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半导体物理半导体物理 复习课复习课 姜胜林,刘欢,张光祖 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 以晶体结构学和点阵动力学为基础,研究半导体中的原子状态;并以晶体结构学和点阵动力学为基础,研究半导体中的原子状态;并以固体以固体 电子论和能带理论为基础,研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电电子论和能带理论为基础,研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电 子过程子过程。半导体物理学是固体物理学的一个分支,其发展不仅使人们对半导体有。半导体物理学是固体物理学的一个分支,其发展不仅使人们对半导体有 了深入的了解,而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等了深入的了解,而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等 已得到广泛的应用。已得到广泛的应用。 半导体物理学研究什么?半导体物理学研究什么?半导体物理学研究什么?半导体物理学研究什么? 2/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 学习目标学习目标学习目标学习目标 n了解什么是半导体物理学和研究什么方面了解什么是半导体物理学和研究什么方面 n掌握半导体物理的基础理论知识掌握半导体物理的基础理论知识 n掌握半导体载流子状态及其运动规律掌握半导体载流子状态及其运动规律 n掌握常见半导体结构的特性掌握常见半导体结构的特性 n了解半导体的一些物理现象了解半导体的一些物理现象 n了解常见半导体材料的性质了解常见半导体材料的性质 n了解基本半导体器件物理知识了解基本半导体器件物理知识 3/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重 一、名词解释(一、名词解释( 5 3 ) 二、判断题(二、判断题(10 1 ) 三、填空题(三、填空题(10 2 ) 四、证明题四、证明题( 2 5 ) 五、作图题五、作图题( 4 5 ) 六、计算题六、计算题( 1 10 ) 七、论述题七、论述题( 1 15 ) 答题请注意完整性和规范性(单位、下标等)答题请注意完整性和规范性(单位、下标等) 计算器、尺子、橡皮、矿泉水等计算器、尺子、橡皮、矿泉水等 基本概念基本概念 细节知识点细节知识点 重要表达式的推导重要表达式的推导 物理图像的理解物理图像的理解 公式的理解与应用公式的理解与应用 综合知识掌握能力综合知识掌握能力 15 10 20 10 20 10 15 4/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1 半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态 3 载流子输运载流子输运载流子输运载流子输运 4非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子 5p pn n结结结结 6金金属属和半导体的和半导体的接触接触金金属属和半导体的和半导体的接触接触 7半导体半导体表面与表面与半导体半导体表面与表面与MISMIS结构结构结构结构 9 半导体的半导体的热热电电性质性质半导体的半导体的热热电电性质性质 8异质异质结结异质异质结结 2半导体中载流子的半导体中载流子的统计统计分分布布半导体中载流子的半导体中载流子的统计统计分分布布 40学时学时 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 Chapter 2 平衡态下平衡态下载流子浓度与温度、杂质载流子浓度与温度、杂质的关系的关系 状态状态密度密度&分分布函数布函数(费米费米/玻耳兹曼玻耳兹曼) 分分本征本征、杂质杂质半导体半导体两两种种情况讨情况讨论论(变化规律的物理图像变化规律的物理图像) 简简并半导体及其并半导体及其禁禁带带变窄效变窄效应应 散射对迁移率的影响(仍从散射对迁移率的影响(仍从温度、杂质温度、杂质的角度)的角度) 强电场效应强电场效应 Chapter 1 半导体中电子运动的半导体中电子运动的基本特征基本特征和和能量状态能量状态 能带论能带论共有化运动共有化运动 电子电子/空穴有效质量空穴有效质量 杂质能级(施主、受主)杂质能级(施主、受主) (变化规律的物理图像变化规律的物理图像) = Tk EE Nn 0 Fc c0 exp = Tk EE Np 0 Fv v0 exp 2 00i npn= pn pqnq+= Chapter 3 外场作用下外场作用下载流子的运动规律载流子的运动规律 外加外加电电场下场下的的漂移漂移运动及运动及漂移漂移电流电流 以及以及磁场下磁场下的的霍耳效霍耳效应和应和磁阻效磁阻效应应 准费米能级不同复合机构下的非子寿命准费米能级不同复合机构下的非子寿命陷阱效应扩散运动与扩散电流(扩散陷阱效应扩散运动与扩散电流(扩散系数系数) 少数载少数载流子的运动规流子的运动规律律(连续连续性性方程方程) “时空时空” Chapter 4 非平衡载流子非平衡载流子的产生、复合及其运动规律的产生、复合及其运动规律 2/3 s T 2/3 1 ii TN 爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 Chapter 5 p- n结结 载流子的分载流子的分布与布与运动(能带论)运动(能带论) Chapter 7 半导体表半导体表面面与与MIS结构结构 Chapter 6 金属金属和半导体的和半导体的接触接触 伏安特性伏安特性 电电容特性容特性(势垒势垒电电容容、扩散扩散电电容容) 击穿特性击穿特性 