半导体物理与器件物理

半导体物理与器件物理SemiconductorPhysicsandDevicePhysics,2011.4,主要教材:半导体物理学，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业出版社，2008年11月第7版半导体器件物理与工艺，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译，苏州大学出版社，2002年12月第1版主要参考书：半导体物理与器件（第三版），DonaldA.Neamen著，电子工业出版社现代半导体器件物理，施敏，科学出版社，2001年集成电路器件电子学，R.S.Muller,T.I.Kamins,M.Chan著，王燕等译，电子工业出版社，2004年第3版,Part1:半导体物理学Part2:半导体器件物理学,Outline,半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构,Part1:半导体物理学,固态电子学分支之一,微电子学,光电子学,研究在固体（主要是半导体材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科,微电子学,半导体概要,在学科分类中，微电子学既可以属于理学（071202），也可以属于工学（080903微电子学与固体电子学）,工学（08）,0808电气工程080801电机与电气080802电力系统及其自动化080803高电压与绝缘技术080804电力电子与电力传动080805电力理论与新技术0809电子科学与技术（注：可授予工学、理学学位）080901物理电子学080902电路与系统080903微电子学与固体电子学080904电磁场与微波技术,0810信息与通信工程081001通信与信息系统081002信号与信息处理0811控制科学与工程081101控制理论与控制工程081102检测技术与自动化装置081103系统工程081104模式识别与智能系统081105导航、制导与控制0812计算机科学与技术（注：可授予工学、理学学位）081201计算机软件与理论081202计算机系统结构081203计算机应用技术,微电子学研究领域,半导体物理、材料、工艺半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微系统，系统,微电子学发展的特点,向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片,半导体概要,固体材料：绝缘体、半导体、导体（其它：半金属，超导体）,什么是半导体？,半导体及其基本特性,绪论：微电子、IC的发展历史,早期历史发展,ENIAC（1946）,Solutions,New,new,newwegottofindsomethingnew,Mooreslaw,10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K,1970,1980,1990,2000,2010,存储器容量60%/年每三年，翻两番,1965，GordonMoore预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番,1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3,70747882869094982002,芯片上的晶体管数目微处理器性能每三年翻两番,i8080:6,000,m68000:68,000,PowerPC601:2,800,000,PentiumPro:5,500,000,i4004:2,300,M6800:4,000,i8086:28,000,i80286:134,000,m68020:190,000,i80386DX:275,000,m68030:273,000,i80486DX:1,200,000,m68040:1,170,000,Pentium:3,300,000,PowerPC604:3,600,000,PowerPC620:6,900,000,“Itanium”:15,950,000,PentiumII:7,500,000,微处理器的性能,100G10GGiga100M10MMegaKilo,19701980199020002010,8080,8086,80286,80386,80486,Pentium,PentiumPro,集成电路技术是近50年来发展最快的技术,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,等比例缩小(Scaling-down)定律,1974;Dennard;基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数,恒定电场定律的问题,阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便,恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。,准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律CE律和CV律的折中，实际采用的最多随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍,A、特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要影响集成度、产量和性价比）B、集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)（主要影响功能）C、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影响功能和新兴交叉增长点）,硅微电子技术的三个发展方向,第一个关键技术：微细加工目前0.25m、0.18m、0.13m、0.11m、90nm等已相继开始进入大生产90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件，有的已经投产当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在45nm以下？极限在哪里？