正偏，也处于正偏，VBC0，集电极电流和基极电流间，集电极电流和基极电流间满足满足ICIB的关系。的关系。 基极回路中输入一幅值基极回路中输入一幅值VIVBB的正脉冲，基极的正脉冲，基极电流电流IB将立即跳变，晶体管将沿

287、着输出特性的负载线，将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线，由截止区进入放大区。这时，集电极电流由截止区进入放大区。这时，集电极电流IC随着随着IB的的增大而很快上升，管压降增大而很快上升，管压降VCE则随着则随着IC的增大而下降。的增大而下降。当管压降下降到当管压降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE时，集电结由反时，集电结由反偏变为偏变为零偏零偏，使集电结收集载流子的能力减弱，使集电结收集载流子的能力减弱，IC随随IB增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入临界饱和临界饱和状态状态。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件

288、物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理临界饱和时集电极电流临界饱和时集电极电流 晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为临界临界饱和基极电流饱和基极电流IBS。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 若基极驱动电流若基极驱动电流IBIBS，则晶体管将处于过驱动，则晶体管将处于过驱动状态，状态，过驱动电流过驱动电流 过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状态，过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状态，

289、过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状态，过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状态，过驱动电路越大，饱和深度越深。过驱动电路越大，饱和深度越深。过驱动电路越大，饱和深度越深。过驱动电路越大，饱和深度越深。晶体管的饱和程度，可以用晶体管的饱和程度，可以用饱和深度饱和深度S来描述。来描述。 临界饱和，临界饱和，临界饱和，临界饱和，S=1S=1深度饱和，深度饱和，深度饱和，深度饱和，S1S1(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理截止区截止区发射结反偏，集电结反偏，发射结反偏，集电结反偏

290、，发射结反偏，集电结反偏，发射结反偏，集电结反偏，I IC C=I=ICEOCEO00。 基极电流基极电流IB则由则由这两个电流组成，因这两个电流组成，因而而IBIEBO+ICBO。由。由于基极电流很小，因于基极电流很小，因此，可以用输出特性此，可以用输出特性曲线中曲线中IB=0的一条线的一条线作为放大区和截止区作为放大区和截止区的分界线。的分界线。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理5.3 晶体管开关的动态特性晶体管开关的动态特性(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半

291、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理为使晶体管具有良好的开关状态，有以下为使晶体管具有良好的开关状态，有以下五个要求五个要求：（1）ICE0小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关断性良好；断性良好；（2）VCES小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通性小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通性良好；良好；（3）开关时间尽可能短，这点将

292、在以后内容中详细分析；开关时间尽可能短，这点将在以后内容中详细分析；（4）启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱和启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱和态时所需的功率态时所需的功率IBVBES；（5）开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向电开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向电压，在导通时，允许通过较大的电流；压，在导通时，允许通过较大的电流； (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 非饱和开关电路非饱和开关电路：工作在截止区和放大区，开关：工作在截止区和

293、放大区，开关速度快，但对晶体管的参数均匀性要求高，输出电平速度快，但对晶体管的参数均匀性要求高，输出电平也不够稳定。也不够稳定。 饱和开关电路：饱和开关电路：工作在截止区和饱和区，输出电工作在截止区和饱和区，输出电平较稳定，对晶体管参数的均匀性要求不高，电路设平较稳定，对晶体管参数的均匀性要求不高，电路设计简单；只是开关速度慢。计简单；只是开关速度慢。饱和开关电路和非饱和开关电路的比较饱和开关电路和非饱和开关电路的比较(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理开关过程的动态分析（开关过程

294、的动态分析（NPN管）管）延迟过程延迟过程上升过程上升过程超量储存电荷消失过程超量储存电荷消失过程下降过程下降过程(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理延迟过程延迟过程t=t1时，时，IC才上升到才上升到0.1ICS，时间，时间td= t1 - t0称为称为延迟时间延迟时间。 上升过程上升过程在在t=t2时刻，时刻，IC达到达到0.9ICS，tr=t2- t1称为称为上升时间上升时间。 上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，上升过程中，由于电流过

295、驱动而储存电荷，上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使积累速度变慢。积累速度变慢。积累速度变慢。积累速度变慢。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理超量储存电荷消失过程超量储存电荷消失过程当当t=t4时，时，IC=0.9ICS，定义，定义ts=t4-t3为为储存时间储存时间。 下降过程下降过程 集电极电流集电极电流IC也就从也

296、就从0.9ICS逐步下降到逐步下降到0.1ICS，在，在t=t5时，时，IC=0.1ICS，定义，定义tf= t5- t4为为下降时间下降时间。 下降过程是上升过程的逆过程，下降过程下降过程是上升过程的逆过程，下降过程下降过程是上升过程的逆过程，下降过程下降过程是上升过程的逆过程，下降过程中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度变快。变快。变快。变快。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导

297、体器件物理半导体器件物理开启时间（关态开启时间（关态开态）开态）关断时间（开态关断时间（开态关态）关态）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理开关时间与脉冲持续时间的关系开关时间与脉冲持续时间的关系 若晶体管的开关时间比输入脉冲持续时间短，若晶体管的开关时间比输入脉冲持续时间短，它就有良好的开关作用；反之，开关时间与脉冲它就有良好的开关作用；反之，开关时间与脉冲持续时间相近甚至更长时，晶体管就难以起到开持续时间相近甚至更长时，晶体管就难以起到开关的作用了。关的作用了。(施敏)半导体器

298、件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 7 章半导体表面特性及半导体表面特性及MOS电容电容 7.1 7.1 半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构7.2 7.2 表面势表面势表面势表面势7.3 MOS7.3 MOS结构的电容结构的电容结构的电容结构的电容电压特性电压特性电压特性电压特性7.4 MOS7.4 MOS结构的阈值电压结构的阈值电压结构的阈值电压结构的阈值电压(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理

299、 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点硅硅-二氧化硅界面中存在的二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施不利因素和消除措施MOS结构中结构中C-V曲线揭示了曲线揭示了 氧化层等器件质量性能氧化层等器件质量性能阈值电压表征半导体表面反型状态，阈值电压表征半导体表面反型状态， 它是它是MOS器件的基础器件的基础(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理7.1 半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构 半导体器件的特性与半导体表面特征性

300、质有特半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面内完成的（几个微米甚至更小），因而，如何有效内完成的（几个微米甚至更小），因而，如何有效控制和完善半导体的表面质量，从而进一步利用半控制和完善半导体的表面质量，从而进一步利用半导体表面效应，可用来制造例如导体表面效应，可用来制造例如MOS（金属（金属-氧化氧化物物-半导体）器件半导体）器件、CCD（电荷耦合器件）、（电荷耦合器件）、LED（发光二极管）、（发光二极管）、LCD

301、（液晶显示）、半导（液晶显示）、半导体激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感体激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感应器件。应器件。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理理想表面（清洁表面）理想表面（清洁表面）原子完全有规则排列所终止的一个平面。原子完全有规则排列所终止的一个平面。 表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键，但由于表面价键处于所谓成共价键，但由于表面价键处于所谓“悬挂键悬挂键”的空置状态，其状态极其不稳定，表面很容的空

302、置状态，其状态极其不稳定，表面很容易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形成氧化层。成氧化层。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理真实表面真实表面 用物理或化学方法形成的半导体表面，暴用物理或化学方法形成的半导体表面，暴露在空气中，存在氧化层或吸附其他原子。露在空气中，存在氧化层或吸附其他原子。 表面存在表面存在表面存在表面存在“ “悬挂键悬挂键悬挂键悬挂键” ”，对电子有受主的性，对电子有受主的性，对电子有受主的性，对电子有受主的性质，存在

303、一些可以容纳电子的能量状态，称为质，存在一些可以容纳电子的能量状态，称为质，存在一些可以容纳电子的能量状态，称为质，存在一些可以容纳电子的能量状态，称为“ “表面能级表面能级表面能级表面能级” ”或或或或“ “表面态表面态表面态表面态” ”。 表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准连续。连续。连续。连续。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面能级密度表面能级密度单位面积所具有

304、的表面态的数目。单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级表面费米能级 (EF)S载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。载流子填充表面能级的状态。电子填充带负电；电子填充带负电；电子填充带负电；电子填充带负电；空穴填充带正电。空穴填充带正电。空穴填充带正电。空穴填充带正电。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理内表面内表面真实表面存在天然氧化层，真实表面存在天然氧化层，半导体与天然氧化层的交界面；半导体与天然氧化层的交界面；内表面能级

305、密度比原子密度小好几个数量级。内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。外表面外表面天然氧化层与外界接触的交界面。天然氧化层与外界接触的交界面。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理快态能级快态能级在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。（内表面）在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。（内表面）需较长时间完成与体内交换电子。（外表面）需较长时间完成与体内交换电子。（外表面）慢态能级慢态能级(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理

