1 半導(dǎo)體物理與器件-復(fù)習大綱[講課適用]

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1、半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 中北大學 梁庭 2013 09 半導(dǎo)體物理與器件 1優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 緒論、第一章 什么是半導(dǎo)體 P型和N型，理論和技術(shù) 半導(dǎo)體科學和技術(shù)的發(fā)展史 半導(dǎo)體材料 固體晶格基本知識 硅的體原子密度是多少？ 金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體中的缺陷和雜質(zhì) 半導(dǎo)體的純度？ 對加工工藝環(huán)境的要求？ 2優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 半導(dǎo)體(semiconductor)，顧名思義就是指 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體的物質(zhì) 電阻率可在很寬的范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)的材料稱之為半導(dǎo)體 暗含假設(shè)：僅電特性變化，其他物、化特性幾乎不變 半導(dǎo)體的特殊性 雜質(zhì) 3優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物

2、理與器件 中北大學 第二章量子力學初步 量子力學的基本原理 能量量子化；波粒二相性；不確定原理 薛定諤波動方程 無限深勢阱；隧道效應(yīng) 單電子原子 單電子原子中的能級量子化 4優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第三章固體量子理論初步 能帶理論半導(dǎo)體理論的基石 共有化運動；單電子近似；固體物理基本知識 布里淵區(qū)；E-k能帶圖知識； 固體中電的傳導(dǎo)能帶理論的初步應(yīng)用 滿帶、空帶、半滿帶；有效質(zhì)量；空穴； 金屬、絕緣體與半導(dǎo)體； 能帶的三維擴展 直接帶隙、間接帶隙； 狀態(tài)密度函數(shù) K空間量子態(tài)密度；等能面； 統(tǒng)計力學 費米分布函數(shù)；玻爾茲曼近似條件； 為第4章討論載流子濃度打下基礎(chǔ)； 載流子濃度=

3、（狀態(tài)密度分布 函數(shù)）dE 5優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 E 0 a 2 a 3 a 3 a 2 a a k E 0 a a 簡約布 里淵區(qū) 允帶 允帶 允帶 禁帶 禁帶 6優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 當EVEkT時，則有： 8優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第四章平衡半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中的載流子 熱平衡載流子濃度計算方法； 摻雜原子與能級 非本征半導(dǎo)體 電中性狀態(tài) 費米能級位置 9優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 對于本征半導(dǎo)體，費米能級 位于禁帶中心（附近） 費米能級的位置需保證電 子和空穴濃度的相等 如果電子和空穴的有效質(zhì) 量相同，狀態(tài)密度函數(shù)關(guān) 于禁帶對稱。

4、對于普通的半導(dǎo)體（Si） 來說，禁帶寬度的一半， 遠大于kT（21kT），從 而導(dǎo)帶電子和價帶空穴的 分布可用波爾茲曼近似來 代替 fF(E)=0 半導(dǎo)體中的載流子 10優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 本征載流子濃度和溫度、禁帶寬度的關(guān)系禁帶寬度禁帶寬度E Eg g越大，本征載流子濃度越低越大，本征載流子濃度越低 / 2 00 g EkT iiicv n pnnnN N e 禁帶寬度禁帶寬度E Eg g越大，本征載流子濃度越低越大，本征載流子濃度越低 半導(dǎo)體中的載流子 11優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 為什么要摻雜？ 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性強烈地隨摻雜而變化 硅中的施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)能級

5、 Ec Ev Ed Ec Ev Ed 施主雜質(zhì)電離，施主雜質(zhì)電離， n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 受主雜質(zhì)電離，受主雜質(zhì)電離， p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 摻雜原子與能級 12優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 m摻入施主雜質(zhì)，費米能級摻入施主雜質(zhì)，費米能級 向上（導(dǎo)帶）移動，導(dǎo)帶向上（導(dǎo)帶）移動，導(dǎo)帶 電子濃度增加，空穴濃度電子濃度增加，空穴濃度 減少減少 m過程：施主電子熱激發(fā)躍過程：施主電子熱激發(fā)躍 遷到導(dǎo)帶增加導(dǎo)帶電子濃遷到導(dǎo)帶增加導(dǎo)帶電子濃 度；施主電子躍遷到價帶度；施主電子躍遷到價帶 與空穴復(fù)合，減少空穴濃與空穴復(fù)合，減少空穴濃 度；施主原子改變費米能度；施主原子改變費米能 級位置，導(dǎo)致重新分布級位

6、置，導(dǎo)致重新分布 非本征半導(dǎo)體 13優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 m摻入受主雜質(zhì)，費米摻入受主雜質(zhì)，費米 能級向下（價帶）移能級向下（價帶）移 動，導(dǎo)帶電子濃度減動，導(dǎo)帶電子濃度減 少，空穴濃度增加少，空穴濃度增加 m過程：價帶電子熱激發(fā)到過程：價帶電子熱激發(fā)到 受主能級產(chǎn)生空穴，增加受主能級產(chǎn)生空穴，增加 空穴濃度；導(dǎo)帶電子躍遷空穴濃度；導(dǎo)帶電子躍遷 到受主能級減少導(dǎo)帶電子到受主能級減少導(dǎo)帶電子 濃度；受主原子改變費米濃度；受主原子改變費米 能級位置，導(dǎo)致重新分布能級位置，導(dǎo)致重新分布 Ev Ec Ed 非本征半導(dǎo)體 14優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 m載流子濃度載流子濃度n0和和p0的公式：的