隧道隧道p- n结结 雪崩击穿雪崩击穿 隧道击穿隧道击穿 微 观微 观宏 观宏 观 理 论理 论应 用应 用 =1exp 0 s Tk qV JJ = 2 i AD0 D ln n NN q Tk V 表面表面态及态及表面表面电电场效场效应应 MIS结构结构及其及其C- V特性特性,MOSFET 硅硅二氧化硅系统二氧化硅系统,表面表面电导电导 功函数功函数,电子,电子亲亲和能和能 整整流流接触接触 & 欧姆接触欧姆接触 阻挡层类阻挡层类型、电流型、电流方向方向的的判断判断 Chapter 8 异异质质结结 能带能带图图,电流输运,电流输运机机构构 应用,应用,半导体半导体超超晶晶格格 Chapter 9 半导体的半导体的热热电电性性质质 塞贝克效塞贝克效应,应, 珀耳帖效珀耳帖效应,应, 汤姆逊效汤姆逊效应应 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 本本章内容提章内容提要要本本章内容提章内容提要要 n n 半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键 n n 能级与能带,共有化运动能级与能带,共有化运动能级与能带,共有化运动能级与能带,共有化运动 n n 半导体中电子运动规律,有效质量半导体中电子运动规律,有效质量半导体中电子运动规律,有效质量半导体中电子运动规律,有效质量 n n 能带模型及导电机构能带模型及导电机构能带模型及导电机构能带模型及导电机构 n n 常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构 n n 杂质与缺陷杂质与缺陷杂质与缺陷杂质与缺陷 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态 8/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质 单电子近似单电子近似求解薛定谔方程求解薛定谔方程 半导体组成半导体组成、结结构构 半导体中半导体中电子电子状态及状态及运动运动特点特点 周期性排列周期性排列且固且固定定不动的原子不动的原子核势场核势场 其其它它电子的平电子的平均势场均势场 能带论能带论 原原子子核核原原子子核核电子电子电子电子 相互作相互作用用 复杂的多体问题复杂的多体问题 9/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1.1 1.1 半导体的半导体的晶格结构晶格结构和和结结合合性性质质半导体的半导体的晶格结构晶格结构和和结结合合性性质质 金金刚石型刚石型结构和结构和共价键共价键 闪锌矿闪锌矿型型结构和结构和混合键混合键 纤锌矿纤锌矿型型结构结构 氯氯化化钠钠型型结构结构 典型的半导体:典型的半导体:硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。 p 半导体的半导体的特特点点:易受温度、照光、磁场及微量杂质原子易受温度、照光、磁场及微量杂质原子 的影响。的影响。 正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成 为各种电子应用中最重要的材料之一。为各种电子应用中最重要的材料之一。 10/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 11/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 12/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 13/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 14/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 15/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 16/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 18/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 19/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 20/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 21/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 22/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 本本章内容提章内容提要要本本章内容提章内容提要要 n n 热平衡状态,状态密度热平衡状态,状态密度热平衡状态,状态密度热平衡状态,状态密度 n n 费米能级费米能级费米能级费米能级与分布函数与分布函数与分布函数与分布函数 n n 电中性方程电中性方程电中性方程电中性方程 n n 载流子载流子浓浓度度载流子浓度载流子浓度 Vs Vs 温温度度温度温度 n n 简并简并半导体半导体简并半导体简并半导体 2半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 23/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 产生载流子产生载流子(本征激发(本征激发/杂质电离)杂质电离) 电子由低能态向高能态跃迁电子由低能态向高能态跃迁 导带电子导带电子 价带空穴价带空穴 载流子复合载流子复合 电子由高能态向低能态跃迁电子由高能态向低能态跃迁 晶晶格格晶格晶格/ /杂质杂质杂质杂质 n0 p0 热平衡载流子 热平衡状态热平衡状态 