306、江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理Si-SiO2界面的结构界面的结构 利用热生长或化学汽相淀积人工生长的利用热生长或化学汽相淀积人工生长的SiO2可可有厚达几千埃（有厚达几千埃（10-10m），外表面能级几乎无法与），外表面能级几乎无法与体内交换电子，体内交换电子， Si-SiO2界面有别于理想表面和真界面有别于理想表面和真实表面，慢态能级和外界气氛对半导体内的影响很实表面，慢态能级和外界气氛对半导体内的影响很小。小。 SiO2常用作常用作MOS结构中的绝缘介质层，器件结构中的绝缘介质层，器件有源区之间场氧化隔离，选择掺杂的掩蔽膜，钝化有源区之间场氧化隔离，选择掺杂的

307、掩蔽膜，钝化保护膜等。保护膜等。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 硅硅-二氧化硅界二氧化硅界面，二氧化硅层中，面，二氧化硅层中，存在一些严重影响存在一些严重影响器件性能的因素，器件性能的因素，主要是氧化层中主要是氧化层中可可动离子动离子，固定氧化固定氧化层电荷层电荷，界面陷阱界面陷阱，以及辐射、高温高以及辐射、高温高负偏置应力会引起负偏置应力会引起附加氧化层电荷的附加氧化层电荷的增加等。增加等。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体

308、器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理可动离子可动离子 在人工生长的二氧化硅层中存在着一些可移动在人工生长的二氧化硅层中存在着一些可移动的正电荷，它们主要是沾污氧化层的一些离子。刚的正电荷，它们主要是沾污氧化层的一些离子。刚沾污时，这些正离子都在氧化层的外表面上。在电沾污时，这些正离子都在氧化层的外表面上。在电场及温度的作用下，它们会漂移到靠近硅场及温度的作用下，它们会漂移到靠近硅-二氧化硅二氧化硅界面处，在硅的表面处感应出负电荷，对器件的稳界面处，在硅的表面处感应出负电荷，对器件的稳定性有很大的影响。其中最主要的是定性有很大的影响。其中最主要的是钠离子钠离子（

309、Na+），），它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低，因此它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低，因此危害危害很大很大。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行工为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、气艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：器

310、件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷磷稳定化稳定化和和氯中性化氯中性化。 磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷硅钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证二氧玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证二氧化硅内碱金属离子最小状态。化硅内碱金属离子最小状态。 氯中性化在即生长二氧化硅层时，将少量氯化合物一氯中性化在即生长二氧化硅层时，将少量氯化合物一起反应生成一种新的材料，它是位于氧化层起反应生成一种新的材料，它是位于氧化层-硅界

311、面的氯硅界面的氯硅氧烷，当钠离子迁移到氧化层硅氧烷，当钠离子迁移到氧化层-硅界面时会被陷住中和，硅界面时会被陷住中和，实现稳定化。实现稳定化。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 实验表明硅实验表明硅实验表明硅实验表明硅- -二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固定正电荷，它们大致分布在近界面定正电荷，它们大致分布在近界面定正电荷，它们大致分布在近界面

312、定正电荷，它们大致分布在近界面100100的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的范围内。对半导体表面的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其的电性质有重要的影响。其特点特点特点特点可总结分析如下：可总结分析如下：可总结分析如下：可总结分析如下：（1 1）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关；（2 2）固定电荷受不同晶向影响而变化，其密度（）固定电荷受不同晶向影

313、响而变化，其密度（）固定电荷受不同晶向影响而变化，其密度（）固定电荷受不同晶向影响而变化，其密度（111111）表面最大，）表面最大，）表面最大，）表面最大，（100100）表面最小，两者比例大约为）表面最小，两者比例大约为）表面最小，两者比例大约为）表面最小，两者比例大约为3 3：1 1；（3 3）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关，）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关，）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关，）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关，温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意，当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线

314、性下降。值得注意，当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意，当氧化过程温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意，当氧化过程中经过不同温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定；中经过不同温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定；中经过不同温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定；中经过不同温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定；（4 4）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长的时间，）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长的时间，）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长的时间，）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长的时间，不管

315、其生长氧化层温度高还是低，总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低，总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低，总可以获得最小固定电荷密度不管其生长氧化层温度高还是低，总可以获得最小固定电荷密度值。值。值。值。固定正电荷固定正电荷(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 先生长的氧化层却是留在外表面，而后生长的氧化层则是留在与先生长的氧化层却是留在外表面，而后生长的氧化层则是留在与硅接触的内表面，即界面处，这也就是界面处固定电荷为什么由最终硅接触的内表面，即界

316、面处，这也就是界面处固定电荷为什么由最终氧化温度决定的道理（氧化温度越低，固定正电荷密度越大）。减少氧化温度决定的道理（氧化温度越低，固定正电荷密度越大）。减少固定电荷的标准工艺，即在惰性气体中固定电荷的标准工艺，即在惰性气体中退火退火，图中可见它的，图中可见它的QF（单位（单位栅面积固定电荷）值最小。栅面积固定电荷）值最小。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理界面陷阱（界面态）界面陷阱（界面态） 界面陷阱一般分布于整个禁带范围内，有的甚至界面陷阱一般分布于整个禁带范围内，有的甚

317、至可以高于导带底（可以高于导带底（EC）和低于价带顶（）和低于价带顶（EV）。）。 界面陷阱可以是施主型的，也可以是受主型的。界面陷阱可以是施主型的，也可以是受主型的。 产生界面陷阱主要由于半导体表面的不完全化学产生界面陷阱主要由于半导体表面的不完全化学键或所谓键或所谓“悬挂键悬挂键”引起的。界面价键在形成氧化层引起的。界面价键在形成氧化层时，没有被饱和而悬挂着，就会变成界面陷阱。时，没有被饱和而悬挂着，就会变成界面陷阱。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理（1）界面陷阱密度在（

318、）界面陷阱密度在（111）表面最大，在（）表面最大，在（100）表）表面最小，禁带中央其界面态比例大约为面最小，禁带中央其界面态比例大约为3：1；（2）界面陷阱在干氧气氛中氧化后，其密度较高，禁）界面陷阱在干氧气氛中氧化后，其密度较高，禁带中央为带中央为10111012/cm2eV，氧化温度越高，界面态密度，氧化温度越高，界面态密度越大；越大；（3）在较低温度（）在较低温度（500）含氢气气氛中退火可以减）含氢气气氛中退火可以减小界面态密度，禁带中央为小界面态密度，禁带中央为1010/cm2eV，但是在惰性，但是在惰性气氛高温（气氛高温（600）下退火却不能降低；）下退火却不能降低；（4）界面

319、陷阱密度在禁带中央的区域基本不变，在靠）界面陷阱密度在禁带中央的区域基本不变，在靠近价带顶和导带底边缘增长很快。且数目相等、电性相近价带顶和导带底边缘增长很快。且数目相等、电性相反，即导带下应该是施主型界面态，价带上应该是受主反，即导带下应该是施主型界面态，价带上应该是受主型界面态。型界面态。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 减小界面态的方减小界面态的方法除了氢气退火外，法除了氢气退火外，还可用金属后退火工还可用金属后退火工艺，在金属后退火温艺，在金属后退火温度下活性栅材料（

320、铝）度下活性栅材料（铝）会在氧化层表面与水会在氧化层表面与水蒸气反应，释放出氢蒸气反应，释放出氢原子，它会通过二氧原子，它会通过二氧化硅层与悬挂键结合，化硅层与悬挂键结合，从面减小界面态密度。从面减小界面态密度。 界面态能量分布和退火前后界面态密度比较界面态能量分布和退火前后界面态密度比较(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理电离陷阱电离陷阱 固态器件中固态器件中辐射损伤辐射损伤一直是航空和军事应用上碰到一直是航空和军事应用上碰到的主要问题。有些损伤会直接导致失效，而更多的可能的主要

321、问题。有些损伤会直接导致失效，而更多的可能使器件和系统退化，影响其性能和使用。使器件和系统退化，影响其性能和使用。 辐射损伤的主要过程辐射损伤的主要过程：首先在氧化层中产生电子：首先在氧化层中产生电子-空穴对，其一部分会立刻复合，剩余部分在氧化层中电空穴对，其一部分会立刻复合，剩余部分在氧化层中电场作用下分离，电子和空穴沿相反方向加速，由于电子场作用下分离，电子和空穴沿相反方向加速，由于电子的迁移率比空穴大，电子会迅速离开氧化层（纳秒数量的迁移率比空穴大，电子会迅速离开氧化层（纳秒数量级），而空穴由于跃迁一段时间后到达级），而空穴由于跃迁一段时间后到达Si-SiO2界面，它界面，它会与来自硅的