7、公式： 只要滿足玻爾茲曼近似條件，該公式即可成立只要滿足玻爾茲曼近似條件，該公式即可成立 m只要滿足玻爾茲曼近似條件，只要滿足玻爾茲曼近似條件，n0p0的乘積依然為本征的乘積依然為本征 載流子濃度（和材料性質(zhì)有關(guān)，摻雜無關(guān)）的平方。載流子濃度（和材料性質(zhì)有關(guān)，摻雜無關(guān)）的平方。 （雖然在這里本征載流子很少）（雖然在這里本征載流子很少） m例例4.5直觀地說明了費米能級的移動，對載流子濃度造直觀地說明了費米能級的移動，對載流子濃度造 成的影響：費米能級抬高了約成的影響：費米能級抬高了約0.3eV，則電子濃度變?yōu)?，則電子濃度變?yōu)?本征濃度的本征濃度的100000倍。倍。 0 exp cF c EE

8、 nN kT 0 exp Fv v EE pN kT 2 00 / g i EkT cv n pn N N e 非本征半導(dǎo)體 15優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 q載流子濃度載流子濃度n0、p0的另一種表達方式：的另一種表達方式： 0 )( expexpexp cFiFFicFiFFi cc EEEEEEEE nNN kTkTkT exp cFi ic EE nN kT 0 exp FFi i EE nn kT 同樣地：同樣地： 0 exp FFi i EE pn kT EFEFi電子濃度超電子濃度超 過本征載流子濃度；過本征載流子濃度； EFEFi空穴濃度超空穴濃度超 過本征載流子濃度過本征載流

9、子濃度 非本征半導(dǎo)體 16優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 m發(fā)生簡并的條件發(fā)生簡并的條件 大量摻雜大量摻雜 溫度的影響（低溫簡溫度的影響（低溫簡 并）并） m簡并系統(tǒng)的特點：簡并系統(tǒng)的特點： 雜質(zhì)未完全電離雜質(zhì)未完全電離 雜質(zhì)能級相互交疊分雜質(zhì)能級相互交疊分 裂成能帶，甚至可能裂成能帶，甚至可能 與帶邊相交疊。雜質(zhì)與帶邊相交疊。雜質(zhì) 上未電離電子也可發(fā)上未電離電子也可發(fā) 生共有化運動參與導(dǎo)生共有化運動參與導(dǎo) 電。電。 從費米積分曲線上可以看出當從費米積分曲線上可以看出當Fp0、Ndn0） 耗盡區(qū)外為中性區(qū)（耗盡區(qū)外為中性區(qū)（Nd=n0、NA=p0）、無電場）、無電場 耗盡區(qū)假設(shè) 積分求解泊松 方程

10、，得到電 場和電勢 整個空間電荷 區(qū)電勢積分得 到內(nèi)建電勢差 熱平衡狀態(tài)求 出內(nèi)建電勢差 邊界條件（耗盡區(qū) 邊界電場為0，冶金 結(jié)處電場連續(xù)） 空間電荷區(qū)寬度、 最大電場等 34優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 pn pn -xpxn x=0 Ec EF EFi Ev -+ E eVbi 2 ln ad biT i N N VV n 22 n Exxx apdn N xN x dx Ex dx -xpxn EMax 2 bi MAX V E W 1 2 ppMAX VxE 35優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 則可以得到： 1/ 2 2 n d RR sad biRad dxdQ Ce

11、N dVdV eN N VVNN 可以看到，勢壘電容的大小與s(材料）、Vbi（摻雜水 平）、Na、Nd及反偏電壓等因素有關(guān)。 可以發(fā)現(xiàn)： s C W 這表明勢壘電容可以等效為其厚度為空間電荷區(qū)寬度的平 板電容 例7.5 注意：勢壘電容的 單位是F/cm2,即單 位面積電容 36優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第八章pn結(jié)二極管 正向偏置下空間電荷區(qū)邊界處的過剩少數(shù)載流 子注入（邊界條件） 擴散區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子分布（長pn結(jié)，雙極輸 運方程的應(yīng)用） 理想電流電壓方程（通過少數(shù)載流子分布推導(dǎo)） 擴散電容的概念 小信號等效電路模型 擊穿模式 37優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 由此，我們可以得出

12、由此，我們可以得出pn結(jié)處于正偏和反偏條件時，耗盡結(jié)處于正偏和反偏條件時，耗盡 區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布 0exp a nnn eV pxp kT 0exp a ppp eV nxn kT 0 x n x p x p n n p n L p L 0p n 0n p 0 x n x p x p nn p n L p L 0p n 0n p 正偏反偏 38優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 對于三種可能的對于三種可能的n n型區(qū)長度，下表總結(jié)了三種情況下型區(qū)長度，下表總結(jié)了三種情況下 的空穴電流密度表達式，與此類似，對于不同的的空穴電流密度表達式，與此類似，對于不同的p p型型 區(qū)

