第章半导体物理和器件物理基础ppt课件

1、第二章第二章 半导体物理半导体物理和器件物理根底和器件物理根底主要内容主要内容半导体资料根本特性半导体资料根本特性pnpn结结 双极晶体管双极晶体管金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场半导体场效应管效应管 半导体资料的根本特性半导体资料的根本特性电导率：电导率： 超导体超导体: 大于大于106( cm)-1(conductivity ) 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1？什么是半导体？什么是半导体(semiconductor)原子结合方式：共价键原子结合方式：共价键构成的晶体构造：构成

2、的晶体构造： 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体的主要特点半导体的主要特点 在纯真半导体资料中，电导率随温度的上升在纯真半导体资料中，电导率随温度的上升而指数地添加。而指数地添加。 半导体中杂质半导体中杂质impurity的种类和数量决的种类和数量决议着半导体的电导率，而且在掺杂议着半导体的电导率，而且在掺杂dope的情况下，温度对电导率的影响较弱。的情况下，温度对电导率的影响较弱。 在半导体中可以实现非均匀掺杂。在半导体中可以实现非均匀掺杂。 光的辐照、高能电子等的注入光的辐照、高能电子等的注入injection可以影响半导体的电导率。可以影响半导体的电导率。常见的半

3、导体资料常见的半导体资料电子：电子：Electron，带负电的导电载流子，是价，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚电子脱离原子束缚 后构成的自在电子，后构成的自在电子，对应于导带中占据的电子对应于导带中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚脱离原子束缚 后构成的电子空位，对应后构成的电子空位，对应于价带中的电子空位于价带中的电子空位半导体的掺杂半导体的掺杂半导体就是靠电子和空穴的挪动导电的，在半导体就是靠电子和空穴的挪动导电的，在半导体中，电子和空穴统称载流子半导体中，电子和空穴统称载流子carriercarrier。自在电

4、子自在电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在电子自在电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流半导体的导电性取决于外加能量：半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制N N型半导体，在半导体中掺入五价杂质元素，型半导体，在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等。主要依托电子导电。例如磷，砷等。主要依托电子导电。多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自在电子自在电子少数载流子少数载流

5、子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自在电子自在电子电子空穴对电子空穴对P P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。主要依托空穴导电。，如硼、镓等。主要依托空穴导电。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自在电子自在电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如离子。如Si中掺的中掺的P和和As。

6、依托施主提供。依托施主提供的电子导电的半导体称为的电子导电的半导体称为n型半导体。型半导体。受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如的离子。如Si中掺的中掺的B。依托受主提供的。依托受主提供的空穴导电的半导体称为空穴导电的半导体称为p型半导体。型半导体。 在半导体中掺入杂质可以控制半导体的导电性。在半导体中掺入杂质可以控制半导体的导电性。 实践上，半导体中通常含有施主和受主杂质，当实践上，半导体中通常含有施主和受主杂质，当施主数量大于受主时，半导体是施主数量大于受主时，半导体是

7、 n n 型的；反之，当型的；反之，当受主数量大于施主时，那么是受主数量大于施主时，那么是 p p 型的。型的。半导体的电导率和电阻率半导体的电导率和电阻率均匀导电资料的导电才干通常采用电阻或电导均匀导电资料的导电才干通常采用电阻或电导来描画，满足欧姆定律。来描画，满足欧姆定律。半导体的导电性质可以经过掺杂杂质来实现，半导体的导电性质可以经过掺杂杂质来实现，经过半导体的电流是不均匀的，因此采用微分方式的经过半导体的电流是不均匀的，因此采用微分方式的欧姆定律，并且利用电导率欧姆定律，并且利用电导率conductivity 和电和电阻率阻率resistivity 描画半导体的导电性质。描画半导体的

8、导电性质。EEj半导体的电导率电阻率与载流子浓度半导体的电导率电阻率与载流子浓度(concentration )掺杂浓度和迁移率掺杂浓度和迁移率(mobility )有有关。关。半导体的迁移率半导体的迁移率mobilitymobility 迁移率是指载流子电子和空穴在单位电场作迁移率是指载流子电子和空穴在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。它是反映半导体导电才干的重动得慢，迁移率小。它是反映半导体导电才干的重要参数。要参数。它对