22nm?Intel,IBM10nm?Atomiclevel?,A、微电子器件的特征尺寸继续缩小,互连技术与器件特征尺寸的缩小（SolidstateTechnologyOct.,1998）,第二个关键技术：互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但在0.13um后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用；在更小的特征尺寸阶段，可靠性问题还有待继续研究开发,第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料,传统的栅结构,重掺杂多晶硅,SiO2,硅化物,经验关系:LToxXj1/3,栅介质的限制,随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长,超薄栅氧化层,栅氧化层的势垒,G,S,D,直接隧穿的泄漏电流,栅氧化层厚度小于3nm后,tgate,大量的晶体管,限制：tgate3to2nm,栅介质的限制,栅介质的限制,等效栅介质层的总厚度：Tox1nm+t栅介质层,Tox,t多晶硅耗尽,t栅介质层,t量子效应,+,+,由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:t多晶硅耗尽0.5nm,由量子效应引起的等效厚度:t量子效应0.5nm,限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm,L,源,漏,栅,Tox,p型硅,n+,n+,多晶硅,NMOSFET,栅介质层,新一代小尺寸器件问题,0.1m,Sub0.1m,2030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况,诞生基于新原理的器件和电路,B、集成电路走向系统芯片,IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求,IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108109个晶体管,分立元件,集成电路IC,系统芯片SystemOnAChip(简称SOC),将整个系统集成在一个微电子芯片上,在需求牵引和技术推动的双重作用下,系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。,集成电路走向系统芯片,六十年代的集成电路设计,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成工艺无关,系统,世纪之交的系统设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPUCore可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近,集成电路走向系统芯片,SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标采用界面综合(InterfaceSynthesis)技术和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.250.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低,集成电路走向系统芯片,21世纪的微电子将是SOC的时代,SOC的三大支持技术软硬件协同设计：Co-DesignIP技术界面综合(InterfaceSynthesis)技术,集成电路走向系统芯片,1)软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论(FunctionPartitionTheory)计算机通讯压缩解压缩加密与解密,2)IP技术软IP核：SoftIP(行为描述)固IP核：FirmIP(门级描述，网单)硬IP核：HardIP(版图)通用模块CMOSDRAM数模混合：D/A、A/D深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上，对速度、功耗、可靠性等进行优化设计最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差,YesterdayschipsaretodaysreusableIPblocks，andcanbecombinedwithotherfunctions，likeVideo，Audio，Analog，andI/O，toformulatewhatwenowknowassystemonchip（SoC）。,半导体产业的发展Chipless,设计与制作的分工FablessFoundry系统设计师介入IC设计IP设计与SoC的分工Chipless,IP的特点,复用率高易于嵌入实现优化芯片面积最小运行速度最高功率消耗最低工艺容差最大,3）InterfaceSynthesisIP+GlueLogic(胶连逻辑)面向IP综合的算法及其实现技术,SoC设计示意,C、MEMS技术和DNA芯片,微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合,1）MEMS:目前的MEMS与IC初期情况相似,集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主集成电路技术的进步，加快了计算机更新换代的速度，对中央处理器（CPU）和随机存贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和RAM这样量大而广的产品,MEMS器件及应用,汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺武器装备制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器信息和通讯光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具,大机器加工小机器，小机器加工微机器,微机械,用微电子加工技术,X光铸模+压塑技术(LIGA),从顶层向下,从底层向上,分子和原子级加工,国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。2000年有120-140亿美元市场相关市场达1000亿美元市场将迅速成长,MEMS,微系统,MEMS系统,从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微型机电系统MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具,MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期,微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等,2）DNA芯片,微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核糖核酸)芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点,它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片，包括6000余种DNA基因片段,广义上的系统集成芯片,张海霞“微纳大世界”演讲视频,半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构,Part1:半导体物理学,半导体的纯度和结构,纯度极高，杂质,热运动(某T下达到热平衡）,在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为0，净电流为0平均自由时间为：,热运动,当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的,散射的原因,载流子在半导体内发生散射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。