13、長度，同樣可以給出三種情況下的電子電流密度表區(qū)長度，同樣可以給出三種情況下的電子電流密度表 達式。達式。 39優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 q完整的小信號等效電路模型完整的小信號等效電路模型 m串聯(lián)電阻的影響 中性的p區(qū)和n區(qū)實際上 都有一定的電壓降落， 這來源于中性區(qū)的體電 阻，一般稱為寄生電阻 appas VVIr 二極管電壓 PN結(jié)電壓 串聯(lián)電阻 40優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 功函數(shù)、電子親和勢、肖特基勢壘； 電流電壓關(guān)系；熱電子發(fā)射機制； 肖特基二極管與pn結(jié)二極管的比較； 歐姆接觸的概念及常規(guī)制備方法 異質(zhì)結(jié)基本概念 41優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物

14、理與器件 肖特基接觸形成肖特基接觸形成 接觸前接觸前接觸后接觸后 真空能級 m e e s e Ec EF EFi Ev EF 0B e bi eV Ec EF Ev EF n e 耗盡層 n xW 42優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 m利用隧道效應(yīng)制成的歐姆接觸利用隧道效應(yīng)制成的歐姆接觸 提高表面雜質(zhì)濃度提高表面雜質(zhì)濃度，利用，利用隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)制成的歐制成的歐 姆接觸，這是姆接觸，這是目前在生產(chǎn)實踐中主要使用的方法目前在生產(chǎn)實踐中主要使用的方法。 m高摻雜薄勢壘強隧道效應(yīng)歐姆接觸 43優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第十章 雙極晶體管 雙極晶體管的材料、結(jié)構(gòu)特征 正向有源模式下的少數(shù)載

15、流子分布 各個模式下的能帶圖 電流增益（圖10.19），可以用電流成分表達出各個電流 增益因子 提高電流增益需要做的材料結(jié)構(gòu)改進措施（P.278 表 10.3） 非理想效應(yīng)概念 兩個擊穿電壓 延時因子（四個時間的概念），主要限制因素 截止頻率的概念 44優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 實際器件結(jié)構(gòu)圖實際器件結(jié)構(gòu)圖 先進的雙層多晶硅先進的雙層多晶硅BJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)；埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)； 45優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 q晶體管電流的簡化表達形式晶體管電流的簡化表達形式 有用電流和無 用電流 電子電流和空 穴電流 擴散電流、漂 移電流、復(fù)合 電

16、流、產(chǎn)生電 流 46優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 限制因素小結(jié)限制因素小結(jié) 發(fā)射極注入效率發(fā)射極注入效率 基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù) 復(fù)合系數(shù)復(fù)合系數(shù) 共基極電流增益共基極電流增益 共發(fā)射極電流增益共發(fā)射極電流增益 1 , 1 BBEE BEB EBE xLxL NDx NDx 2 1 1 1 2 TBB B B xL x L 0 0 1 1exp 2 rBE s JeV JkT 2 0 0 1 1 1exp 22 T rBEBBBE EBEBs JNDxxeV NDxLJkT 2 0 0 1 1 1 exp 22 rBEBBBE EBEBs JNDxxeV NDxLJkT 47優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物

17、理與器件 re為發(fā)射結(jié)的擴散電阻，Cp為發(fā)射結(jié)的寄生電容。 m發(fā)射結(jié)電容充電時間 48優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第十一章MOS晶體管 NMOS、PMOS定義（襯底摻雜類型） 不同柵壓下的半導(dǎo)體表面狀態(tài)（堆積、耗盡、弱反、強反） （圖11.3-11.7） 會計算耗盡層厚度； 最大耗盡層厚度； MOS中的電勢平衡（圖11.12，式11.911.11）；功函數(shù)差； 氧化層固定電荷；會計算平帶電壓、閾值電壓； CV特性，重點掌握 電流電壓方程；跨導(dǎo)，頻率限制的主要因和截止頻率； 襯底偏置效應(yīng) 49優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 當柵電壓達到表面強反型的閾值電壓時，半導(dǎo)體當柵電壓達到表

18、面強反型的閾值電壓時，半導(dǎo)體 襯底材料的表面勢也將達到襯底材料的表面勢也將達到臨界閾值臨界閾值點，即：點，即： 50優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 MOSMOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu) 后，外加柵后，外加柵 壓為零時，壓為零時， 熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài) 下的能帶彎下的能帶彎 曲情況曲情況 00 2 g mOXsFp E eeVeee 51優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 52優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 高頻與低頻條件下，高頻與低頻條件下，MOSMOS電容的電容的C CV V特性示意圖特性示意圖 53優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 NMOS NMOS和和PMOSPMOS兩種器件的兩種器件的I IV V特性對照表如下：特性對照表如下： 54優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 55優(yōu)選課堂 半導(dǎo)體物理與器件 中北大學 第十二章 亞閾值電導(dǎo) 短溝道效應(yīng) 窄溝道效應(yīng) 56優(yōu)選課堂