322、电子复合或在深能级处被陷住，一旦陷住会与来自硅的电子复合或在深能级处被陷住，一旦陷住后，就类似于固定电荷（称之为电离陷阱）。同时，辐后，就类似于固定电荷（称之为电离陷阱）。同时，辐射还能增加界面态。射还能增加界面态。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 热退火可以很容易地去除如离子注入、电热退火可以很容易地去除如离子注入、电子束蒸发

323、、等离子溅射等工艺过程中的辐射损子束蒸发、等离子溅射等工艺过程中的辐射损伤，但制备后的器件中实际恢复是相对有限的，伤，但制备后的器件中实际恢复是相对有限的，因此更可取的方法是对器件进行因此更可取的方法是对器件进行“加固加固”。 例如：栅氧化温度低于例如：栅氧化温度低于1000来加固氧化来加固氧化层，使辐射的敏感度降低。铝屏蔽加固可阻止层，使辐射的敏感度降低。铝屏蔽加固可阻止大多数空间带能粒子，并增大大多数空间带能粒子，并增大MOS场效应管的场效应管的阈值电压，减弱辐射造成栅电压变化对阈值电阈值电压，减弱辐射造成栅电压变化对阈值电压的影响。压的影响。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理

324、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理7.2 表面势表面势 我们已经对我们已经对Si-SiO2界面的电荷情况作了详细讨论。界面的电荷情况作了详细讨论。再在氧化层上进一步淀积一层金属（通常是铝）就构成再在氧化层上进一步淀积一层金属（通常是铝）就构成所谓所谓MOS结构结构，它是目前制造器件的基本结构形式。，它是目前制造器件的基本结构形式。 中间绝缘层中间绝缘层（SiO2）将金属板）将金属板和半导体两个电极和半导体两个电极隔开隔开。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大

325、学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 绝缘体内无任何电荷且完全不导电，金属与绝缘体内无任何电荷且完全不导电，金属与半导体功函数差为零，绝缘体与半导体界面不存半导体功函数差为零，绝缘体与半导体界面不存在任何界面态。在任何界面态。 如图，如图，V=0时，其能带情况，图中金属功函时，其能带情况，图中金属功函数为数为qm，半导体功函数为，半导体功函数为qS，两者的差为零，两者的差为零，q为电子亲和力，而为电子亲和力，而qF为费米能级与本征费米为费米能级与本征费米能级的能级差。能级的能级差。 理想状态理想状态(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物

326、理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理试画出理想试画出理想MOS结构（结构（N型半导体为衬型半导体为衬底）平衡时的能带图。底）平衡时的能带图。P127 2，3，4，5(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 空间电荷区空间电荷区 实际实际MIS结构就可看作一个平行板电容器。结构就可看作一个平行板电容器。我们从上面

327、图中得知，在不加电压情况下，其能我们从上面图中得知，在不加电压情况下，其能带是平的（平带状况），当两端加一定电压后，带是平的（平带状况），当两端加一定电压后，金属和半导体两个面将被充电，它们所带电荷符金属和半导体两个面将被充电，它们所带电荷符号相反，电荷分布也不一样。金属中电荷分布在号相反，电荷分布也不一样。金属中电荷分布在一个原子层的厚度范围内；而半导体中，由于自一个原子层的厚度范围内；而半导体中，由于自由载流子密度要低得多，电荷必定在一定厚度的由载流子密度要低得多，电荷必定在一定厚度的表面层内分布，这个带电的表面层称表面层内分布，这个带电的表面层称空间电荷区空间电荷区。 (施敏)半导体器件

328、物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为常称空间电荷区两端的电势差为表面势表面势S。 表面势表面势 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物

329、理半导体器件物理 MIS结构加正向电压结构加正向电压时，金属侧积累正电荷，在时，金属侧积累正电荷，在半导体表面一薄层内便形成了一个负的空间电荷区，半导体表面一薄层内便形成了一个负的空间电荷区，同时形成了一个方向指向半导体内部的表面电场。也同时形成了一个方向指向半导体内部的表面电场。也可以说在半导体表面存在一个电势差，各点的静电势可以说在半导体表面存在一个电势差，各点的静电势(x)逐渐下降。到达电中性后，各点静电势保持相等，逐渐下降。到达电中性后，各点静电势保持相等，如图如图(a)所示。图中体内的电势取为零，所示。图中体内的电势取为零，S称为表面电称为表面电势，对于负空间电荷的情况，表面势为正的

330、，势，对于负空间电荷的情况，表面势为正的，E为表为表面电场。从能带的观点看，表面的能带将发生弯曲。面电场。从能带的观点看，表面的能带将发生弯曲。由于电子的电势能为由于电子的电势能为-q(x)，因此能带自半导体内部，因此能带自半导体内部到表面向下弯曲。图到表面向下弯曲。图(b)表明负空间电荷区表面能带向表明负空间电荷区表面能带向下弯曲的情况。此时，表面与体内达到了热平衡，具下弯曲的情况。此时，表面与体内达到了热平衡，具有共同的费米能级；空间电荷区中的负电荷恰好与金有共同的费米能级；空间电荷区中的负电荷恰好与金属中的正电荷相等。属中的正电荷相等。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导

331、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 MIS结构加反向电压结构加反向电压时，金属侧积累负电荷，半时，金属侧积累负电荷，半导体表面一层便形成正的空间电荷区。此时，表面势导体表面一层便形成正的空间电荷区。此时，表面势S是负的，表面电场由半导体指向外界，表面的能带是负的，表面电场由半导体指向外界，表面的能带向上弯曲，如图所示。向上弯曲，如图所示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 表面积累表面积累（对（对（对（对P P型

332、半导体而言）型半导体而言）型半导体而言）型半导体而言） 施加一个负电压（施加一个负电压（V0）于金属平板上时，半）于金属平板上时，半导体表面将产生超量的正载流子（空穴），表面势导体表面将产生超量的正载流子（空穴），表面势为负，表面能带向上弯曲，如图（为负，表面能带向上弯曲，如图（a）所示。）所示。 半导体表面向上弯曲的能带使得半导体表面向上弯曲的能带使得Ei-EF的能级差的能级差变大，价带顶逐渐移近甚至超过表面费米能级，进变大，价带顶逐渐移近甚至超过表面费米能级，进而提高空穴浓度，造成表面空穴堆积，此种情况称而提高空穴浓度，造成表面空穴堆积，此种情况称为表面积累。与之对应电荷分布如右半部分所示

333、，为表面积累。与之对应电荷分布如右半部分所示，其中，其中，QS为半导体中每单位面积的正电荷量，而为半导体中每单位面积的正电荷量，而Qm为金属中每单位面积的负电荷量，它们的数量是相为金属中每单位面积的负电荷量，它们的数量是相等的，符号相反。等的，符号相反。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面耗尽表面耗尽表面耗尽表面耗尽 施加一个正

334、电压（施加一个正电压（V0）于金属板上时，表面）于金属板上时，表面势为正值，表面处能带向下弯曲，如图（势为正值，表面处能带向下弯曲，如图（b）所示。）所示。 这时越接近表面，价带顶离费米能级越远，价这时越接近表面，价带顶离费米能级越远，价带中空穴浓度随之降低。并且，外加正电压越大，带中空穴浓度随之降低。并且，外加正电压越大，能带向下弯曲越深；越接近表面，空穴浓度比体内能带向下弯曲越深；越接近表面，空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度，这种情况称表面耗尽。半导体中每单位面积浓度，这种情况称表面耗尽。半导体中每单位面积的空间电荷

335、的空间电荷QSC的值为的值为qNAW，其中，其中W为表面耗尽为表面耗尽区的宽度。区的宽度。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理表面反型表面反型表面反型表面反型 施加一个更大正电压时，表面处能带进一步向施加一个更大正电压时，表面处能带进一步向下弯曲，如图（下弯曲，如图（c）所示。）所示。 表面处费米能级位置高于禁带中央能级表面处费米能

336、级位置高于禁带中央能级Ei，也，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，这意味着表面处性质发生根本性变化，表面电子浓这意味着表面处性质发生根本性变化，表面电子浓度超过空穴浓度，表面导电类型由空穴型转变成电度超过空穴浓度，表面导电类型由空穴型转变成电子型，这种情况称表面反型。反型层子型，这种情况称表面反型。反型层Xi发生在近表发生在近表面，且厚度很薄，而紧靠其内部还夹着一层耗尽层，面，且厚度很薄，而紧靠其内部还夹着一层耗尽层，厚度比反型层大很多。厚度比反型层大很多。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器

337、件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 对于对于N型半导体型半导体，同样可证明：，同样可证明：金属电极加正电压为电子积累；金属电极加正电压为电子积累；加小负电压为耗尽状态；加小负电压为耗尽状态；而负电压进一步增大时，表面空穴堆积而负电压进一步增大时，表面空穴堆积出现反型层。出现反型层。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件

