半导体物理与器件-复习大纲.ppt

中北大学梁庭201309 半导体物理与器件 绪论 第一章 什么是半导体P型和N型 理论和技术半导体科学和技术的发展史半导体材料固体晶格基本知识硅的体原子密度是多少 金刚石结构 闪锌矿结构半导体中的缺陷和杂质半导体的纯度 对加工工艺环境的要求 半导体 semiconductor 顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质 暗含假设 仅电特性变化 其他物 化特性几乎不变 半导体的特殊性 杂质 第二章量子力学初步 量子力学的基本原理能量量子化 波粒二相性 不确定原理薛定谔波动方程无限深势阱 隧道效应单电子原子单电子原子中的能级量子化 第三章固体量子理论初步 能带理论 半导体理论的基石共有化运动 单电子近似 固体物理基本知识布里渊区 E k能带图知识 固体中电的传导 能带理论的初步应用满带 空带 半满带 有效质量 空穴 金属 绝缘体与半导体 能带的三维扩展直接带隙 间接带隙 状态密度函数K空间量子态密度 等能面 统计力学费米分布函数 玻尔兹曼近似条件 为第4章讨论载流子浓度打下基础 载流子浓度 状态密度 分布函数 dE 第三章固体量子理论初步 7 当EV E EC时 为禁带 带隙 在此能量区间g E 0导带中电子的态密度分布函数gC E 和价带中空穴的态密度分布函数gV E 随着能量E的变化关系如右图所示 当电子的态密度有效质量与空穴的态密度有效质量相等时 二者则关于禁带中心线相对称 例3 3P 62 第三章固体量子理论初步 8 麦克斯韦 玻尔兹曼分布近似 当E EF kT时 则有 第四章平衡半导体 半导体中的载流子热平衡载流子浓度计算方法 掺杂原子与能级非本征半导体电中性状态费米能级位置 对于本征半导体 费米能级位于禁带中心 附近 费米能级的位置需保证电子和空穴浓度的相等如果电子和空穴的有效质量相同 状态密度函数关于禁带对称 对于普通的半导体 Si 来说 禁带宽度的一半 远大于kT 21kT 从而导带电子和价带空穴的分布可用波尔兹曼近似来代替 半导体中的载流子 本征载流子浓度和温度 禁带宽度的关系 禁带宽度Eg越大 本征载流子浓度越低 禁带宽度Eg越大 本征载流子浓度越低 半导体中的载流子 为什么要掺杂 半导体的导电性强烈地随掺杂而变化硅中的施主杂质与受主杂质能级 Ec Ev Ed Ec Ev Ed 施主杂质电离 n型半导体 受主杂质电离 p型半导体 掺杂原子与能级 掺入施主杂质 费米能级向上 导带 移动 导带电子浓度增加 空穴浓度减少过程 施主电子热激发跃迁到导带增加导带电子浓度 施主电子跃迁到价带与空穴复合 减少空穴浓度 施主原子改变费米能级位置 导致重新分布 非本征半导体 掺入受主杂质 费米能级向下 价带 移动 导带电子浓度减少 空穴浓度增加过程 价带电子热激发到受主能级产生空穴 增加空穴浓度 导带电子跃迁到受主能级减少导带电子浓度 受主原子改变费米能级位置 导致重新分布 非本征半导体 载流子浓度n0和p0的公式 只要满足玻尔兹曼近似条件 该公式即可成立只要满足玻尔兹曼近似条件 n0p0的乘积依然为本征载流子浓度 和材料性质有关 掺杂无关 的平方 虽然在这里本征载流子很少 例4 5直观地说明了费米能级的移动 对载流子浓度造成的影响 费米能级抬高了约0 3eV 则电子浓度变为本征浓度的100000倍 非本征半导体 载流子浓度n0 p0的另一种表达方式 同样地 EF EFi 电子浓度超过本征载流子浓度 EF EFi 空穴浓度超过本征载流子浓度 非本征半导体 发生简并的条件大量掺杂温度的影响 低温简并 简并系统的特点 杂质未完全电离杂质能级相互交叠分裂成能带 甚至可能与带边相交叠 杂质上未电离电子也可发生共有化运动参与导电 从费米积分曲线上可以看出当 F 2时为直线 即玻尔兹曼近似成立 非本征半导体 电中性条件在平衡条件下 补偿半导体中存在着导带电子 价带空穴 还有离化的带电杂质离子 但是作为一个整体 半导体处于电中性状态 因而有 其中 n0 导带电子浓度 p0 价带空穴浓度 nd是施主中电子密度 Nd 代表离化的施主杂质浓度 pa 受主中的空穴密度 Na 离化的受主杂质浓度 电中性状态 低温未完全电离区 完全电离区 饱和电离区 非本征区 本征激发区 100K左右杂质即可完全电离 非本征区的电子浓度近似等于掺杂浓度随着掺杂浓度的增加 本征激发区域的温度会增高 例4 12当掺杂为1 39 1015cm 3时 在550K的情况下 本征载流子浓度不超过总浓度的5 载流子浓度 掺杂浓度 费米能级之间的关系 载流子浓度与费米能级之间的关系 载流子浓度与掺杂浓度之间的关系 费米能级与载流子浓度及掺杂浓度之间的关系 费米能级位置 重要的公式 重要公式 第五章载流子输运现象 载流子的漂移运动迁移率 和温度 杂质浓度的关系 速度饱和 电导率 和温度 杂质浓度的关系 漂移电流 载流子的扩散扩散电流 扩散系数 爱因斯坦关系霍尔效应 电导率和电阻率半导体的电阻率和电导率 