产生产生复合复合 动态平衡动态平衡 载流子浓度载流子浓度恒定恒定 在单位时间、单位体积内产生的数目在单位时间、单位体积内产生的数目G产生率产生率 在单位时间、单位体积内消失的数目在单位时间、单位体积内消失的数目R复合率复合率 G0=R0 Ec Ev 24/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 25/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 26/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 27/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 28/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 29/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 30/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 31/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 32/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 33/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 杂质电离占优杂质电离占优 (可忽略本征激发)(可忽略本征激发) n0、p0急剧上升急剧上升 (niT) n0随随T指指数数上升上升 低低 温温 弱弱 电电 离离 区区 过过 渡渡 区区 本征激发占优本征激发占优 (类似本征半导体)(类似本征半导体) 中中 间间 电电 离离 区区 强强 电电 离离 区区 饱饱 和和 区区 本本 征征 区区 n0至至ND时恒时恒定定 n0上升速上升速度度渐缓渐缓 少子空穴渐强少子空穴渐强 n0、p0均均上升上升 35/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 费米能级的位费米能级的位置反映导置反映导电电类型类型和和掺掺杂杂水平水平 温度温度一定一定时时,费米,费米能能级级的的位置由位置由杂质的杂质的种类种类和浓度和浓度决定决定 杂质杂质浓浓度度越高越高,其作用越强,费米能级越靠近导带底(价带顶),其作用越强,费米能级越靠近导带底(价带顶), 也就是越偏离本征情形,因此,也就是越偏离本征情形,因此,极限工极限工作温度作温度也越高也越高! l 施主杂质,施主杂质,n型半导体,费米能级在本征费米能级之上型半导体,费米能级在本征费米能级之上 l 受主杂质,受主杂质,p型半导体,费米能级在本征费米能级之下型半导体,费米能级在本征费米能级之下 36/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 37/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 简简并并化化条条件件 (n型型,费米费米能能级级相相对对于于导带导带底底的的位置位置) 载流子载流子服从服从的分的分布布载流子载流子浓浓度度 = Tk EE Nn 0 Fc c0 exp 玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布 (本征本征&杂质)杂质) 费米费米分布分布 (重掺重掺杂)杂) 2 00i npn=且满足 = Tk EE FNn 0 cF 2 1c0 2 简并, ,弱简并 ,非简并 0 20 2 Fc 0Fc 0Fc EE TkEE TkEE (NDp,故故 nq R 1 H 对对p型半导体,型半导体,温温度度不太高时不太高时,pn,故故 pq R 1 H 说明说明: 霍耳系数霍耳系数有有正正负负之之分,且分,且与与载流子载流子浓浓度度有有关关 通通过过霍耳系数霍耳系数的的测测量量,可可以以确确定定半导体的导电半导体的导电类类型型及载流子及载流子浓浓度度 48/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 () 2 np 2 n 2 p H npq np R + = () () 2 2 H p n nbpq nbp Rb + = 令 大大多数半导体,多数半导体,b1 霍耳系数霍耳系数的一的一般般表表达式达式 本本征情况下征情况下 , n=p=ni,故故绝对值随温绝对值随温度度升高而减小升高而减小 0 1 H pq R 对对p型半导体,型半导体,温温度度不太高时不太高时,pn,故故 对对n型半导体,型半导体,温温度度不太高时不太高时,np,故故 0 )1 ( )1 ( 2 i 2 H F p F EE 0 nn 可可以认为以认为导导带带与与价带之间价带之间不不平衡平衡,引入准引入准费米费米能能级级 53/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 说明:说明: 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 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 浓度要少得多。以光注入为例:浓度要少得多。