338、物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理7.3 MOS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）结构中，实际氧）结构中，实际氧化物就是绝缘体，它完全类同于化物就是绝缘体，它完全类同于MIS电容，是一种电容，是一种特例，称特例，称MOS电容。电容。 由于制造由于制造MOS器件必然采用这种结构，因而器件必然采用这种结构，因而MOS电容成为集成电路中制造电容首选，而其寄生电容成为集成电路中制造电容首选，而其寄生性同样是引起器件性

339、能下降的原因所在。性同样是引起器件性能下降的原因所在。 所以，对这一结构的研究分析，从来就没有停所以，对这一结构的研究分析，从来就没有停止过。止过。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理理想理想MOS电容电容 金属金属-半导体功函数差为零；半导体功函数差为零；氧化层及界面电荷为零；氧化层及界面电荷为零；界面态为零；界面态为零； 半导体体内电阻为零；半导体体内电阻为零；氧化层完全不导电。氧化层完全不导电。能带应是平的；能带应是平的；半导体表面处半导体表面处S=0。 (施敏)半导体器件

340、物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理电压分布电压分布 VG一部分降落在氧化层中，另一部分降落在半一部分降落在氧化层中，另一部分降落在半导体表面（空间电荷区，而体内电压降为零）。导体表面（空间电荷区，而体内电压降为零）。 把把MOS电容看作为一个平行板电容器，并且由上面电容看作为一个平行板电容器，并且由上面电压关系得知，电压关系得知，MOS电容实际就是由一个电容实际就是由一个氧化层电容氧化层电容和和一个一个半导体中空间电荷区电容半导体中空间电荷区电容的的串联结构串联结构组成的。组成的。 (施敏)半导体

341、器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理氧化层单位面积电容氧化层单位面积电容 Xox 氧化层厚度；氧化层厚度；0 真空介电常数；真空介电常数；OX 氧化层相对介电系数。氧化层相对介电系数。 式（式（式（式（7-27-2）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体微分电容半导体微分电容 W 耗尽层宽度；耗尽层宽度；S 半导体相对介电常数半导体相对介电常数 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半

342、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理理想理想MOS结构总电容结构总电容 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理（100）硅，掺杂）硅，掺杂ND=9.11014/cm3Xox=0.119m，高频（高频（1MHz）和）和低频（准静态）低频（准静态）条件下实际测得条件下实际测得C-V特性曲线。特性曲线。分情况讨论略。分情况讨论略。 理想理想MOS的的C-V特性曲线特性曲线 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体

343、器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理实际实际MOS的的 C-V特性曲线特性曲线 1）氧化层内正电荷对）氧化层内正电荷对C-V特性的影响特性的影响 氧化层内正电荷（氧化层内正电荷（QSS）的作用，可以看作在没有）的作用，可以看作在没有外加电压（外加电压（VG=0）时，相当于施加了一个正电压，如）时，相当于施加了一个正电压，如果要消除它的影响，则应当在栅上施加一个负电压（果要消除它的影响，则应当在栅上施加一个负电压（-VFB）来抵消，使弯曲的能带重新变为平带，平带时）来抵消，使弯曲的能带重新变为平带，平带时的电容称的电容称

344、平带电容平带电容，用，用CFB表示，如图所示。表示，如图所示。 图中可见，图中可见，正电荷总是使正电荷总是使C-V曲线产生左移影响曲线产生左移影响。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理正电荷引起正电荷引起C-V曲线移动（左图曲线移动（左图P型衬底，右图型衬底，右图N型衬底）型衬底） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理2）金属）金属-半导体功函数的影响半导体功函数的影响

345、 真空能级和费米能级之间的能量差称为材料的真空能级和费米能级之间的能量差称为材料的功功函数（函数（）。不同材料，具有不同功函数，因而。不同材料，具有不同功函数，因而MOS结构的两个电极（金属、半导体）就会存在结构的两个电极（金属、半导体）就会存在功函数差功函数差（MS） 。由于铝功函数小于半导体，不管是。由于铝功函数小于半导体，不管是N型还型还是是P型半导体，功函数差型半导体，功函数差MS都是负值；而一般铝和都是负值；而一般铝和N型半导体的型半导体的MS总比与总比与P型半导体的型半导体的MS来得小。来得小。 MS使使C-V曲线产生左移影响曲线产生左移影响 目前更多是用高掺杂的多晶硅（目前更多是

346、用高掺杂的多晶硅（polysilicon）来）来代替铝制作栅极，代替铝制作栅极，N+多晶硅效果与铝作用一致，但实多晶硅效果与铝作用一致，但实际功函数差略大于铝。际功函数差略大于铝。P+多晶硅代替铝，造成功函数多晶硅代替铝，造成功函数差却是正的，对于差却是正的，对于N型衬底的作用是极为有利的。型衬底的作用是极为有利的。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器

347、件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3）掺杂浓度、氧化层厚度、温度对）掺杂浓度、氧化层厚度、温度对C-V特性影响特性影响 掺杂浓度提高，高频反型电容会大大增加，掺杂浓度提高，高频反型电容会大大增加，耗尽偏置区将大大展宽。曲线上表现为电容下降耗尽偏置区将大大展宽。曲线上表现为电容下降的耗尽范围从的耗尽范围从1V左右扩展到左右扩展到2V以上，反型区域以上，反型区域最小电容值按（倍最小电容值按（倍/数量级）增加，呈底部抬高数量级）增加，呈底部抬高之势。而无曲线平移，且

348、积累区电容固定，各掺之势。而无曲线平移，且积累区电容固定，各掺杂浓度重叠一致。如图所示为不同杂浓度重叠一致。如图所示为不同P型掺杂浓度型掺杂浓度对对MOS电容高频电容高频C-V特性影响。特性影响。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 温度温度对对C-V特性影响如图所示，它对反型偏特性影响如图所示，它对反型偏置电容有中等敏感度，其他区

349、域则基本上不随温置电容有中等敏感度，其他区域则基本上不随温度变化。度变化。 氧化层厚度氧化层厚度增加也会使耗尽偏置区展宽，并使高增加也会使耗尽偏置区展宽，并使高频反型电容升高，形式与掺杂一致，主要由于展厚频反型电容升高，形式与掺杂一致，主要由于展厚氧化层将分担更大比例电压所致。氧化层将分担更大比例电压所致。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体

350、器件物理7.4 MOS结构的阈值电压结构的阈值电压 通常把使半导体表面强反型（通常把使半导体表面强反型（s=2F ）所需加）所需加在金属栅极上的电压定义为在金属栅极上的电压定义为阈值电压阈值电压，又可称，又可称开启电开启电压压。 理想理想MOS结构的阈值电压（结构的阈值电压（P型半导体衬底）型半导体衬底）耗尽层中电荷量耗尽层中电荷量 式（式（式（式（7-77-7）式（式（式（式（7-87-8）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理W 耗尽层宽度耗尽层宽度 当当s =2F时，时，W=W

351、m 式（式（式（式（7-107-10）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P型半导体衬底理想型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表达式结构阈值电压表达式(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理N型半导体衬底理想型半导体衬底理想MOS 结构阈值电压表达式结构阈值电压表达式(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学

352、江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理【例例7-1】 一个衬底一个衬底NA=1017cm-3的理想的理想MOS结构，设氧结构，设氧化层厚度化层厚度Xox =50 ，试计算单位面积氧化层电容，试计算单位面积氧化层电容COX和和s = 2F的值。最大耗尽层宽度的值。最大耗尽层宽度Wm和半导体中和半导体中每单位面积的空间电荷每单位面积的空间电荷QSC的值。二氧化硅和硅的相的值。二氧化硅和硅的相对介电常数分别是对介电常数分别是3.9和和11.9。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理

353、解解：由式（：由式（7-2）得）得 由式（由式（7-7）得）得 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理由式（由式（7-10）得）得 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理由式（由式（7-8）得）得 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理实际实际MOS结构的阈值电压

354、（结构的阈值电压（P型半导体衬底）型半导体衬底） 在实际在实际MOS结构中，由于结构中，由于固定氧化层正电荷固定氧化层正电荷（QSS）以及）以及功函数差功函数差的作用都是使平带电压偏移，的作用都是使平带电压偏移，半导体表面能带向下弯曲，而要克服它们的影响，必半导体表面能带向下弯曲，而要克服它们的影响，必须在栅上施加一个须在栅上施加一个VFB电压（负的），来拉平下弯能电压（负的），来拉平下弯能带，而使之成为理想带，而使之成为理想MOS结构，由此可见，结构，由此可见，实际实际MOS结构的阈值电压结构的阈值电压VT比理想比理想MOS结构的阈值电压结构的阈值电压多出一个多出一个VFB电压值。电压值。(