9、半导体器件的导电才干和任务速度有直接的它对半导体器件的导电才干和任务速度有直接的影响。影响。同一种半导体资料中，载流子类型不同，迁移率同一种半导体资料中，载流子类型不同，迁移率不同，普通是电子的迁移率高于空穴。不同，普通是电子的迁移率高于空穴。 迁移率满足方程：迁移率满足方程：Ev载流子在电场中并不是不受阻力的，不断加速的。载流子在电场中并不是不受阻力的，不断加速的。现实上，要与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，这种现实上，要与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，这种碰撞景象称为散射碰撞景象称为散射scatteringscattering。散射主要包括两种：散射主要包括两种：晶格散射和电离杂质散射。晶格散射

10、和电离杂质散射。单位电场作用下载流子获得平均速度。单位电场作用下载流子获得平均速度。反映了载流子在电场作用下输运才干。反映了载流子在电场作用下输运才干。晶格散射晶格散射晶格散射是由晶格振动，也就是晶格散射是由晶格振动，也就是热运动引起的载流子散射。因此，温热运动引起的载流子散射。因此，温度越高，晶格振动越猛烈，更加妨碍度越高，晶格振动越猛烈，更加妨碍了载流子的运动，迁移率下降。了载流子的运动，迁移率下降。EcEv晶格原子热振动导致势场的周期性遭晶格原子热振动导致势场的周期性遭到破坏，相当于添加了一个附加势到破坏，相当于添加了一个附加势理想晶格原子陈列理想晶格原子陈列以一定方式振动的晶格原子以一

11、定方式振动的晶格原子l电离杂质散射电离杂质散射是由电离杂质构成的正负电中心电离杂质散射是由电离杂质构成的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用引起的。杂质越多，载对载流子的吸引或排斥作用引起的。杂质越多，载流子和带点中心越多，它们相遇的时机也就越多，流子和带点中心越多，它们相遇的时机也就越多，就更加妨碍载流子的运动。因此，掺杂浓度越高，就更加妨碍载流子的运动。因此，掺杂浓度越高，迁移率越低。迁移率越低。电离杂质散射电离杂质散射影响迁移率的要素：影响迁移率的要素：温度温度掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制： 晶格散射晶格散射 热热 运运 动动 引引 起起 电离杂质散射

12、电离杂质散射 半导体中的载流子半导体中的载流子量子态和能级量子态和能级 用波函数描画电子的形状，也称为态函数，用波函数描画电子的形状，也称为态函数，这个形状就称为量子态这个形状就称为量子态 quantum state。一个量子态上只需一个电子。一个量子态上只需一个电子。 并且在一定条件下，电子从一个量子态转并且在一定条件下，电子从一个量子态转移到另一个量子态，称为量子跃迁移到另一个量子态，称为量子跃迁transition。价带：价带：0K0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带

13、禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带构造半导体的能带构造施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级杂质能级杂质可以使电子在其周围运动构成量杂质可以使电子在其周围运动构成量子态，通常杂质能级出如今禁带之中子态，通常杂质能级出如今禁带之中。杂质能级杂质能级F施主和受主的电离能都很小，因此，根本上全施主和受主的电离能都很小，因此，根本上全部电离，构成自在导电的电子和空穴。部电离，构成自在导电的电子和空穴。F族受主能级和族受主能级和族施主能级分别间隔价带和族施主能级分别间隔价带和导带很近，电离能小，称为浅能级

14、。假设杂质能导带很近，电离能小，称为浅能级。假设杂质能级距导带和价带较远，称为深能级。级距导带和价带较远，称为深能级。F假好像时存在施主和受主时，将相互补偿，当假好像时存在施主和受主时，将相互补偿，当施主数目大于受主数目时，发生施主数目大于受主数目时，发生n型补偿；反之，型补偿；反之，发生发生p型补偿。型补偿。多子：多数载流子多子：多数载流子(majority carrier)n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子(minority carrier)n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子多子和少子的热平衡多子和少子的热