以光注入为例: n = p n0(n型)型) n = p 0,正向电压、反向电压极性与,正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反型阻挡层时相反 即:即:p型阻挡层型阻挡层 金属接负,半导体接正金属接负,半导体接正 从半导体到金属的空穴流占优从半导体到金属的空穴流占优 形成从半导体到金属的正向电流形成从半导体到金属的正向电流 金属接正,半导体接负金属接正,半导体接负 金属到半导体的反向电流金属到半导体的反向电流 up- n结结:正:正向永向永远远是是p正正、n负负,正正向向电流电流从从p区区流流向向n区区 u金半金半接触阻接触阻挡层挡层:正:正向向电流电流均均是半导体的是半导体的多多子子向向金金属属流动流动所所形形成的电流成的电流 因因此其此其正正向向电流的电流的判判定定要要看看阻阻挡层挡层的的类类型型(即即半导体的半导体的类类型型) p型型阻挡层(阻挡层(Wm 0) +- +- 正正向向偏压偏压 反向反向偏压偏压 p型 型半导体半导体 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 SBD是多子器件,相对于少子器件而言,无论正偏或反偏是多子器件,相对于少子器件而言,无论正偏或反偏 时其载流子都不发生明显积累(扩散电容很小),因此具时其载流子都不发生明显积累(扩散电容很小),因此具 有良好的开关特性,更适于用于高频领域。有良好的开关特性,更适于用于高频领域。 相同势垒高度下,相同势垒高度下,SBD的反向饱和电流密度的反向饱和电流密度JsD(或(或JsT) 比比p- n结的结的Js大得多,那么正向电流的特性也有所不同,大得多,那么正向电流的特性也有所不同, SBD具有较低的正向导通电压(具有较低的正向导通电压(0.3V左右)。左右)。 肖肖特特级级势垒二势垒二极管极管与与肖肖特特级级势垒二势垒二极管极管与与p p- - n n结结二二极管极管的的比较比较结结二二极管极管的的比较比较 利利用金用金属属- 半导体半导体整整流流接触特性接触特性制制成的成的二二极管极管,称称为为肖肖特特级级势垒二势垒二极管极管 (Schottky Barrier Diode, SBD) 76/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 6.3 6.3 少少数数载流子的载流子的注入注入和和欧姆欧姆接触接触少少数数载流子的载流子的注入注入和和欧姆欧姆接触接触 1.少数载流子的注入(少数载流子的注入(n型阻挡层)型阻挡层) 采用重掺杂采用重掺杂利利用用隧道效隧道效应应 欧姆接触欧姆接触 欧姆接触欧姆接触:接触接触电电阻阻很小很小,具具有有线线性性的和对的和对称称的电流的电流- 电电压压关关系系 高高表面表面态态密度密度 不能用不能用选择选择金金属属的的方法方法 获获得得欧姆接触欧姆接触 形形成成势垒势垒 与与金金属功函数属功函数关关系系不不大大 2.欧姆接触(超高频欧姆接触(超高频和和大功率)大功率) 77/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 本本章内容提章内容提要要本本章内容提章内容提要要 n n 表表面态面态表面态表面态 n n 表表面电面电场场效效应应表面电场效应表面电场效应 n n MISMIS结构结构结构结构C C- V V特性特性特性特性 n n 硅硅二氧二氧化化硅硅系系统统硅二氧化硅系统硅二氧化硅系统 n n 表表面电导面电导表面电导表面电导 7 半导体表面与半导体表面与半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构结构结构 78/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7.1 7.1 表表面面态态表表面面态态 表面:固体与真空之间的分界面。表面:固体与真空之间的分界面。 界面:不同相或不同类的物质之间的分界面 。界面:不同相或不同类的物质之间的分界面 。 固体有固体有限限 表表面面界界面面 周周围围的的环境环境相互作相互作用用 物理和物理和化化学学特性特性产生产生很很大影响大影响 新兴新兴的的多多学学科科 综综合合性性边缘边缘学学科科 79/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 表表面态面态 体内体内:周期性势场周期性势场因因晶体的不晶体的不完完整性整性(杂质杂质原子原子或或晶晶格格缺陷缺陷) 的的存存在在而而受受到到破坏破坏时时,会在会在禁禁带中带中出现附出现附加加能能级级。 表面表面:在:在垂垂直直表面表面的的方向方向上上破坏破坏了原了原来三维无来三维无限限晶晶格格的的周期性周期性 晶晶格格电子的电子的势势能能在在垂垂直直表面表面的的方向方向上上不不再再存存在在平平移移对对称称性性 哈哈密密顿顿的的本征本征值谱值谱中中出现出现了一了一些新些新的的本征本征值值 附加附加电子能电子能态态(表面表面态态) 80/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 形形成成机机理理: 塔姆塔姆(Tamm)表面态:晶格中断引起,能量位于禁带中(表面态:晶格中断引起,能量位于禁带中(1932年),年), 与杂质能级相联系的表面态与杂质能级相联系的表面态 肖克莱肖克莱(shockley)表面态:(源于原子能级)晶格常数小于某一数值表面态:(源于原子能级)晶格常数小于某一数值 以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面以至能带发生交迭时才可能分裂出两个位于禁带当中的定域于表面 的能态(的能态(1939年)年),与势场在两原子层中间突然终止相对应与势场在两原子层中间突然终止相对应 存存在在状态状态: 本本征表面态:即清洁表面的电子态,表面驰豫和表面重构对表面电子征表面态:即清洁表面的电子态,表面驰豫和表面重构对表面电子 态影响大(没有外来杂质)态影响大(没有外来杂质) 外诱表面态 :表面杂质,吸附原子和其他不完整性产生外诱表面态 :表面杂质,吸附原子和其他不完整性产生 81/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 表面表面态态特性特性: 可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心,决定了表面 可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心,决定了表面 复合的特性。