355、施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理由由P型半导体构成的实际型半导体构成的实际MOS结构结构 由由N型半导体构成的实际型半导体构成的实际MOS结构结构 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理【例例7-2】 对对【例例7-1】中，假设中，假设N+多晶硅与衬底的平带多晶硅与衬底的平带电压为电压为-1.10V ，试计算阈值电压。，试计算阈值电压。 解解：由例：由例7-1中，可以得

356、到中，可以得到COX6.9010-7 F/cm2， 2F0.82V，则，则(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P 127 8，9，11，12，13，14，15，16(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 8 章MOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 8.1 MOSFET8.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类的结构和分类的结构和分类8.2 MOS

357、FET8.2 MOSFET的特性曲线的特性曲线的特性曲线的特性曲线8.3 MOSFET8.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压的阈值电压的阈值电压8.4 MOSFET8.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性的伏安特性的伏安特性8.5 MOSFET8.5 MOSFET的频率特性的频率特性的频率特性的频率特性8.6 MOSFET8.6 MOSFET的开关特性的开关特性的开关特性的开关特性8.7 8.7 阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范

358、大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 MOSFET的结构、种类和特点的结构、种类和特点 MOSFET的直流特性和阈值电压调整的直流特性和阈值电压调整 MOSFET的交流响应的交流响应(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管双极型晶体管：由一个：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，结注入非平衡少数载流子，并由另一个并由另

359、一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。称为双极型晶体管。 场效应晶体管（场效应晶体管（FET）：）：利用改变垂直于导电沟道的利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为运的，因此也称为单极型晶体管单极型晶体管。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半

360、导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类第一类第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体）。若用二氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属氧化物金属氧化物半导体半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种管中最重要的一种；第二类第二类：结型场效应管（：结型场效应管（J

361、FET），它就是用），它就是用P-N结势垒结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类第三类：薄膜场效应晶体管（：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。金属蒸发在绝缘衬底上而构成。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导

362、体器件物理半导体器件物理MOSFETMOSFET相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到场效应晶体管的输入阻抗可以达到1091015欧；欧；（2）噪声系数小：因为）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；）功耗小：可用于制造高集成密度

363、的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后下降，这是下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理MOSFETMOSFET相比双极型

364、晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点工艺洁净要求较高；工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成 用用N型半导体材料做衬底型半导体材料做衬底 用用P型半导体材料做衬底型半导体材料做衬底 由由N型衬底制成的管子，其漏源区是型衬底制成的管

365、子，其漏源区是P型的，型的，称为称为P沟沟MOS场效应管场效应管；由由P型材料制成的管子，其漏源区是型材料制成的管子，其漏源区是N型的，型的，称为称为N沟沟MOS场效应管场效应管。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P沟沟MOS管的工作原理管的工作原理 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在工作时，在工作时，源与漏之间接电源电压源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏

366、极接。通常源极接地，漏极接负电源。在负电源。在栅极和源之间加一个负电压栅极和源之间加一个负电压，它将使，它将使MOS结构中半导结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就型沟道就形成了。空穴能在漏

367、源电压形成了。空穴能在漏源电压VDS的作用下，在沟道中输运。的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，称为场效应管的开启电压。显然，P沟沟MOS管的管的VT是负值。由前是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为面的讨论可知，形成沟道的条件为 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征征MOS场效应管性能的一个重要参数，

368、以后内场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。容中还将做详细介绍。 另外，还可以指出，当栅极电压变化时，另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。压变化，这样就可以实现电压放大作用。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 MOSFET的四种类型的四种类型P P沟耗尽型沟耗尽型沟耗尽型

369、沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使正的栅压可以使正的栅压可以使正的栅压可以使P P型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。 P沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成负的栅压才能形成P型沟道。型沟道。 N沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成正的栅压才能形成N型沟道。型沟道。 N沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟

370、道已存在，加上一个负的栅压才能使负的栅压才能使N型沟道消失。型沟道消失。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 如果在同一如果在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管和管和

371、N沟沟MOS管，管，（N沟沟MOS管制作在管制作在P阱内），这就构成阱内），这就构成CMOS 。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P127 17，18P142 1，3，4(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 MOSFET的特征的特征1双边对称双边对称在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很

372、大不同，对于双极型晶体管，如果交换管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。2单极性单极性在在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。另一种载流子在导电中也起着重要作用。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体

373、器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理3高输入阻抗高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直的直流输入阻抗可以大于流输入阻抗可以大于1014欧。欧。4电压控制电压控制MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的晶体管可以驱动许多与它相似的MO

374、S晶体管；也晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。就是说，它有较高的扇出能力。5自隔离自隔离由由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体管之间能自动隔离。一个晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西

375、科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.2 MOSFET的特性曲线的特性曲线 对于对于MOSFET则可引进则可引进输出特性曲线输出特性曲线和和转移特转移特性曲线性曲线来描述其电流电压关系。来描述其电流电压关系。 输出特性曲线输出特性曲线 通过通过MOSFET的的漏源电流漏源电流IDS与加在与加在漏源极间漏源极间的电压的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。之间的关系曲线即为输出特性曲线。 这时这时加在栅极上的电压作为参变量加在栅极上的电压作为参变量。 以以N沟道增强型沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。为例来进行讨论。 （共源极接法（共源极接法）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体

376、器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理源极接地，并作源极接地，并作为输入与输出的为输入与输出的公共端，衬底材公共端，衬底材料也接地。料也接地。输入加在栅极输入加在栅极G及源极及源极S之间，之间，输出端为漏极输出端为漏极D与源极与源极S。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 对于对于N沟道增强型管，沟道增强型管，VDS为正电压，为正电压，VGS也是正电压。当也是正电压。当VGS大于开启电压时，大于开启电压时，

377、N沟道形成，电流通过沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。沟道流过漏和源之间。 定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。 可调电阻区可调电阻区/线性工作区线性工作区/三极管工作区三极管工作区 当漏源电压当漏源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的一个连续的N型沟道。此沟道的长度型沟道。此沟道的长度L不变，宽度不变，宽度W也不变。从也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的使沟道中各点的电位不同，在近源处（电位不同，在近源处（VGS-

378、V沟沟）比近漏处的大，表面电场较大，）比近漏处的大，表面电场较大，沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与与VDS基本上是基本上是线性关系。而且，线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。由此而来。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 可调电阻区的范围为可调电阻区

379、的范围为VDSVGS-VT时，沟道夹断时，沟道夹断点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的电压仍为缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图都降落在夹断区，如图8-11中的中的AB段所示。段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值IDSS。 若若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均降落在耗尽区，漏源电流

380、仍基本上维持均降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持IDSS值，值，因此这个区域称为饱和工作区，如图因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域中区域所所示。示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理沟道长度调变效应沟道长度调变效应 两个两个N+区（源区（源-漏）之间形成沟道长度漏）之间形成沟道长度L满足大满足大大于夹断区大于夹断区AB段长度段长度(长沟道长沟道)，其饱和漏源电流，其饱和漏源电流基本上不变。图基本上不变。图8-10中水平直线。中水平直线。 但当沟道长度但当沟道长度L不

381、满足大大于夹断区不满足大大于夹断区AB段长度段长度(短沟道短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，作区中，IDS会随会随VDS增大而增加，这就是所谓的增大而增加，这就是所谓的沟沟道长度调变效应道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。调变效应相当。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理雪崩击穿区雪崩击穿

382、区 当当VDS超过漏与衬底间超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时，结的击穿电压时，漏和源之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极漏和源之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极直接经衬底到达源极流过大的电流，直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大。迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第这就出现输出特性曲线中的第个区域个区域雪崩雪崩击穿区，如图击穿区，如图8-12（a）所示。）所示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件

383、物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 可以用相似的方法讨论可以用相似的方法讨论N沟道耗尽型，沟道耗尽型， P沟道增强型，沟道增强型，P沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）（d）所示。）所示。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理

384、MOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线 MOSFET是一种电压控制器件，它是利用加在栅是一种电压控制器件，它是利用加在栅极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极型晶体管用基极电流控制集电极电流是不同的。当型晶体管用基极电流控制集电极电流是不同的。当MOS晶体管工作在饱和区时，工作电流为晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不。不同的同的VGS会引起不同的会引起不同的IDSS。我们将。我们将IDSS与与VGS之间之间的关系曲线称为转移特性曲线。的关系曲线称为转移特性曲线。 对于对于N沟增强型沟增强型MOS管，管，VT0，VGS0，其转移，其转

385、移特性曲线如图特性曲线如图8-13（a）所示。）所示。 用相似的方法可以得到用相似的方法可以得到N沟耗尽型，沟耗尽型，P沟增强型，沟增强型，P沟耗尽型沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表的转移特性曲线，它们分别表示于图示于图8-13（b）（d）。）。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体

