半导体器件原理

1、半导体器件原理 第1页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体器件原理教材:半导体器件基础，Robert F. Pierret著，黄如等译，电子工业出版社参考书：半导体器件物理, 刘树林等编著,电子工业出版社微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理，电子工业出版社，曹培栋编著 第2页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体器件半导体物理基础pn结BJTMOSFETJFET/MESFET简介第3页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二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

2、电子学分支学科微电子学简介:半导体物理基础第4页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二微电子学研究领域半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能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、生物芯片半导体物理基础第5页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性第6页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二第7页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体材料的纯度和晶体

3、结构纯度极高，杂质1013cm-3结构第8页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元三维立方单胞 简立方、 体心立方、 面立方第9页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS原子结合形式：共价键形成的晶体结构： 构成一个正四面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构半导体的结合和晶体结构金刚石结构第10页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二密勒(Miller)指数第11页，共134

4、页，2022年，5月20日，17点32分，星期二第12页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二(111)晶面原子面密度比(100)晶面稍高:7.8 x 1014 atoms / cm2第13页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体中的缺陷点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错第14页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二+14半导体的能带与杂质能级电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiH第15页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体模型价键模型空穴电子第16页，共134页，2

5、022年，5月20日，17点32分，星期二半导体的能带 （价带、导带和带隙第17页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导 带价 带Eg第18页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位电子浓度空穴浓度其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级半导体中的载流

6、子第19页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体、绝缘体和导体第20页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二载流子的特性电荷有效质量An electron moves with a certain characteristic mass (from F=ma) in vacuumIn a solid, F=ma changes, so we can model this change via an “effective” mass第21页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二有效质量在一个电场中，电子和空穴的加速度为：第22页，

7、共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As 受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带正电的离子。如Si中的BN型半导体 P型半导体BAs半导体的掺杂第23页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二施主和受主的相互补偿施主能级 受主能级第24页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二态密度根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态密度为：第25页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二费米

8、分布函数在热平衡条件下，能量为E的有效状态被电子占据的几率为第26页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二平衡载流子分布简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示：第27页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二平衡载流子浓度导带中的电子浓度：价带中的空穴浓度：第28页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二平衡载流子浓度如果Ev+3kT=EF=Ec-3kT第29页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二n和p的其他变换公式本征半导体时， 第30页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二本征载流子浓度

9、本征费米能级本征载流子第31页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二杂质半导体的载流子浓度对掺杂半导体，第32页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二举例第33页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二第34页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二掺杂半导体电中性条件：第35页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二特殊情况第36页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二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？第37页，共134页，20

10、22年，5月20日，17点32分，星期二载流子浓度与温度的关系第38页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二非平衡载流子的产生与复合半导体中载流子的输运有三种形式：扩散漂移产生和复合第39页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为第40页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二热能和热速度电子或空穴的平均动能第41页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二漂移电流电流密度 第42页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二迁移率单位电场下的平均漂移速度为

11、迁移率第43页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二影响迁移率的因素与散射有关晶格散射电离杂质散射第44页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二第45页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二漂移电流与电导率电导率电阻率第46页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电阻率与掺杂的关系N型半导体P型半导体第47页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动第48页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二热探针测量原理可以用来分辩硅片的导电类型p-Sin-S

12、iA热探针冷探针电子扩散空穴扩散第49页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散电流第50页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体内总电流扩散+漂移第51页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二能带弯曲当材料中存在电场时，能带能量变成位置的函数第52页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二场强势能第53页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散系数和迁移率的关系考虑非均匀半导体第54页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0第55页，

13、共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二产生和复合产生电子和空穴（载流子）被创建的过程复合电子和空穴（载流子）消失的过程产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流第56页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二复合直接复合 间接复合 Auger复合第57页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二产生直接产生 R-G中心产生 载流子产生 与碰撞电离第58页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二过剩载流子和电中性平衡时 过剩载流子电中性：第59页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二由于受外界因素如光

14、、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第60页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二复合寿命假定光照产生 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 第61页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二复合第62页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二半导体器件半导体物理基础PN结BJTMOSFETJFET/MESFET简介第6