复合的特性。 对多数载流子起散射作用,降低表面迁移率,影响表面电导。 对多数载流子起散射作用,降低表面迁移率,影响表面电导。 产生垂直半导体表面的电场,引起 产生垂直半导体表面的电场,引起表面表面电电场效场效应应。 与与电子电子作作用用: 类类施主态:空态时带正电,被一个电子占据后为中性的表面态施主态:空态时带正电,被一个电子占据后为中性的表面态 类类受主态:空态时为中性,被一个电子占据后带负电的表面态受主态:空态时为中性,被一个电子占据后带负电的表面态 82/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7.2 7.2 表表面面电场电场效效应应表表面面电场电场效效应应 外加表面电场外加表面电场 空间电荷层空间电荷层 空间电荷层:为了屏蔽表面电场的作用,半导体表面所形成有一定宽度空间电荷层:为了屏蔽表面电场的作用,半导体表面所形成有一定宽度 的的“空间电荷层空间电荷层”或叫或叫“空间电荷区空间电荷区”,其宽度从零点几微米到几个微米。,其宽度从零点几微米到几个微米。 表面势表面势 MIS结构结构 表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲 假设:金半接触的功函数差为零;绝缘层内无电荷;假设:金半接触的功函数差为零;绝缘层内无电荷; 绝绝缘层缘层与与半导体半导体界界面面处处不不存存在在任何任何界界面面态。态。 83/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 表表面面势势:空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零,电势发生:空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零,电势发生 相应变化,电势变化迭加在电子的电位能上,使得空间电荷层内的能带发相应变化,电势变化迭加在电子的电位能上,使得空间电荷层内的能带发 生弯曲,生弯曲,“表面势表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。 ( ) ( ) ( ) ( ) = = Tk xqV pxp Tk xqV nxn s s 0 s 0 0 s 0 exp exp 表面表面电电场场可可以以改改变表面变表面电导电导 表面表面空空间间电电荷层荷层的电的电荷荷与与Vs有有关关, 表表现出现出电电容效容效应应 l 表面表面电电势势比比内部内部高时高时取取正正值值。 l 表面势表面势及及空空间间电电荷荷区区内电内电荷荷的分的分布情况布情况随随金金属与属与半导体半导体间间所所加加电电压压 VG而而变化变化,分为,分为堆堆积积、耗尽耗尽和和反反型型三三种种情况情况。 l 由由波波耳兹曼统计耳兹曼统计,表面表面层层载流子载流子浓浓度度ns、ps和体内平衡载流子和体内平衡载流子浓浓度度n0、 p0的的关关系系为为: 84/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 理想理想MIS结构结构(p型型)在各种在各种VG下的表面势和空间电荷分布下的表面势和空间电荷分布 (a)多子堆积;()多子堆积;(b)多子耗尽;()多子耗尽;(c)反型)反型 VGV0VS(V0为绝缘层压降)为绝缘层压降) 注意注意 如如何何分分析析 85/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 栅压为零时四种栅压为零时四种实实际际MOS场效应晶体管能带图场效应晶体管能带图 p p n n 如何正确画出来! 86/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7.3 MIS7.3 MIS结构结构的电的电容容电电压压特特性(性(结构结构的电的电容容电电压压特特性(性(C C- -V V) l 耗尽状态:耗尽状态:VG增加,增加,x d增大 增大,Cs减小,减小,CD段段 Vs2VB时:时:EF段(低频)段(低频) l 高频时:反型层中电子数量不能随高频信号而变,对电容无贡献,高频时:反型层中电子数量不能随高频信号而变,对电容无贡献, 还是由耗尽层的电荷变化决定(强反型达到还是由耗尽层的电荷变化决定(强反型达到xdm不随不随VG变化,电容变化,电容 保持最小值);保持最小值);GH段段 理想理想MIS结构结构C- V曲线曲线 l 绝对值较大时,绝对值较大时,CC0, ,AB段(半导体看成导通) 段(半导体看成导通) l 绝对值较小时,随绝对值较小时,随V增加而减小,增加而减小,BC段段 CFB (1)VG0 87/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 实际实际MIS结构:金属与半导体功函数差对结构:金属与半导体功函数差对C-V特性的影响特性的影响 金属与半导体功函数差金属与半导体功函数差 对对MIS结构结构C- V特性的影响特性的影响 VG0 平带情形平带情形 p型硅的功函数型硅的功函数金属金属Al 电子从金属流向半导体电子从金属流向半导体 产生指向半导体的内部电场产生指向半导体的内部电场 达到平衡,费米能级相等达到平衡,费米能级相等 q WW V ms ms = 88/98 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 施加平带电压施加平带电压,抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲抵消功函数不同产生的电场和能带弯曲 VFBVms 功函数对功函数对C- V特性曲线的影响特性曲线的影响 q

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