386、器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压N沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 对于增强型管，对于增强型管，VT0 式（式（式（式（8-18-1）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的夹断电压的夹断电压Vp （8-1）也适合于）也适合于N沟耗尽型管沟耗尽型管 这时这时VT显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加显然小于零

387、。这说明在栅极电压为零即未加电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实际上就是夹断电压，通常用际上就是夹断电压，通常用Vp表示。对于表示。对于N沟耗尽型沟耗尽型MOSFET，Vp0，即当栅极电压，即当栅极电压VGS-|Vp|时即能开启。时即能开启。栅极电压再负得多些时，沟道截止。栅极电压再负得多些时，沟道截止。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理P沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 显然，显然，P沟道增强型

388、沟道增强型MOSFET的的VT0。也就是说，在栅极电压为零时，也就是说，在栅极电压为零时，P型沟道早已形成。这时的开启型沟道早已形成。这时的开启电压实质上就是夹断电压电压实质上就是夹断电压Vp。当栅极加的正电压大于。当栅极加的正电压大于Vp时，沟道时，沟道全部截止。全部截止。 公式（公式（8-1）、（）、（8-2）只适用于长沟道）只适用于长沟道MOSFET。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈值电压值电压VT会随沟道长度会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将的减小而减小。这个问题将在以后讨论。在以后讨论。 说说说说 明明明明(施敏)半导体

389、器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性 为了方便起见，先作以下几个假定：为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽略不计；）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2）在沟道区不存在复合产生电流；）在沟道区不存在复合产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；）沟道与衬底间的

390、反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理线性工作区的伏安特性线性工作区的伏安特性 以以N沟道增强型为例：设沟道长度为沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为，宽度为W，厚度为，厚度为d，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的

391、直流特性方程可表示为表示为 增益因子增益因子 当当VDS很小时，很小时，IDS与与VDS成线性关系。成线性关系。VDS稍大时，稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。曲，如图所示。式（式（式（式（8-38-3）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理饱和工作区的伏安特性饱和工作区的伏安特性 当漏当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。将趋于不变。其作用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱其作用像一个

392、电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏和工作区所加的漏-源电压为源电压为VDsat，它由下式决定：，它由下式决定： 将上式代入式（将上式代入式（8-3），可得到饱和工作区的漏），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏源电流（漏-源饱和电流）源饱和电流）(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大增大时，由于沟道

393、长度减小，时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。将随之增加。 漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。应称为沟道长度调变效应。 这个效应会使这个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。斜，导致它的输出阻抗降低。沟道长度调变效应沟道长度调变效应(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理击穿区击穿区 当漏源电压当漏源电压VDS继续增大时，会出现漏源电继续增大时，会出现漏源电流突然增大的

394、情况，这时器件进入击穿区。漏源击流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击穿电压穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：可由两种不同的击穿机理决定：漏区与衬漏区与衬底之间底之间P-N结的雪崩击穿结的雪崩击穿；漏和源之间的穿通漏和源之间的穿通。 漏结雪崩击穿漏结雪崩击穿 漏源穿通漏源穿通 在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随VGS的增大而增大。的增大而增大。 漏极电压漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩增大时，漏结耗尽区增大，使沟道

395、有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度扩展到等于沟道长度L时，时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.5 MOSFET的频率特性的频率特性 如果将如果将MOSFET的衬底和源短接，通过合理的简化，可以的衬底和源短接，通过合理的简化，可以得到如图简化的得到如图简化的MOS晶体管等效电路图。晶体管等效电路图。 (施敏)半导体器件物理

396、(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理跨导跨导gm 表征在漏源电压表征在漏源电压VDS不变的情况下，漏电流不变的情况下，漏电流IDS随着栅电压随着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外加变化而变化的程度，反映了外加VGS控制控制IDS的能力。的能力。 单位：电导（单位：电导（1/），常用西门子（），常用西门子（S）表示。）表示。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理跨导标志了跨导标志了MOSF

397、ET的电压放大本领，的电压放大本领，因为电压增益可表示为：因为电压增益可表示为：由上式可知，相同负载的情况下，由上式可知，相同负载的情况下，跨导越大，电压增益越大。跨导越大，电压增益越大。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理饱和工作区饱和工作区 线性工作区线性工作区 跨导与跨导与VDS成正比成正比 在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。无关。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物

398、理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理提高跨导的方法提高跨导的方法 （1）通过改进管子的结构来提高增益因子：增）通过改进管子的结构来提高增益因子：增大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。提高沟道内载流子的迁移率。（2）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适当增加当增加VGS来提高跨导。来提高跨导。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器

399、件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理MOSFET最高振荡频率最高振荡频率 对于对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说明管子的优值。频率来说明管子的优值。N沟道沟道MOSFET P沟道沟道MOSFET 减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率提高最高振荡频率提高最高振荡频率提高最高振荡频率(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.6 MO

400、SFET的开关特性的开关特性 在在MOS数字集成电路中，数字集成电路中，MOSFET主要工作在两个状态，主要工作在两个状态，即导通态和截止态。即导通态和截止态。MOS数字集成电路的特性就由数字集成电路的特性就由MOS管在这管在这两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就是所谓的晶体管的开关特性。是所谓的晶体管的开关特性。 倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组成。通常用成。通常用N沟增强管作反相管沟增强管作反相管，负载可由不同的形式。负载通，负载可由不同的形式。负

401、载通常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电阻负载反相器（阻负载反相器（E/R反相器反相器）；有源负载又可分为多种不同的）；有源负载又可分为多种不同的MOSFET，常见有，常见有E/E反相器反相器（用（用N沟增强管作负载）、沟增强管作负载）、CMOS反相器反相器（用（用P沟增强管作负载）和沟增强管作负载）和E/D反相器反相器（用（用N沟耗尽管作沟耗尽管作负载）等。负载）等。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理CMO

402、S倒相器倒相器 倒相管为倒相管为P沟道增强管，沟道增强管，其开启电压小于零。其开启电压小于零。 两个管子的源与各自的两个管子的源与各自的衬底短接后倒相管共接地，衬底短接后倒相管共接地，负载管共接正向负载管共接正向VDD。 两个栅极相并联作为输两个栅极相并联作为输入端。入端。 两个漏极连在一起作为两个漏极连在一起作为输出端。输出端。 两个衬底之间因反偏而两个衬底之间因反偏而自动隔离自动隔离。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件

403、物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当输入脉冲为零时，倒相器处于截止态。这时当输入脉冲为零时，倒相器处于截止态。这时VGS=0，倒相管处于截止状态。由于负载管是倒相管处于截止状态。由于负载管是P沟道增强型管，沟道增强型管，VDD为正，为正，相当于在负载管的栅源之间加一个负的电压，使负载管开启，相当于在负载管的栅源之间加一个负的电压，使负载管开启，处于导通状态。处于导通状态。 当输入正脉冲时，倒相器处于导通状态。假定输入正脉当输入正脉冲时，倒相器处于导通状态。假定输入正脉冲电压冲电压VGSVDD，这时倒相管的栅极电压远大于源极零电位。，

404、这时倒相管的栅极电压远大于源极零电位。倒相器可处于充分导通的状态。负载管的栅极电位倒相器可处于充分导通的状态。负载管的栅极电位VDD与源极与源极电位电位VDD相同，故处于截止状态。相同，故处于截止状态。 特点特点：CMOS倒相器在导通和截止两种状态时，始终只倒相器在导通和截止两种状态时，始终只有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以CMOS倒相器倒相器的的功耗很小功耗很小，且，且开关时间短开关时间短。 反相原理反相原理反相原理反相原理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范

405、大学半导体器件物理半导体器件物理MOSFET的开关特性类似于双极型晶体管的开关特性的开关特性类似于双极型晶体管的开关特性（略）（略） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理8.7 阈值电压阈值电压VT的控制和调整的控制和调整 在在MOS集成电路的制造中，控制好阈值电压集成电路的制造中，控制好阈值电压VT的的值是很重要的。例如，要制造值是很重要的。例如，要制造N沟道增强型沟道增强型MOS管，管，它的它的VT应为正值，并要求达到一定的值。应为正值，并要求达到一定的值。 由于由于由于由于Q

406、Qss及及及及MS的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，V VT可能出可能出可能出可能出现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度大于大于大于大于10101515cmcm-3-3。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主杂质浓度不能达到产生正的杂质浓度不能达到产生正的杂质浓度不能达到产生正的杂质浓度不能达

407、到产生正的V VT值的要求，值的要求，值的要求，值的要求，MOSMOS管将变管将变管将变管将变“ “耗耗耗耗” ”。为了避免使。为了避免使。为了避免使。为了避免使N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSMOS管变管变管变管变“ “耗耗耗耗” ”，必须必须必须必须控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度QQss不能太大不能太大不能太大不能太大，或采用衬，或采用衬，或采用衬，或采用衬底反偏电压来提高底反偏电压来提高底反偏电压来提高底反偏电压来提高V VT值（背偏置效应），后者利用电值（背偏置效应），后者利用电值（背偏置效应），后者利用电值