主要散射机制：电离杂质，晶格,电离杂质的散射,杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场散射概率Pi代表单位时间内一个载流子受到散射的次数,电离施主散射,电离受主散射,晶格振动的散射,格波形成原子振动的基本波动格波波矢对应于某一q值的格波数目不定，一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数Si、Ge半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个q就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，称为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，称为非弹性散射,晶格振动的散射,声学波散射在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化声学波散射概率光学波散射在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大,Quiz,1、载流子的热运动在半导体内会构成电流。（）2、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。3、载流子在外电场的作用下是（）和（）两种运动的叠加，因此电流密度大小（）。4、什么是散射?,自由时间与散射几率的关系,N个电子以速度沿某方向运动，在时刻未遭到散射的电子数为，则在时间内被散射的电子数为,因此,上式的解为,则被散射的电子数为,与的关系,在时间内被散射的所有电子的自由时间为，这些电子自由时间的总和为，则个电子的平均自由时间可表示为,、与的关系,平均漂移速度为,、与的关系,N型半导体P型半导体本征半导体,与及的关系,电离杂质散射声学波散射光学波散射,与及的关系,电离杂质散射声学波散射光学波散射,影响迁移率的因素,与散射有关晶格散射电离杂质散射,N型半导体P型半导体本征半导体,电阻率,与掺杂的关系,N型半导体P型半导体,本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体,（区别于金属）,与T的关系,速度饱和,在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移速度v与外加电场强度E呈线性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非线性关系，最终平均漂移速度达到一饱和值，不随E变化。n-Ge:,*耿氏效应,耿氏效应n-GaAs外加电场强度超过时，半导体内的电流以的频率发生振荡,练习,一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。（）2、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。（）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。（）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。（）,练习,二、填空1、半导体材料结构可分为（）、（）、（），应用最为广泛的是（）。2、金刚石型单胞的基础结构为（），金刚石型为（）对称性，闪锌矿型结构为（）对称性，纤锌矿型为（）对称性。3、导带和价带间间隙称为（），Si的禁带宽度为（），Ge为（），GaAs为（）。4、固体按其导电性可分为（）、（）、（）。,练习,5、杂质总共可分为两大类（）和（），施主杂质为（），受主杂质为（）。6、施主杂质向（）带提供（）成为（）电中心；受主杂质向（）带提供（）成为（）电中心。7、热平衡时，能级E处的空穴浓度为（）。8、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。,练习,三、简答1、单胞的概念及两大注意点？2、三种立方单胞的名称？3、引入有效质量的原因及意义？4、的物理含义？5、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？6、在外加电场E作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。7、在室温下，热平衡时，Si半导体中，求半导体中的电子和空穴浓度。,半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构,Part1:半导体物理学,平衡载流子,在某一平衡状态下的载流子称为平衡载流子本征或非简并半导体处于热平衡状态的判据式,（只受温度T影响）,Recall,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，也称为非平衡载流子,过剩载流子（非平衡载流子）,非平衡载流子的光注入,平衡载流子满足费米狄拉克统计分布,过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布,且公式,不成立,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程,过剩载流子,过剩载流子和电中性,平衡时过剩载流子,电中性要求：,小注入条件,小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多,小注入条件,例：室温下一受到微扰的掺杂硅，判断其是否满足小注入条件？,解：,满足小注入条件！