半导体材料课件ppt.pdf

1 2 2 1 半导体的发展史 半导体材料的主要性质 半导体材料的分类 4 2 1 材料导体半导体绝缘体 电阻率 cm 10 310 3 109 109 按不同的标准 有不同的分类方式 按固体的导电能力区分 可以区分为导体 半导体和绝缘体 表1 1 导体 半导体和绝缘体的电阻率范围 5 1833 Ag2S 1835 1906 6 1950 1952 50 1947 7 8 举例说明 如室温附近的纯硅 Si 温度每增加8 电阻率相应地降低50 左右 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个 族杂质 比如磷 为例 这时 硅的纯度仍高达99 9999 但电阻率在室温下却由大约214 000 cm 降至0 2 cm以下 如在绝缘衬底上制备的硫化镉 CdS 薄膜 无光照时的暗电阻为几十 M 当受光照后电阻值可以下降为几十K 9 1 它是由单一元素构成的 如 族的硼 族的碳 金刚石 硅 Si 锗 Ge 族的硫 S 硒 Se 碲 Te Sn 灰锡 等 2 如 族的硫化镉 CdS 硒化镉 CdSe 等 族的砷化镓 GaAs 磷化铟 InP 磷化镓 GaP 等 族的碳化硅 SiC 3 4 5 6 10 GeSi 11 GeSi 12 GeSi 13 GeSi 位错 一方面 吸引其周围点缺陷 增加少子寿命 一方面 晶格畸变增大 使载流子复合 少子寿命减小 刃位错 悬挂键 受主能级 14 2 a 族化合物半导体 15 16 11 1eV 2 3 17 18 19 20 GaAs 21 GaP 22 GaAs 施主 Se S Te取代As 受主 Zn Be Mg Cd Hg取代Ga 两性杂质 Si Ge Sn Pb 中性杂质 B Al In 空位是重要的点缺陷 23 b 族化合物半导体 24 25 26 27 28 29 c 其它化合物半导体 30 31 32 33 34 35 36 37 4 以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件 非晶态半导体虽然在整 体上分子排列无序 但 是仍具有单晶体的微观 结构 因此具有许多特 殊的性质 50B T 1968S R 1975W E PN 38 P W N F 1977 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 PN 2 2 5 2 2 40 能带的准自由电子物理模型 金属中的准自由电子 价电子 模型 2 2 1 Bragg 2 2 41 价电子的基本特征 1 价电子的局域性 2 价电子的非局域性 Bloch定理 rk rr i kk eu uk r 与晶格平移周期 一致的周期函数 Bragg 2 2 1 42 N 个原子靠的很近时 原来某个能级上的电子就 NN 这时电子不再属 于某个原子而是在晶体中做共有化运动 允带之间因为没有能级称为禁带 如图 1 所示 1 43 Eg Eg 价带 导带 44 直接带隙 间接带隙 2 2 1 45 导带底电子沿外加电场漂移 价带顶电子沿外加电场的方向漂移 E ejeve h vh jh 2 2 1 46 2 2 1 31 lnln 22 g i E nAT k T lnni 1 T 47 n P ED 2 2 1 48 类氢原子模型 2 0 4 8h qm E r n D 2 2 1 49 p EA 2 2 1 50 2 0 4 8h qm E r p A 类氢原子模型 2 2 1 51 exp 2 1 1 1 Tk EE Ef B FD D exp 2 1 1 1 Tk EE Ef B AF A exp 21 1 Tk EE N EfNpNp B AF D AAAAA exp 21 1 Tk EE N EfNnNn B FD A DDDDD 2 2 1 52 n型半导体的平衡载流子浓度 n0 nD P0 电中性条件 2 2 1 电离的施主浓度价带中的空穴浓度电子浓度 53 p型半导体的平衡载流子浓度 电中性条件 p0 nA n0 2 2 1 54 非平衡载流子 非平衡载流子的产生 1 光辐照 短波光照射半导体 2 电注入 2 2 1 55 非平衡载流子 非平衡载流子的寿命和复合 2 2 1 载流子的各种复合机构 a 直接复合 b 体内间接复合 c 表面间接复合 56 p n结的制备工艺 合金法 扩散法 2 2 1 57 p n结平衡能带结构 2 2 1 p n p n an p bp n a b 58 p n结平衡电势 2 2 1 59 p n