15、3页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二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第64页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结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: 线性缓变结:浅结、重掺杂（3um） 或外延的PN结第65页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结中的能带PN第66页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二内建电势第67页，共134页，2022年，5月20日，

16、17点32分，星期二内建电势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第68页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二能带内建电势电场第69页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二Poisson方程电荷和电势分布满足Poisson方程在中性区:第70页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽近似第71页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽层模型在耗尽区P型一侧,N型一侧, 第72页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二突变结耗尽区的电场与电势分布耗尽近似Possio

17、n方程：第73页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电场分布积分一次：(x)-xpxn第74页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电势分布由微分方程：边界条件：设在-xp处V=0 xn处V=Vbi再积分一次：第75页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电势分布N型侧，X=0处，有第76页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽层宽度电场随x线性变化，在x=0时达最大值：第77页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽层宽度第78页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期

18、二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上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA第79页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二反偏PN结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？第80页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二线性缓变结第81页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二线性缓变结-1令V(-W/2)=0, 进一步解出最大电场空间电荷区宽度第82页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二理想二极管方程PN结反偏时第83页，共134页，2022年，

19、5月20日，17点32分，星期二理想二极管方程PN结正偏时第84页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二准费米能级第85页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二定量方程基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于少于扩散长度。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。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电荷区的产生复合作用。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。第86页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二准中性区的载流子运动情况稳态时, 假设GL=0边界条

20、件:欧姆接触边界耗尽层边界第87页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)第88页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽层边界P型一侧PN第89页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二耗尽层边界(续)N型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关第90页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二准中性区载流子浓度第91页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二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)+

21、Jn(-xp)第92页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xp xn0 xX第93页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二空穴电流一般解第94页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二电子电流P型侧第95页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结电流第96页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二第97页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结电流与温度的关系第98页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二载流

22、子电流准中性区多子电流第99页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二与理想情况的偏差大注入效应空间电荷区的复合第100页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二空间电荷区的产生与复合正向有复合电流反向有产生电流第101页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时,正向偏置时, 计算比较复杂VA愈低，IR-G愈是起支配作用第102页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二VAVbi时的大电流现象串联电阻效应q/kTLog(I)VA第103页，共134页，2022年，5月20日，17点32分

23、，星期二VAVbi时的大电流现象-1大注入效应大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。pnnno第104页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二VAVbi时的大电流现象-2第105页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二VAVbi时的大电流现象-3VA越大, 电流上升变缓第106页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结的击穿特性电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿第107页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二雪崩倍增击穿一个载流子的产生雪崩击穿条件第108页，共134页

24、，2022年，5月20日，17点32分，星期二雪崩击穿电压与掺杂浓度的关系耗尽层中达到临界电场时,将发生击穿第109页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系P+NN+E(x)X第110页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散结结深对击穿电压的影响结的形状平面结柱面结球面结改善措施深结扩散磨角法形成台面结分压环表面状态对击穿电压的影响第111页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二雪崩击穿通用公式单边突变结：线性缓变结： 硅：扩散结的雪崩击穿电压判断条件：考虑边缘效应的通用公式：第112页，共13

25、4页，2022年，5月20日，17点32分，星期二齐纳过程产生了隧穿效应E隧道穿透几率P：隧道长度:隧道击穿: VB6Eg/q第113页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二两种击穿的区别掺杂浓度的影响外因如光照、离子轰击引起空间电荷区的电子、空穴增加，产生倍增效应温度的影响隧道效应具有负温度系数雪崩击穿具有正温度系数第114页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二PN结二极管的等效电路小信号加到PN结上+ -vaVA+ -PNRsGC第115页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二反向偏置结电容也称势垒电容或过渡区电容第116页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二反向偏置结电容-1第117页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量第118页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二参数提取和杂质分布CV测量系统VA1/C2Vbi第119页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散电容第120页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散电容-1表现为电容形式第121页，共134页，2022年，5月20日，17点32分，星期二扩散电容-2扩散电容