（）,注：（1）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子(非平衡多子一般远小于平衡多子浓度，所以一般不起作用）,非平衡载流子寿命,假定光照产生和，如果光突然关闭，和将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命，也常称为少数载流子寿命单位时间内非平衡载流子的复合概率非平衡载流子的复合率,复合,n型材料中的空穴p,当时，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快,费米能级,热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级,统一的费米能级是热平衡状态的标志,准费米能级,当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过热跃迁实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“准费米能级”,准费米能级,注：非平衡载流子越多，准费米能级偏离就越远。在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大,准费米能级,注：两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度,产生和复合,产生载流子（电子和空穴）被创建的过程产生率（G）：单位时间单位体积内所产生的电子空穴对数复合载流子（电子和空穴）消失的过程复合率（R）：单位时间单位体积内复合掉的电子空穴对数产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流,复合,直接复合间接复合Auger复合,（禁带宽度小的半导体材料）,（窄禁带半导体及高温情况下）,（具有深能级杂质的半导体材料）,产生,直接产生R-G中心产生载流子产生与碰撞电离,Quiz,1、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。（）2、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（）所经历的时间。3、简述小注入条件4、处于非平衡态的p型半导体中，和哪个距近？为什么？,陷阱效应,当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定的陷阱效应所有杂质能级都具有陷阱效应具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱；相应的杂质和缺陷称为陷阱中心杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,扩散电流,总电流,扩散+漂移,扩散系数D和迁移率的关系,考虑非均匀半导体,爱因斯坦关系,在平衡态时，净电流为0,连续性方程,举例,掺杂浓度分别为(a)和的硅中的电子和空穴浓度？(b)再掺杂的Na又是多少？(),半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构,Part1:半导体物理学,PN结杂质分布,PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程AlloyedJunctions(合金结)；DiffusedJunctions(扩散结)；IonImplantation(离子注入)；EpitaxialGrowth(外延生长),p-n结基本结构,合金温度,降温再结晶,扩散,PN结的形成,PN结Flash动画演示.swf,PN结.swf,刚接触，扩散漂移,（达到动态平衡）,扩散=漂移,内建电场,漂移,EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,能带图(Enerybanddiagram),PN结中的能带,内建电势Vbi，或接触电势差(TheContactPotential)VD,平衡时,内建电势,内建电场方向,内建电势,PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度,PN结分类：按杂质分布,下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析,突变结（单边突变结）:线性缓变结:浅结、重掺杂（3um）或外延的PN结,缓变结与突变结,空间电荷区宽度(Spacechargeregionwidth),突变结,载流子分布(Carrierdistributions),VA0条件下的突变结,外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VA,反偏PN结,反偏电压能改变耗尽区宽度吗？,理想二极管,PN结正偏时,理想二极管,PN结反偏时,理想二极管的定量方程,基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。体内电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区（耗尽层）宽度远小于少子扩散长度,势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。即不考虑空间电荷区的产生-复合作用(无源或漏）。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。载流子边界浓度由结电势降决定，即由玻尔兹曼分布决定（Fermi分布的经典近似适用）,J-Vcharacteristicsofaidealp-njunction,准中性区载流子浓度,理想二极管方程,求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp),Spacechargeregion,Neutralregion,Diffusionregion,这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。,P区空穴向n区扩散空穴扩散电流,n区电子向P区扩散电子扩散电流。,根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,考虑-xp截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,准费米能级,正偏时少子分布（上）及电流的分布（下）,N区,P区,正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布,加正向偏置V后，结电压为（VD-Vf），,在xp处注入的非平衡电子浓度为：,在xn处注入的非平衡空穴浓度为：,同理：,-肖克莱方程,外加电场Vr与内建电场方向一致,扩散Eg的光照射具有p-n结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压.光生伏特效应.,PN结二极管的等效电路,小信号加到PN结上,+-,va,VA,+-,P,N,Rs,G,C,p-n结电容(Capacitanceofp-nJunctions),p-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。