半导体器件物理.pdf

1 Ru Huang IME PKU 上一次课 半导体物理基础上一次课 半导体物理基础 半导体 半导体 N型半导体 型半导体 P型半导体 本征半 导体 非本征半导体 型半导体 本征半 导体 非本征半导体 载流子 电子 空穴 多子 少子 平衡 载流子 非平衡载流子 载流子 电子 空穴 多子 少子 平衡 载流子 非平衡载流子 掺杂 施主杂质 受主杂质掺杂 施主杂质 受主杂质 能带 导带 价带 禁带 费米能级 准 费米能级 能带 导带 价带 禁带 费米能级 准 费米能级 载流子浓度载流子浓度n p 迁移率 迁移率 载流子输运 载流子输运 扩散 漂移 产生 复合扩散 漂移 产生 复合 电流连续性方程电流连续性方程 2 Ru Huang IME PKU 服从玻尔兹曼分布 的载流子浓度 服从玻尔兹曼分布 的载流子浓度 F 体费米势体费米势 F ln ln i D t i D F n N n N q kT ln ln A i t A i F N n N n q kT 3 Ru Huang IME PKU 电流连续方程电流连续方程 RG qt n n j 1 RG qt p p j 1 电 子 空穴 载流子输运影响载流子浓度随时间变化 漂移 扩散 电流变化 间接或直接热复合 间接或直接产生 载流子输运影响载流子浓度随时间变化 漂移 扩散 电流变化 间接或直接热复合 间接或直接产生 4 Ru Huang IME PKU 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程 在漂移 扩散模型中在漂移 扩散模型中 nqDnq nnn Ej pqDpq ppp Ej 方程形式方程形式1 方程形式方程形式2 5 Ru Huang IME PKU 半导体器件物理基础 6 Ru Huang IME PKU 据统计 半导体器件主要有据统计 半导体器件主要有67种 另外 还有 种 另外 还有110个相关的变种个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成 所有这些器件都由少数基本模块构成 PN结结 金属 半导体接触金属 半导体接触 MIS结构结构 异质结异质结 超晶格和量子阱超晶格和量子阱 半导体器件半导体器件 7 Ru Huang IME PKU 1907 发光二极管 发光二极管 1947 第一个晶体管 第一个晶体管 诺贝尔奖诺贝尔奖 1949 PN结晶体管结晶体管 1952 JFET 1954 太阳电池 太阳电池 1957 HBT 2000年诺贝尔奖年诺贝尔奖 1958 隧道二极管隧道二极管 稳压管稳压管 诺贝尔奖 诺贝尔奖 1962 CMOS 1967 非挥发存储器非挥发存储器 196 微波器件微波器件 IMPATT 渡越电子二极管渡越电子二极管 1970 CCD器件器件 1971 Intel CPU 1974 共振隧穿二极管共振隧穿二极管 1980 MODFET 198 异质结构和基于量子效应的器件 纳米电子学 异质结构和基于量子效应的器件 纳米电子学 8 Ru Huang IME PKU PN结结 PN结二极管结二极管 PN结结 双极晶体管双极晶体管 MOS场效应晶体管 场效应晶体管 JFET 光电器件光电器件 电力电子器件 如可控硅器件等 的基本组成部分 电力电子器件 如可控硅器件等 的基本组成部分 本身作为二极管本身作为二极管 开关 整流 稳压 变容等开关 整流 稳压 变容等 9 Ru Huang IME PKU PN结的结构结的结构 工作原理工作原理 平衡情况平衡情况 非平衡情况非平衡情况 PN结静电量的定量描述结静电量的定量描述 PN结二极管电流特性的定量描述结二极管电流特性的定量描述 稳态响应稳态响应 PN结二极管的击穿结二极管的击穿 PN结二极管的小信号特性结二极管的小信号特性 PN结二极管的瞬态响应结二极管的瞬态响应 基本电路应用基本电路应用 10 Ru Huang IME PKU PN结的结构结的结构 突变结线性缓变结突变结线性缓变结 注入或扩散相反 类型杂质 退火 注入或扩散相反 类型杂质 退火 冶金结冶金结 11 Ru Huang IME PKU 有代表性 有代表性 两种载流子两种载流子 漂移 扩散 产生复合基本 运动形式 漂移 扩散 产生复合基本 运动形式 PN结 二极管 结 二极管 diode P N 12 Ru Huang IME PKU i PN结的单向导电性 整流特性 结的单向导电性 整流特性 P区接正 区接正 N区接负区接负 正向导电性很好 