408、（背偏置效应），后者利用电学调整方法将增加麻烦。学调整方法将增加麻烦。学调整方法将增加麻烦。学调整方法将增加麻烦。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 为了调整阈值电压，在为了调整阈值电压，在半导体近表面处注入半导体近表面处注入精确控制的相精确控制的相对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从而改变而

409、改变VT。 N沟道增强型沟道增强型MOS管中注入硼，更是为得到管中注入硼，更是为得到VT值处值处于所需的正值的一种常用方法。于所需的正值的一种常用方法。 也可以也可以通过改变氧化层厚度来控制通过改变氧化层厚度来控制VT，随着氧化层厚度，随着氧化层厚度的增加，的增加， N沟道沟道MOS FET的阈值电压变得更大些，而的阈值电压变得更大些，而P沟道沟道MOS FET的阈值电压将变得更小些。的阈值电压将变得更小些。相当厚的场氧化层相当厚的场氧化层被用来被用来制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟道的一种道的一种隔离方法隔离方法

410、。 选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制VT的的方法方法，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（W）,氮化钛氮化钛(TiN)等等材料被推荐采用。材料被推荐采用。 调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理【例例8-1】如例题如例题7-2中，问需要多少的硼离子剂量，中，问需要多少的硼离子剂量，就能使就能使VT增加至增

411、加至0.6伏？假设注入的受主在氧化层伏？假设注入的受主在氧化层-硅硅界面形成一薄电荷层。界面形成一薄电荷层。 解解：由：由7-2例题得：例题得： VT0.04 V 硼离子造成平带电压漂移类同于固定电荷，其硼离子造成平带电压漂移类同于固定电荷，其量为量为qFB/Cox，因此，因此 0.60.04qFB/6.910-7 FB (0.646.910-7)/1.610-19 2.761012 cm-2(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P143 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导

412、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 9 章MOS功率场效应晶体管功率场效应晶体管 9.1 9.1 用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的MOSMOS功率场功率场功率场功率场效应晶体管效应晶体管效应晶体管效应晶体管9.2 MOS9.2 MOS功率场效应晶体管的功率场效应晶体管的功率场效应晶体管的功率场效应晶体管的 结构结构结构结构9.3 DMOS9.3 DMOS晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压9.4 DMOS9.4 DMOS晶体管的二次击穿晶

413、体管的二次击穿晶体管的二次击穿晶体管的二次击穿9.5 9.5 温度对温度对温度对温度对MOSMOS晶体管特性的影响晶体管特性的影响晶体管特性的影响晶体管特性的影响9.6 9.6 习题习题习题习题(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 用作功放及开关的用作功放及开关的MOS功率功率场效应管的特性场效应管的特性 构成构成MOS功率场效应晶体管功率场效应晶体管的各种结构的各种结构 DMOS晶体管的二次击穿和晶体管的二次击穿和温度对温度对MOS晶体管特性的影

414、响晶体管特性的影响(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理9.1 用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的MOS功率场效应管（略）功率场效应管（略） 9.2 MOS功率功率FET的结构的结构 MOS功率功率FET具有两种基本结构：具有两种基本结构：二维结构二维结构和和三维结构三维结构。 二维横向器件与常规的二维横向器件与常规的MOS晶体管基本相似，晶体管基本相似，只是多有一个只是多有一个延伸的高电阻漏区延伸的高电阻漏区，这种结构特点有，这种结构特点有助于提高器件的高压性能。助于提高器件

415、的高压性能。 在三维器件中，则具有一个在三维器件中，则具有一个纵向的延伸漏区纵向的延伸漏区，通常称之为漂移区，通常称之为漂移区，漏电极位于片子的底部漏电极位于片子的底部。这种。这种三维结构可以提高硅片的利用率。三维结构可以提高硅片的利用率。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理二维横向结构二维横向结构 补偿栅补偿栅MOS晶体管晶体管（略）（略） 三维结构三维结构 横向横向DMOS晶体管（晶体管（LDMOST） 具有纵向漏极的补偿栅具有纵向漏极的补偿栅MOS晶体管晶体管（略）（略）

416、具有纵向漏的具有纵向漏的DMOS晶体管（晶体管（VDMOST） 纵向纵向V型槽型槽MOS晶体管（晶体管（VVMOS） （略）（略） 截角截角V型槽型槽MOS晶体管（晶体管（VUMOST） （略）（略） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 DMOS的名称由制造技术中的的名称由制造技术中的双重扩散工艺双重扩散工艺而得来，它的主要目的是为了而得来，它的主要目的是为了克服短沟道和穿通电克服短沟道和穿通电压的矛盾压的矛盾。 众所周知，减小沟道长度是提高管子频率特性，众所周知，减小沟道长度是

417、提高管子频率特性，获得高跨导和大增益的重要途径，但是如果沟道长获得高跨导和大增益的重要途径，但是如果沟道长度太小，容易引起漏源之间的穿通，即降低了漏结度太小，容易引起漏源之间的穿通，即降低了漏结击穿电压。击穿电压。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理横向横向DMOS晶体管（晶体管（LDMOST） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 图中用图中用P半导体硅作为衬底材料

418、，然后在其上半导体硅作为衬底材料，然后在其上面外延面外延N区，区，P和和N双重扩散形成长度为双重扩散形成长度为L的的P型型沟道区沟道区，L的值是的值是P区与区与N+区结深之差区结深之差，它是易于，它是易于控制的。控制的。 N+漏区与沟道之间存在着漏区与沟道之间存在着N-外延区，它使外延区，它使P N的耗尽区大部分存在于的耗尽区大部分存在于N区一边，从而有效地阻区一边，从而有效地阻止了穿通效应的发生。止了穿通效应的发生。L可以做得足够长，以达到可以做得足够长，以达到击穿电压的要求。击穿电压的要求。 缺点缺点：硅面积的利用率较差，其封装密度均比：硅面积的利用率较差，其封装密度均比下面讨论的纵向漏结

419、构小。下面讨论的纵向漏结构小。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理具有纵向漏的具有纵向漏的DMOS晶体管晶体管（VDMOST） (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理9.3 DMOS晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 雪崩击穿雪崩击穿 穿通电压穿通电压 9.4 DMOS晶体管的二次击穿晶体管的二次击穿 MOS 功率晶体管广泛地应用在诸如倒相器、电流调节器等功率晶体管广泛地

420、应用在诸如倒相器、电流调节器等高压开关电路中。当器件从导通态转为截止态时，在很短的时高压开关电路中。当器件从导通态转为截止态时，在很短的时间间隔内管子间间隔内管子同时承受满电流及满漏极电压同时承受满电流及满漏极电压。这一额外的功率。这一额外的功率往往会导致二次击穿。往往会导致二次击穿。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理二次击穿电压二次击穿电压 vs： 载流子漂移速度载流子漂移速度 NA： 施主杂质浓度施主杂质浓度cr： 临界电场强度（通常取为临界电场强度（通常取为105V/cm）

421、 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 提高提高MOS晶体管承受二次击穿的能力，晶体管承受二次击穿的能力，可采取下列预防措施可采取下列预防措施： 通过缩短源和体电极来降低寄生晶体管的通过缩短源和体电极来降低寄生晶体管的增益；增益； 采用可接受的较高采用可接受的较高P区掺杂浓度；区掺杂浓度； 在满足跨导及频率要求的前提下，沟道长在满足跨导及频率要求的前提下，沟道长度度L尽可能长些。尽可能长些。 若这些措施仍不能避免二次击穿，那么可若这些措施仍不能避免二次击穿，那么可以引入合适的漏极电

422、压箝位器件来加以保护。以引入合适的漏极电压箝位器件来加以保护。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理9.5 温度对温度对MOS晶体管特性的影响晶体管特性的影响温度对载流子迁移率的影响温度对载流子迁移率的影响 随着温度的升高，沟道中载流子的有效迁移率将减小，这随着温度的升高，沟道中载流子的有效迁移率将减小，这是因为当温度升高时各种散射机理均加剧的缘故。是因为当温度升高时各种散射机理均加剧的缘故。 在温度范围为在温度范围为-55125内，电子及空穴的迁移率与温度内，电子及空穴的迁移率与

423、温度的关系可表示为的关系可表示为 当温度超过当温度超过125时，迁移率随温度的变化更加明显，遵从以下关系时，迁移率随温度的变化更加明显，遵从以下关系 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理温度对阈值电压的影响温度对阈值电压的影响 阈值电压随温度升高而下降，阈值电压随温度升高而下降，且重掺杂器件的这种变化比轻掺杂器件更为灵敏。且重掺杂器件的这种变化比轻掺杂器件更为灵敏。 温度对漏源电流、跨导及导通电阻的影响（略）温度对漏源电流、跨导及导通电阻的影响（略） (施敏)半导体器件物理(详尽版