15、平衡在半导体中，由于热运动，总是存在两种在半导体中，由于热运动，总是存在两种运动过程：运动过程：电子电子空穴对的产生空穴对的产生电子电子空穴对的复合空穴对的复合recombination这两个过程是对立的，并且也是同时存在这两个过程是对立的，并且也是同时存在的。当无外界影响时，半导体中将在产生的。当无外界影响时，半导体中将在产生和复合这两个过程的根底上构成热平衡。和复合这两个过程的根底上构成热平衡。从宏观上看，电子和空穴浓度不变。从宏观上看，电子和空穴浓度不变。热平衡时，本征载流子浓度：热平衡时，本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2本征本征intrinsic情况情况本征半导体：没有掺杂

16、的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0电子的平衡统计电子的平衡统计电子满足费米电子满足费米狄拉克统计，在据对温度为狄拉克统计，在据对温度为T的的物体内，电子到达热平衡时，能量为物体内，电子到达热平衡时，能量为E的能级被电的能级被电子占据的几率为：子占据的几率为： kTEEFeEf/11FE为费米能级。它反映了电子的填充程度。为费米能级。它反映了电子的填充程度。非本征半导体的载流子非本征半导体的

17、载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于nn型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na过剩载流子过剩载流子 由于受外界要素如光、电的作用，半导由于受外界要素如光、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称为过剩载流子。些偏离平衡分布的载流子称为过剩载流子。当外界要素撤除后，过剩载流子逐渐消逝，当外界要素撤除后，过剩载流子逐渐消逝，称为过剩

18、载流子的复合。称为过剩载流子的复合。在外电场的作用下，半导体中的载流子会构在外电场的作用下，半导体中的载流子会构成两种运动形状：成两种运动形状：漂移漂移(drift)运动运动 分散分散(diffusion)运动运动Pn结结pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结是大多数半导体器件都会涉及到的构造。因此半导体器件的特性与任务过程同构造。因此半导体器件的特性与任务过程同pn结的特性和原理亲密相关。因此结的特性和原理亲密相关。因此pn结对于结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结根结根本构造和原理的学习过程中，我们会遇到一本构造和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常

19、根本和重要的概念，是以后的学习过些非常根本和重要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因此一定要了解这些概程中会不断提到的，因此一定要了解这些概念的物理涵义和根本性质。念的物理涵义和根本性质。pn结结 (junction)pnpn结的根本构造结的根本构造假设在同一半导体内部，一边是假设在同一半导体内部，一边是P P 型，一型，一边是边是N N 型，那么会在型，那么会在P P 型区和型区和N N 型区的交界面型区的交界面附近构成附近构成pn pn 结，它的行为并不简单等价于一结，它的行为并不简单等价于一块块P P型半导体和型半导体和N N 型半导体的串联。这种构造型半导体的串联。这种构造具有特

20、殊的性质：单导游电性。具有特殊的性质：单导游电性。PN PN 结是许多结是许多重要半导体器件的中心。重要半导体器件的中心。内电场E因多子浓度差因多子浓度差构成内电场构成内电场多子的分散多子的分散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子分散，促使少子漂移。阻止多子分散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子分散电流多子分散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层(depletion layer)PN结及其单导游电性结及其单导游电性 1 . PN结的构成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子分散多子分散 又失去多子

21、，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子分散电流多子分散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 分散电流分散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流02. PN结的单导游电性结的单导游电性(1) 加正向电压正偏加正向电压正偏(forward bias) 电源正极接电源正极接P区，区，负极接负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场减弱内电场外电场减弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄 分散运动漂移运动分散运动漂移运动多子分散构成正向电流多子分散构成正向电流I F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向

22、电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压(反偏反偏) (backward bias) 电源电源正极接正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向一样。外电场的方向与内电场方向一样。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动分散运动漂移运动分散运动少子漂移构成反向电流少子漂移构成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR根本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向分散电流，呈现低电阻

23、，向分散电流，呈现低电阻， PN PN结导通；结导通； PN PN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，向漂移电流，呈现高电阻， PN PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单导结具有单导游电性。游电性。3. PN结的伏安特性曲线及表达式结的伏安特性曲线及表达式 根据实际推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF多子分散多子分散IR少子漂移少子漂移反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿(breakdown)热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆4. PN结的电容效应结的电容效