I V 2 2 1 p np n 60 直接吸收 间接吸收 半导体的光吸收及光电导 2 2 1 61 半导体的光生伏特效应 光 2 2 1 62 xIJxZ HzyEy 63 xExJx zBz yEy RHm3C 1 E zH xxzH x y B EJBR E E q tan H 64 65 2 2 2 Si Ge 2 2 2 1 66 67 4 4 4 4 68 4 4 4 4 69 2 2 2 2 N P 70 N N 71 N N Si P Si Si N 72 P P 73 P P Si SiSi B 74 N P 75 半导体中电子数目很多 从大量电子整体来看 在热平衡状态下 电 子按能量大小具有统计分布的规律性 根据量子统计理论 服从pollay不相 容原理的电子服从费米统计规律 对于能量为E的一个量子态被一个电子占 据的几率f E 服从费米分布 f E 1 1 EXP E EF k T 空穴被占的几率为 1 f E 这是一个很重要的物理参数 只要知道了 数值 在一定温度下电子在各量子态的统计分布就可以知道 引出玻尔兹曼 分布函数 推 得在一定温度下 一定的半导体材料 76 半导体的电子从价带激发到导带 同时价带产生了空穴 电子与空穴成对 出现 导带中电子浓度等于价带中的空穴 浓度 这就是本征激发情况下电 中性的条件 温度升高时会产生大量本征激发态 影响器件功能 一般情 况下只有杂质电离 器件工作稳定 引入器件极限温度 实际半导体器件中 以掺磷的 n 型半导体为 例 n Si 1 低温弱电离区 温度很低时 大部 分施主杂质能级仍为电子占据 只有很 少施主杂质发生电离 这少量电子进 入导带 这时称为弱电离 2 强电离区 当温度升高到大部分杂 质都电离为强电离 3 高温本征激发区 继续升高温度 使本征激发产生的本征载流子数远多 于杂质电离产生的载流子 77 掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质能度所 决定 对于杂质浓度一定的半导体 随着温度的升高 载流子从以杂质 电离为主过渡到以本征激发为主 相应的 78 EJ dvnqJ E dv vt n nq np nqpq p pq nn p pp n 2 2 3 电子在电场力作用下的运动称为漂移运动 定向运 动的速度称为漂移速度 p n 1 2 1 3 79 MOSFET np 80 2 2 4 1 PN P N PN 2 2 4 PN 81 扩散运动 内电场E 漂移运动 PN 82 漂移运动 扩散运动 内电场E PN 83 漂移运动 扩散运动 内电场E PN 84 2 2 4 2 PN PN PN PN PN 85 PN P N 86 PN NP A 87 2 2 4 3 1 PN P N P N 88 2 U I 0 6 0 7V 0 2 0 3V U BR 0 5V 0 2V UI E A 89 3Rd rD UQIQ US R QUQ IQ 90 3Rd rD i u IQ UQ Q IQ UQ Rd UQ IQ rD UQ IQ Q 91 1 0 5V 0 7V 0 0 RL ui uO ui uo t t 92 IZmax U I UZ IZ IZmin IZ IzmaxIzmin 93 RL ui uO R DZ i iz iL UZ UZW 10V Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k ui 12VR 200 1 5 k 4 k 94 RL ui uO R DZ i iz iL UZ UZW 10V ui 12V R 200 Izmax 12mA Izmin 2mA RL 2k 1 5 k 4 k iL uo RL UZ RL 10 2 5mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5 k iL 10 1 5 6 7mA iZ 10 6 7 3 3mA RL 4 k iL 10 4 2 5mA iZ 10 2 5 7 5mA iZ 12mA2mA 95 B E C N N P NPN P N P B C E PNP 96 B E C NPN B E C PNP N P N C B E P N P C B E 97 B E C N N P 98 B E C N N P 99 2 2 4 4 B E C N N P EB RB Ec IE IE P IB IB 100 B E C N N P EB RB Ec IE IC IC IC IB 101 IC IB