电流随电压 增加迅速增大 正向电阻小 正向导电性很好 电流随电压 增加迅速增大 正向电阻小 反向导电性差 电流很小 趋 于饱和 反向电阻大 反向导电性差 电流很小 趋 于饱和 反向电阻大 反向击穿反向击穿 分析分析 平衡情况平衡情况 非平衡情况非平衡情况 正向正向 反向反向 13 Ru Huang IME PKU 自建电场自建电场 P型型N型型 准中性区准中性区准中性区准中性区 空间电荷区空间电荷区 xpxn 假设假设P区 区 N区均匀掺杂区均匀掺杂 突变结突变结 自建电场引起的电子 空穴漂移运动与它们的 扩散运动方向相反 直 到两者相抵 达到动态 平衡 自建电场引起的电子 空穴漂移运动与它们的 扩散运动方向相反 直 到两者相抵 达到动态 平衡 空间电荷区 耗尽层 空间电荷区 耗尽层 高阻区高阻区 PN结的形成结的形成 14 Ru Huang IME PKU 平衡的平衡的PN结 结 没有外加扰动没有外加扰动 能带图能带图 平衡情况下 费米能级 一致 平衡情况下 费米能级 一致 势垒 位垒势垒 位垒 P区能带上移是自建场的影 响 区能带上移是自建场的影 响 P区静电势能高区静电势能高 能带按电子能量定能带按电子能量定 自建势自建势qVbi N区和区和P区的电势差 自 建势 接触电势差 区的电势差 自 建势 接触电势差Vbi 15 Ru Huang IME PKU 静电势由本征费米 能级 静电势由本征费米 能级Ei的变化决定的变化决定 q E i 能带向下弯 静电势增加 能带向下弯 静电势增加 16 Ru Huang IME PKU 与掺杂浓度有关与掺杂浓度有关 自建势自建势Vbi 17 Ru Huang IME PKU 正向偏置的正向偏置的PN结情形结情形 正向偏置时的能带图正向偏置时的能带图 正向偏置时 扩散大于漂移正向偏置时 扩散大于漂移 N区区P区空穴 电子 区空穴 电子 P区区N区区 扩散 扩散 扩散 扩散 漂移 漂移 漂移 漂移 电子和空穴扩散 电流相加 运动的是多子 电子和空穴扩散 电流相加 运动的是多子 势垒须下降到一定程度 导通电压 电流指数增加 势垒须下降到一定程度 导通电压 电流指数增加 18 Ru Huang IME PKU 19 Ru Huang IME PKU PN结的反向特性结的反向特性 反向偏置时的能带图反向偏置时的能带图 反向偏置时 漂移大于扩散反向偏置时 漂移大于扩散 20 Ru Huang IME PKU P区区N区电子 区电子 扩散扩散 漂移漂移 反向偏置时 漂移大于扩散反向偏置时 漂移大于扩散 N区中空穴 区中空穴 P区中的电子被反向抽取区中的电子被反向抽取 少子运动 电流小少子运动 电流小 反向电流 产生电流反向电流 产生电流 产生率大于复合率产生率大于复合率 边界处少子变化量不超过平衡少子浓度 电流趋于饱和边界处少子变化量不超过平衡少子浓度 电流趋于饱和 边界少子注入很多边界少子注入很多 光照光照 光电二极管 光电探测 光电二极管 光电探测 空穴空穴N区区P区区 扩散扩散 漂移漂移 21 Ru Huang IME PKU PN结的结的I V特性特性 单向导电性单向导电性 正向导通 多数载流子电流 正向导通 多数载流子电流 大 陡大 陡 边界少子浓度增加形成积累 注入多子 边界少子浓度增加形成积累 注入多子 反向截止 少数载流子电流 反向截止 少数载流子电流 小小 边界少子浓度减少 抽取少子 边界少子浓度减少 抽取少子 22 Ru Huang IME PKU PN结的结构结的结构 工作原理工作原理 平衡情况平衡情况 非平衡情况非平衡情况 PN结静电量的定量描述结静电量的定量描述 二极管和其他 器件建模的基础 二极管和其他 器件建模的基础 平衡平衡 非平衡非平衡 PN结二极管电流特性的定量描述结二极管电流特性的定量描述 击穿击穿 小信号特性小信号特性 23 Ru Huang IME PKU PN结耗尽区中电场 电势分布结耗尽区中电场 电势分布 出发点 泊松方程 半导体器件基本方程 出发点 泊松方程 半导体器件基本方程 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律 形式形式1 0 2 x s t 形式形式2 ss dxxx 0 1 24 Ru Huang IME PKU 平衡情况平衡情况 不加外偏压不加外偏压 npNNqAD 耗尽近似 在冶金结附近载流子浓度与 净杂质浓度相比近似忽略不计 耗尽近似 在冶金结附近载流子浓度与 净杂质浓度相比近似忽略不计 为了获得解析解 为了获得解析解 耗尽近似耗尽近似 