24、应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改动，即地随之改动，即PN结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容CB空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN(2) 分散电容分散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同时，PN结两结两侧堆积的少子的侧堆积的少子的数量及浓度梯度数量及浓度梯度也不同，这就相也不同，这就相当电容的充放电当电容的充放电过程。过程。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL电容效应在交流信

25、号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容结电容极间电容结电容PN结的运用结的运用 根据根据PN结的资料、掺杂分布、几何结的资料、掺杂分布、几何构造和偏置条件的不同，利用其根本特构造和偏置条件的不同，利用其根本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用利用PN结单导游电性可以制造整流二极结单导游电性可以制造整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制造稳压二极管和雪崩二极管；穿特性制造稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂利用高掺杂PN结隧道效应制造隧道二极结隧道效应制造隧道二极管；利用结电容随外

26、电压变化效应制造管；利用结电容随外电压变化效应制造变容二极管。使半导体的光电效应与变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制造多种光电器件。如结相结合还可以制造多种光电器件。如利用正向偏置异质结的载流子注入与复利用正向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对发光二极管；利用光辐射对PN结反向电结反向电流的调制造用可以制成光电探测器；利流的调制造用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个利用两个PN结之间的相互作用可以产生结之间的相互作用可以产生放

27、大，振荡等多种电子功能放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的中心，成双极型晶体管和场效应晶体管的中心，是现代电子技术的根底。在二级管中广是现代电子技术的根底。在二级管中广泛运用。泛运用。双极晶体管双极晶体管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于任务时，半导体三极管，也叫晶体三极管。由于任务时，多数载流子和少数载流子都参与运转，因此，还被多数载流子和少数载流子都参与运转，因此，还被称为双极型晶体管称为双极型晶体管Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT。BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。双极型晶体管的几种常见外形双极型晶

28、体管的几种常见外形a a小功率管小功率管 b b小功率管小功率管 c c中功率管中功率管 d d大功率管大功率管 发射区发射区搜集区搜集区基区基区发发射射结结搜搜集集结结发射极发射极(emitter)搜集极搜集极(collector)基极基极(base)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型共基极共基极共发射极共发射极共搜集极共搜集极NNP晶体管的共搜集极接法晶体管的共搜集极接法cbe晶体管中两个结的相互作用是经过晶体管中两个结的相互作用是经过载流子输运表达出来的，由于基区宽度载流子输运表达出来的，由于基区宽度远小于基区中少

29、子的分散长度，因此发远小于基区中少子的分散长度，因此发射结注入基区的非平衡少子可以靠分散射结注入基区的非平衡少子可以靠分散经过基区，并被搜集结电场拉向搜集区，经过基区，并被搜集结电场拉向搜集区，流出搜集极，使得反向偏置搜集结流过流出搜集极，使得反向偏置搜集结流过反向大电流。非平衡少子的分散运动是反向大电流。非平衡少子的分散运动是晶体三级管的任务根底。晶体三级管的任务根底。任务的根本条件：任务的根本条件：EB结正偏结正偏(forward bias)；CB结反偏结反偏(backward bias) 。VCCVBB VEEBJT的放大作用可表现为：用较小的基的放大作用可表现为：用较小的基极电流控制较

30、大的搜集极电流，或将较极电流控制较大的搜集极电流，或将较小的电压按比例放大为较大的电压。小的电压按比例放大为较大的电压。EB结加正结加正偏偏,分散运分散运动构成动构成IE。分散到基区的分散到基区的自在电子与穴自在电子与穴复合构成复合构成IB。CB结加反结加反偏偏,漂移运漂移运动构成动构成IC。输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，搜集结反偏。放大区：发射结正偏，搜集结反偏。(2) 饱和区：发射结正偏，搜集结正偏。饱和区：发射结正偏，搜集结正偏。(3) 截止区：截止区： 发射结反偏，发射结反偏， 搜集结反偏。搜集结反偏。晶体管的电流增益放大系数晶体管的电流增益放大系数ecII00001cecIIIecii1bcII0bciiMOS场效应晶体管场效应晶体管l 英文缩写：英文缩写：FET (field-effec-transistor)l 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型：体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型：l 第一类：结型场效应管第一类：结型场效应管Junction F