,（1）势垒电容CT,由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容,也称结电容（Junctioncapacitance）,反向偏置结电容,也称势垒电容或过渡区电容,势垒电容,对于线性缓变结,对于突变结：,反向偏置结电容-1,对于突变结：,反向偏置结电容-2,耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量,其中:,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,(2)扩散电容,也称电荷存储电容（chargestoragecapacitance）,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,也称电荷存储电容（chargestoragecapacitance）,扩散电容,扩散电容-1,表现为电容形式,扩散电容-2,扩散电容与正向电流成正比,CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。,点接触式二极管面积很小，CT、CD：0.51pF,面结型二极管中的整流管面积大，CT、CD：几十几百pF,（3）总电容,p-n结的总电容为两者之和：,正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD反向偏置p-n结时，以CT为主，CjCT,参数提取和杂质分布,CV测量系统,VA,1/C2,Vbi,频率特性和开关特性,PN结大信号工作特点：ID-VA特性，CD-VA特性以及CT-VA特性都是非线性的PN结小信号工作特点：信号电流与信号电压之间满足线性变化关系,小信号等效电路,p-n结的直流伏-安特性表明：1.具有单向导电性。2.具有可变电阻性。,一般pn结的两边是用同一种材料做成的，也称为“同质结”。广义上说，如果结两边是用不同的材料制成，就称为“异质结”，但一般所说的指两种不同半导体材料的接触构成的半导体异质结。根据结两边半导体材料的导电类型，异质结可分为反型异质结(p-n，n-p)和同型异质结(n-n，p-p)两类。另外，异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结，当前人们研究较多的是突变型异质结。,半导体异质结的发展及其性质,主要内容：,异质结器件的发展过程异质结结构的物理性质当前的一些研究进展,pn结是组成集成电路的主要细胞，50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。1947年12月，巴丁/布喇頓/肖克萊发明点接触晶体管。1949年肖克莱提出pn结理论，也称为理想pn结的肖克莱方程：j=js(eqv/kT-1);其中j=q(np0Dn/Ln+pnDp/Lp).1957年，克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。1968年美国贝尔实验室和苏联约飞研究所都宣布做成了GaAs-Alx/Ga1-xAs双异质结激光器。在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。,异质结器件的发展过程,理想异质结的I-V曲线,异质结的结构：,异质结的能带图（不考虑界面态）,理想突变反型异质结的物理性质,1.在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电势差满足：qVD=EF2-EF1，势场分布为VD1/VD2=1NA/2ND，势垒电容CT=dQ/dT=A0.52.平衡时能带的两个特点：(1)能带发生了弯曲，出现了尖峰和凹口;(2)能呆在交界面上不连续，导带底上的突变EC=1-2,价带顶的突变EV=(Eg2-Eg1)-(1-2),考虑界面态时异质结的能带图：,1.异质结的界面态主要来自组成成异质结的晶格失配，定义晶格失配为2(a2-a1)/(a1+a2)。晶格失配会在交界面上产生悬挂建，引入界面态。界面态密度DIT会直接影响异质结的各个物理性质。另外，两种材料的热膨胀系数不同和化合物半导体中的成分元素的互扩散都会引入界面态。当两种材料的晶格常数极为接近时，晶格匹配较好，可以不考界面态的影响；实际上都要考虑这个影响。有时候可加入少量杂质元素改变晶格匹配效果，例如在Si1-xGex/Si异质结中加入C原子，1%的C可以补偿91.4%的Ge所带来的压应变。2.增加了界面态能级，它们将成为载流子的非辐射复合中心。3.影响界面附近的电荷分布。,加偏压时的一些物理现象,1.加偏压时，结两边的电势要变化VD1=VD1-V1VD2=VD2-V2VD=(VD1-V1)-(VD2-V2)=VD-V2.结两边费米能级间隔变为qV；结势垒发生变化，载流子发生重新分配，其输运机制根据势垒的不同形式发生变化。,I-V曲线,异质结的J-V曲线与pn结相似，一般为非线性关系加正向电压Jexp(V)-1存在一个导通电压，导通时以指数形式变化且与温度关系紧密反向电压时J=j01-exp(-V),这个电流也称为反向抽取电流，存在一个反向饱和电流j0=q(n0Ln/n+pn0Dp/p)；当电压增大到某一值Vb时会发生击穿现象,这个电压称为击穿电压,异质结的一些特性,因此异质结呈现一些优良性质：1.高注入比。高注入比可以用来提高晶体管的频率特性，利用这种性质制成的HBT有广泛的应用，例如雷达，无线通讯(GaAs-HBT放大器)等。2.超注入现象，实现粒子数反转。3.窗口效应，可以提高光生伏特效率。4.高频特性,相比同质结：(1)异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度；(2)由于介电常数的不同，会使界面处出现能带的凸起和凹口，导致能带出现不连续；(3)在异质结界面处存在比较复杂的界面态。,目前异质结制备的一些常用方法,1.分子束外延技术。2.MO-CVD3.液相外延4.化学气相沉积。5.物理气相沉积法。6.辅助化学法7.sol-gel,目前异质结的一些研究对象,1.制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料(3)场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料为GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等(5)HEMT(Highelectronmobilitytransistor)2.制备发光二极管：(1)异质结发光二极管，异质结构为CdTe/PS，ZnS/ps等(2)制备新型的发光设备取代传统光源，白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源，主要集中在GaN基pn结研究上，例如AlGaInN/GaN。3.GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。在1.251.65m范围内，现在主要的异质结激光器