25 Ru Huang IME PKU 26 Ru Huang IME PKU 电场分布电场分布 N区区 P区区 最大电场在最大电场在x 0处处 积分 积分 积分 积分 27 Ru Huang IME PKU 电势分布电势分布 P区区 积分积分n区区 积分积分 2 0 2 xx qN x p s A 2 0 2 xx qN Vx n s D bi 在在x 0处电势连续处电势连续 28 Ru Huang IME PKU 突变结 耗尽近似 突变结 耗尽近似 正负电荷正负电荷 29 Ru Huang IME PKU 耗尽区宽度耗尽区宽度 例 单边突变结 例 单边突变结 P N结 结 NA ND P型型N型型 xp0 xn 掺杂浓度高 耗尽区宽度小 掺杂浓度高 耗尽区宽度小 30 Ru Huang IME PKU 加外偏压后加外偏压后 31 Ru Huang IME PKU 两边费米能级之差为外加电压两边费米能级之差为外加电压qV 能带弯曲能带弯曲q Vbi V 32 Ru Huang IME PKU 加外偏压加外偏压V P型型 xpxn P型型 xpxn N型型 N型型 加正压 加正压 w变小 电荷减少 场减弱 变小 电荷减少 场减弱 加负压 加负压 w变大 电荷增加 场增强 变大 电荷增加 场增强 33 Ru Huang IME PKU PN结的结构结的结构 工作原理工作原理 平衡情况平衡情况 非平衡情况非平衡情况 PN结静电变量的定量描述 二极管和其他器件 建模的基础 结静电变量的定量描述 二极管和其他器件 建模的基础 平衡平衡 非平衡非平衡 线性缓变结 自学 线性缓变结 自学 PN结二极管电流 电压特性的定量描述结二极管电流 电压特性的定量描述 PN结击穿结击穿 小信号特性小信号特性 34 Ru Huang IME PKU PN结二极管的电流 电压特性 稳态响应结二极管的电流 电压特性 稳态响应 假设 假设 无光照等无光照等 外偏压全部加在耗尽区上 耗尽区以外没 有电场 仅考虑扩散电流 外偏压全部加在耗尽区上 耗尽区以外没 有电场 仅考虑扩散电流 小注入情况 注入的少子浓度远低于多子 浓度 小注入情况 注入的少子浓度远低于多子 浓度 耗尽区中无产生复合耗尽区中无产生复合 载流子分布服从玻尔兹曼分布载流子分布服从玻尔兹曼分布 P型型 xpxn N型型 35 Ru Huang IME PKU x nn qD x n qDJ pp n p nN 0 x pp qD x p qDJ nn p n pP 0 P型型 xpxn N型 假设耗尽区中无产生 复合 型 假设耗尽区中无产生 复合 J JN JP JN xp JP xn 扩散 方程 36 Ru Huang IME PKU RG qt n n j 1 RG qt p p j 1 从电流连续性方程出发求出少子分布从电流连续性方程出发求出少子分布 无产生 无产生 G 0 稳态 上式左边 稳态 上式左边 0 p nn p n ppp R 0 n pp n p nnn R 0 以求解空穴少子分布为例以求解空穴少子分布为例 37 Ru Huang IME PKU 边界条件的推出 边界条件的推出 平衡少子浓度平衡少子浓度 38 Ru Huang IME PKU P型型 xpxn N型型 ppp DL 边界条件边界条件 Wn Lp情况下情况下 39 Ru Huang IME PKU 40 Ru Huang IME PKU 41 Ru Huang IME PKU 反向饱和电流 与反向饱和电流 与ni 有关 与浓度有关有关 与浓度有关 Is 42 Ru Huang IME PKU 与理想情况的偏差与理想情况的偏差 Log坐标的斜率坐标的斜率q nkT 斜率越陡越好 斜率越陡越好 理想情况理想情况 60mV dec 低温下性能会好低温下性能会好 高掺杂高掺杂 n 2 串联电阻压降串联电阻压降 大注入电导调制大注入电导调制 P型型 xpxn N型型 43 Ru Huang IME PKU PN结的结构结的结构 工作原理工作原理 平衡情况平衡情况 非平衡情况非平衡情况 PN结静电变量的定量描述 二极管和其他器件 建模的基础 结静电变量的定量描述 二极管和其他器件 建模的基础 平衡平衡 非平衡非平衡 线性缓变结 自学 线性缓变结 自学 PN结二极管电流 电压特性的定量描述结二极管电流 电压特性的定量描述 PN结击穿结击穿 小信号特性小信号特性 44 Ru Huang IME PKU PN结的反向击穿 可恢复结的反向击穿 可恢复 反向击穿区 反向击穿电压 反向击穿区 反向击穿电压V