显然 电导率 电阻率 与载流子浓度 掺杂浓度 和迁移率有关 右图所示为一块N型半导体材料中 当施主杂质的掺杂浓度ND为1E15cm 3时 半导体材料中的电子浓度及其电导率随温度的变化关系曲线 电导率和温度的关系 扩散电流密度 对于带电粒子来说 粒子的扩散运动形成扩散电流 第六章非平衡过剩载流子 非平衡状态 载流子的产生与复合产生率 复合率 载流子寿命 双极输运双极输运方程的形式 意义和简化应用的前提条件 双极输运是过剩载流子的输运而不是载流子输运 双极输运的典型例子 表6 2 例题6 1 6 4 准费米能级准热平衡 带间平衡与带内能量弛豫的时间差异 准费米能级可用来计算准热平衡下的载流子浓度 表面效应 扩散流导致的浓度变化 漂移流导致的浓度变化 产生与复合导致的浓度变化 E 式中 n是过剩少数载流子电子的浓度 而 n0则是小注入条件下少数载流子电子的寿命 类似地 对于N型半导体材料来说 小注入条件下的双极输运方程同样可表示为 式中 p是过剩少数载流子空穴的浓度 而 p0则是小注入条件下少数载流子空穴的寿命 介质弛豫时间常数 准电中性的条件的验证 设想这样一种情形 如下图所示 一块均匀掺杂的N型半导体材料 在其一端的表面附近区域突然注入了均匀浓度的空穴 p 此时这部分过剩空穴就不会有相应的过剩电子来与之抵消 现在的问题是电中性状态如何实现 需要多长时间才能实现 在这种情况下 决定过剩载流子浓度分布的方程主要有三个 第一个是泊松方程 即 式中 为半导体材料的介电常数 其次是电流方程 即欧姆定律 上式中 为半导体材料的电导率 最后一个是电流连续性方程 忽略产生和复合之后 即 上式中的 就是净的电荷密度 其初始值为e p 我们可以假设 p在表面附近的一个区域内是均匀的 对电流方程求散度 并利用泊松方程 代入连续性方程 该方程容易解得 介质驰豫时间常数 第七章pn结 热平衡能带图 内建电势差 内建电场 空间电荷区掌握热平衡 正 反向偏置时的能带图 会计算Vbi 在耗尽区假设下推导空间电荷区电场和势垒电容 单边突变结C V特性 pn结的求解过程耗尽区假设 空间电荷区内无自由电荷 NA p0 Nd n0 耗尽区外为中性区 Nd n0 NA p0 无电场 耗尽区假设 积分求解泊松方程 得到电场和电势 整个空间电荷区电势积分得到内建电势差 热平衡状态求出内建电势差 边界条件 耗尽区边界电场为0 冶金结处电场连续 空间电荷区宽度 最大电场等 p n xp xn x 0 Ec EF EFi Ev 则可以得到 可以看到 势垒电容的大小与 s 材料 Vbi 掺杂水平 Na Nd及反偏电压等因素有关 可以发现 这表明势垒电容可以等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容 例7 5 注意 势垒电容的单位是F cm2 即单位面积电容 第八章pn结二极管 正向偏置下空间电荷区边界处的过剩少数载流子注入 边界条件 扩散区内的少数载流子分布 长pn结 双极输运方程的应用 理想电流电压方程 通过少数载流子分布推导 扩散电容的概念小信号等效电路模型击穿模式 由此 我们可以得出pn结处于正偏和反偏条件时 耗尽区边界处的少数载流子分布 正偏 反偏 对于三种可能的n型区长度 下表总结了三种情况下的空穴电流密度表达式 与此类似 对于不同的p型区长度 同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式 完整的小信号等效电路模型 串联电阻的影响中性的p区和n区实际上都有一定的电压降落 这来源于中性区的体电阻 一般称为寄生电阻 二极管电压 PN结电压 串联电阻 第九章金属半导体和半导体异质结 功函数 电子亲和势 肖特基势垒 电流电压关系 热电子发射机制 肖特基二极管与pn结二极管的比较 欧姆接触的概念及常规制备方法异质结基本概念 肖特基接触形成接触前接触后 EF 利用隧道效应制成的欧姆接触提高表面杂质浓度 利用隧道效应制成的欧姆接触 这是目前在生产实践中主要使用的方法 高掺杂 薄势垒 强隧道效应 欧姆接触 第十章双极晶体管 双极晶体管的材料 结构特征正向有源模式下的少数载流子分布各个模式下的能带图电流增益 图10 19 可以用电流成分表达出各个电流增益因子提高电流增益需要做的材料结构改进措施 P 278表10 3 非理想效应概念两个击穿电压延时因子 四个时间的概念 主要限制因素截止频率的概念 实际器件结构图先进的双层多晶硅BJT结构埋层 减小串联电阻 隔离 采用绝缘介质 晶体管电流的简化表达形式 有用电流和无用电流电子电流和空穴电流扩散电流 漂移电流 复合电流 产生电流 re 为发射结的扩散电阻 Cp为发射结的寄生电容 发射结电容充电时间 第十一章MOS晶体管 NMOS PMOS定义 衬底掺杂类型 不同栅压下的半导体表面状态 堆积 耗尽 弱反 强反 图11 3 11 7 会计算耗尽层厚度 最大耗尽层厚度 MOS中的电势平衡 图11 12 式11