424、)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P150 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 10 章10.1 10.1 非均匀掺杂对阈值电压的影响非均匀掺杂对阈值电压的影响非均匀掺杂对阈值电压的影响非均匀掺杂对阈值电压的影响10.2 MOSFET10.2 MOSFET的小尺寸效应的小尺寸效应的小尺寸效应的小尺寸效应10.3 10.3 习题习题习题习题(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半

425、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 非均匀掺杂对阈值电压的影响非均匀掺杂对阈值电压的影响 MOSFET的小尺寸效应的小尺寸效应短沟道效应、短沟道效应、窄沟道效应、按比例缩小规则和热电子效应窄沟道效应、按比例缩小规则和热电子效应(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 自从半导体集成电路诞生以来，一直按摩尔定律飞速自从半导体集成电路诞生以来，一直按摩尔定律飞速发展。每个芯片集成的半导体器

426、件的数目已从几十个增加发展。每个芯片集成的半导体器件的数目已从几十个增加到几十万个甚至上兆个。随着半导体工艺技术的发展和集到几十万个甚至上兆个。随着半导体工艺技术的发展和集成电路设计工具的强大，集成密度还在不断的提高。成电路设计工具的强大，集成密度还在不断的提高。 在提高集成度的过程中，减小每个器件所占的面积，在提高集成度的过程中，减小每个器件所占的面积，减小器件尺寸是最为重要的一项措施减小器件尺寸是最为重要的一项措施。在过去的几十年内，。在过去的几十年内，MOSFET的沟道长度缩小了的沟道长度缩小了3个数量级。目前，半导体集成个数量级。目前，半导体集成电路中器件的最小尺寸已缩小到第电路中器件

427、的最小尺寸已缩小到第4个数量级，即纳米级。个数量级，即纳米级。 对于对于MOSFET来说，随着沟道长度的缩短，出现了一来说，随着沟道长度的缩短，出现了一些偏离长沟道器件的性质。些偏离长沟道器件的性质。MOS器件在尺寸缩小时所出现器件在尺寸缩小时所出现的一些性能变化会对器件和电路的设计带来重大的影响。的一些性能变化会对器件和电路的设计带来重大的影响。 因此，有必要搞清楚小尺寸器件的特点，小尺寸器件因此，有必要搞清楚小尺寸器件的特点，小尺寸器件一些附加效应的产生机理，以及其参数随尺寸变化的规律。一些附加效应的产生机理，以及其参数随尺寸变化的规律。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导

428、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理10.1 非均匀掺杂对阈值电压的影响非均匀掺杂对阈值电压的影响阶梯函数分布近似阶梯函数分布近似 高斯分布近似高斯分布近似 在前面章节中，为了数学处理的方便，通常假定在前面章节中，为了数学处理的方便，通常假定MOS晶体管沟道区的掺杂浓度是均匀的。但是，在实际晶体管沟道区的掺杂浓度是均匀的。但是，在实际器件中，对于多数结构，由于扩散掺杂工艺、离子注入器件中，对于多数结构，由于扩散掺杂工艺、离子注入工艺以及高温热处理工艺过程中杂质的再分布，导致了工艺以及高温热处理工艺过程中杂质的再分布，导致了杂质分布

429、是不均匀的杂质分布是不均匀的。因此，我们有必要分析非均匀掺。因此，我们有必要分析非均匀掺杂对器件所造成的影响。杂对器件所造成的影响。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理10.2 MOSFET的小尺寸效应的小尺寸效应 短沟道效应短沟道效应 当当MOS晶体管的沟道长度小到可以和漏源结深相比拟时，由晶体管的沟道长度小到可以和漏源结深相比拟时，由于在沟道区出现了二维的电势分布及高电场，导致出现一些不同于在沟道区出现了二维的电势分布及高电场，导致出现一些不同于长沟道于长沟道MOS管特性的现象

430、。管特性的现象。 长沟道器件长沟道器件 短沟道器件短沟道器件，上述关系偏，上述关系偏离直线，沟道越短，偏离离直线，沟道越短，偏离越大，越大， (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 MOSFET是否具有短沟道效应并不完全取决于沟道的绝对长度，是否具有短沟道效应并不完全取决于沟道的绝对长度，还与还与衬底杂质浓度衬底杂质浓度，氧化层厚度氧化层厚度，漏源结深漏源结深等有关。等有关。 一般认为，栅氧化层厚度在一般认为，栅氧化层厚度在100至至1000之间，衬底杂质浓度之间，衬底杂质浓度在在1

431、014cm-3到到1017cm-3之间，漏源结深在之间，漏源结深在0.85 m到到1.5 m之间时，之间时，长沟道模型适应的极限沟道长度长沟道模型适应的极限沟道长度为：为：xj为结深，为结深，xs和和xd分别是源和漏的耗尽层厚度，分别是源和漏的耗尽层厚度，Xox为氧化层厚度。为氧化层厚度。除除Xox的单位是的单位是0.1nm外，其余单位是外，其余单位是 m。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理窄沟道效应窄沟道效应 随着沟道宽度的减小，阈值电压随着沟道宽度的减小，阈值电压VT将增大

432、。将增大。 W减小时，使减小时，使VT增加的增加的效应是由场氧化层下面效应是由场氧化层下面储存的电荷所引起的。储存的电荷所引起的。当当W减小时，栅下面沟减小时，栅下面沟道耗尽区的电荷减小。道耗尽区的电荷减小。但实际的耗尽层边界延但实际的耗尽层边界延伸进入厚氧化层下面的伸进入厚氧化层下面的区域，故厚氧化层下面区域，故厚氧化层下面的额外电荷必须包括在的额外电荷必须包括在VT的计算之内。的计算之内。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理热电子效应热电子效应 在强电场作用下，电子在两次碰撞

433、之间会加速到比热运动在强电场作用下，电子在两次碰撞之间会加速到比热运动速度高许多倍的速度，由于动能很大而称为热电子，从而引起速度高许多倍的速度，由于动能很大而称为热电子，从而引起“热电子效应热电子效应”。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 首先，电子在强电场作用下，漂移速度不再与电场成首先，电子在强电场作用下，漂移速度不再与电场成线性关系。当电场达到约线性关系。当电场达到约3104V/cm时，电子速度趋于饱和。时，电子速度趋于饱和。 当栅极电压高于漏极电压时，由于垂直于沟道方向

434、电当栅极电压高于漏极电压时，由于垂直于沟道方向电场的作用，热电子会向栅氧化层注入，从而导致器件性能变差。场的作用，热电子会向栅氧化层注入，从而导致器件性能变差。热电子注入氧化层的条件是其动能高于硅热电子注入氧化层的条件是其动能高于硅-二氧化硅的势垒高二氧化硅的势垒高度。度。 越过二氧化硅越过二氧化硅-硅界面的热电子，一部分穿过栅介质成硅界面的热电子，一部分穿过栅介质成为为栅极电流栅极电流，另一部分积累在栅氧化层中，形成受主型的，另一部分积累在栅氧化层中，形成受主型的界面界面态态。这些界面态会进一步吸引表面电子，同时消耗表面可动载。这些界面态会进一步吸引表面电子，同时消耗表面可动载流子，使电子的

435、表面迁移率下降，造成阈值电压的漂移以及跨流子，使电子的表面迁移率下降，造成阈值电压的漂移以及跨导的下降。导的下降。(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理热电子效应主要有以下几类热电子效应主要有以下几类 （1）当沟道电场足够强时，反型层中的一些电子有可能获得）当沟道电场足够强时，反型层中的一些电子有可能获得足以克服足以克服Si-SiO2界面势垒的能量，注入到栅氧化层中。沟道界面势垒的能量，注入到栅氧化层中。沟道漏端的电场最强，注入主要发生在该区域。漏端的电场最强，注入主要发生在该区域。

436、 （2）在漏区附近的耗尽区内，电场很强，由碰撞电离产生）在漏区附近的耗尽区内，电场很强，由碰撞电离产生的电子空穴对中，具有克服的电子空穴对中，具有克服Si-SiO2界面势垒能量的电子也可界面势垒能量的电子也可能注入栅氧化层。能注入栅氧化层。（3）衬底热激发产生的电子，在纵向电场的作用下，也有可）衬底热激发产生的电子，在纵向电场的作用下，也有可能获得足够高的能量，克服能获得足够高的能量，克服Si-SiO2势垒，注入栅氧化层。势垒，注入栅氧化层。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理(施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理热电子效应热电子效应使使MOSFET的阈电压增的阈电压增大，跨导降大，跨导降低。低。 (施敏)半导体器件物理(详尽版)半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习P157 (施敏)半导体器件物理(详尽版)