半导体及其本征特征.ppt

半导体及其基本特性,第二章,固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1,？什么是半导体,从导电特性(电导率)和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制,1. 半导体的结构,原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、InSb、GaP,2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子,本征半导体：n=p=ni,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.1 本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3,本征激发,复合,动态平衡,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。,小结：,3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙),量子态和能级 固体的能带结构,原子能级 能带,共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态,原 子 能 级,反 成 键 态,成 键 态,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子 有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用,电子和空穴的有效质量m*,4.半导体的掺杂,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型 半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。 电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)。,5 价杂质原子称为施主原子。,二、 P 型半导体,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 P 型半导体,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，当此电子移动参与传导电流 时，施主原子的位置留下不能移动，并成为带 正电的离子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，当此空穴移动参与传导电流 时，受主原子的位置留下不能移动，并成为带 负电的离子。如Si中掺的B,施主能级,受主能级,杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态,本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关,5. 本征载流子,本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子,载流子浓度,电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p,6. 非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n,多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子,7. 电中性条件: 正负电荷之和为0,p + Nd n Na = 0,施主和受主可以相互补偿,p = n + Na Nd n = p + Nd Na,n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na,8. 过剩载流子,由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合,9. 载流子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力,载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动,引 入 迁 移 率 的 概 念,影 响 迁 移 率 的 因 素,影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射,体现在：温度和 掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射,扩散电流,电子扩散电流：,空穴扩散电流：,爱因斯坦关系:,载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动,过剩载流子的扩散和复合,过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合,过剩载流子的扩散过程,扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2,描述半导体器件工作的基本方程,泊松方程,高斯定律,描述半导体中静电势的变化规律,静电势由本征费米能级Ei的变化决定,能带向下弯， 静电势增加,方程的形式1,方程的形式2,特例： 均匀Si中，无外加偏压时， 方程RHS0， 静电势为常数,电流连续方程,可动载流子的守恒,热平衡时： 产生率复合率 np=ni2,空穴：,电子：,电流密度方程,载流子的输运方程,在漂移扩散模型中,方程形式1,方程形式2,电子和空穴的准费米势：,费米势,重 点,半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合,载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。,作业,半导体器件物理基础,据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格,半导体器件物理基础,PN结的结构,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1 PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,（动画1-3）,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,1. PN结的形成,2. 平衡的PN结：没有外加偏压,能带结构,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10 PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。, ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,图 1.1.12,自建势qVbi,平衡时的能带结构,3.正向偏置的PN结情形,正向偏置时，扩散大于漂移,N区,P区,空穴：,正向电流,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,N,P,正向的PN结电流输运过程,电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程,4. PN结的反向特性,N区,P区,空穴：,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,反向电流,反向偏置时，漂移大于扩散,N,P,反向电流,反向偏置时，漂移大于扩散,5. PN结的特性,单向导电性： 正向偏置 反向偏置,正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流,正向导通电压Vbi0.7V(Si),反向击穿电压Vrb,6. PN结的击穿,雪崩击穿,齐纳/隧穿击穿,7. PN结电容, 2.4 双极晶体管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射区,收集区,基区,发射结,收集结,发射极,收集极,基极,双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,NPN,c,b,e,c,b,e,PNP,双极晶体管的结构和版图示意图,1.3.1 晶体管的结构及类型,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2a 三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e,b,e 发射极，b基极，c 集电极。,基区,发射区,集电区,图 1.3.2(b) 三极管结构示意图和符号 NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,1.3.2 晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,实验,+,-,b,c,e,共射极放大电路,UBB,UCC,uBE,iC,iB,iE,表1-1 电流单位：mA,一、晶体管内部载流子的运动,发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 扩散到基区的自由电子与 空穴的复合运动形成基极 电流 电子到达基区，少数与空穴复 合形成基极电流 Ibn，复合掉的 空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,晶体管内部载流子的运动,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。 其能量来自外接电源 VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,晶体管内部载流子的运动,二、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE=ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,IE =IC+IB,图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流,2.3 NPN晶体管的电流输运机制,正常工作时的载流子输运,相应的载流子分布,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,2.3 NPN晶体管的几种组态,共基极 共发射极 共收集极,3. 晶体管的直流特性,3.1 共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,3. 晶体管的直流特性,3.2 共基极的直流特性曲线,4. 晶体管的特性参数,4.1 晶体管的电流增益（放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、 ,4. 晶体管的特性参数,4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.3 晶体管的击穿电压,BVcbo Bvceo BVebo,BVeeo晶体管的重要直流参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.4 晶体管的频率特性,截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率f ：,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,5. BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压V- BE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入