IC IB IB IB IBIC IC IC IC IB 20 100 IC IB 102 IC mA A VVUCE UBE RB IB USC USB C B E RC 103 IBUBE IB A UBE V 20 40 60 80 0 40 8 UCE1V 0 5V UBE 0 7V 104 2 ICUCE IC mA 1 2 3 4 UCE V 36912 40 A 60 A Q Q IC IB 2 mA 40 A 50 IC IB 3 2 mA 60 40 A 50 IC IB 3 mA 60 A 50 105 IC mA 1 2 3 4 UCE V 36912 IB 0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A UCE ICIB IC IB IC IB UCEUBE IB IC UCE0 3V IB 0 IC ICEO UBEIC UCE0 3V 3 UBE IB 0 IC ICEO 0 107 50USC 12V RB 70kRC 6k USB 2V2V5V Q USB 2VIB 0 IC 0 Q USB 2VIB USB UBE RB 2 0 7 70 0 019 mA IC IB 50 0 019 0 95 mA ICS 2 mAQ ICIB 50USC 12V RB 70kRC 6k USB 2V2V5V Q 109 1 2 ICEO 3 UCEO BR 4ICM 5PCM 110 2 2 5 111 112 PN 113 JFET MOS N P MOS nP 114 MOSN 1 P NN GSD P N SiO2 N N N 115 P NN GSD G S D N 2 N G S D 116 117 CS CS CS14A CS45G 118 1 N VGS 0DS VDSN DID DS VGS 0GS PNPN VDSDSID PN VGSID NP PNPGN SDPNN NN N 119 2 以N沟道绝缘栅型场效应晶体管为例 它是以一块低掺杂浓度 高电阻率的P型硅片作为衬底 再扩 散两个高浓度掺杂的N型区 分别引出两个极称为源极S和漏极 D 隔离两个N型区的间隙表面覆盖着一层很薄的二氧化硅绝 缘层 并在它上面用金属铝引出一个电极 作为栅极G 由于 栅极与其他电极是绝缘的 故称它为绝缘栅型场效应晶体管 N VGS 0 N N ID ID N 120 ID 121 NMOS ID mA V UDS UGS G S D 122 场效应晶体管的工作特性包括转移特性和输出特性 场效应 晶体管的输出特性是指在栅源电压UGS一定的情况下 漏极 电流iD与漏源电压UDs之间 的关系 即iD UDS UGS 常数 场效应晶体管的转移特性是指在漏源电压一定的情况下 栅 源电压UGS对漏极电流iD的控制特性 即iD UGS UDS常数 1 转移特性如左图所示 它 反映了栅源电压对漏极电流 的控制能力 当栅源电压 UGS 0时 对应的漏极电流 称为饱和漏电流IDSS UGS变 负时 ID随之减小 当ID接近 零时的栅极电压称为夹断电 压Vp 123 1 I 在这个区域里UDS较小 沟道电阻随栅源电压UGS而改变 UGS越负ID也 越小 曲线越下移 体现了栅源电压UGS控制 漏极电流ID的作用 当UGS一定时 ID随UDS的 增高而增大 当UDS一定 而UGS UP 时 漏极电流ID达到饱和值后基 本不变 在这个区域里对不同的UGS 漏极特 性曲线近似于平行 所以该区域是场效应晶体 管的线性放大区 3 如果UDS继续增高使PN结 超过它所能承受的电压极限而被击穿 漏极电 流ID迅速上升 若不加以控制 管子会损坏 所以不允许场效应晶体管工作在该区 UGS 0 UGS 1 UGS 2 124 4 1 2 3 4 P N 125 测量场效应晶体管的管脚可以用万用表的R lk 档进行测试 试探结型场效应晶体管栅极的方法是 场效应管的栅极相当于 晶体管的基极 源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电 极 将万用表置于R 1k档 用两表笔分别测量每两个管脚间 的正 反向电阻 当某两个管脚间的正 反向电阻相等 均为 数K 时 则这两个管脚为漏极D和源极S 可互换 余下的 一个管脚即为栅极G 对于有4个管脚的结型场效应管 另外一 极是屏蔽极 使用中接地 科普 相当于一个NPN型三极管 126 用万用表黑表笔碰触管子的一个电极 红表笔分别碰触 另外两个电极 若两次测出的阻值都很小 说明均是正向电 阻 该管属