集成电路工程导论 课件 02-半导体物理与器件基础

项目二1集成电路基础-半导体物理与器件项目2｜半导体物理与器件基础学习导航01任务2.1：半导体物理：定义分类、能带理论、载流子浓度与输运、复合产生02任务2.2：PN结：形成、单向导电性、伏安特性、电容效应03任务2.3：双极型晶体管（BJT）-NPN/PNP结构、三工作区04任务2.4：MOSFET：结构、4种类型、工作原理、与BJT对比05本项目的核心逻辑：从物理本质到器件原理，层层递进2项目2｜半导体物理与器件基础第一部分3-任务2.1半导体物理-定义分类/能带理论/载流子浓度/输运与复合项目2｜半导体物理与器件基础2.1.1半导体的定义一、什么是半导体按电阻率不同，材料可分为绝缘体、半导体和导体；半导体导电性介于两者之间，电阻率约为10-4～108Ω/cm。三类材料电阻率对比：绝缘体10⁸~10¹⁸、半导体10⁻⁴~10⁸、导体10⁻⁸~10⁻⁴Ω/cm典型例子：绝缘体—玻璃、橡胶、塑料；半导体—硅、锗、砷化镓；导体—金、银、铜、铝二、半导体的独特性质导电性可大范围调节：通过掺杂改变导电类型与电阻率对温度敏感：温度升高时导电性显著增强；对光照敏感，可产生光电效应电场效应：用电场控制导电通道开闭，是MOSFET的工作基础三、半导体在IC中的核心地位硅是最重要的半导体材料，全球95%以上集成电路采用硅衬底制造半导体特性使晶体管、二极管等器件得以实现，进而构成复杂的集成电路4固体材料电阻率/（Ω/cm）例子绝缘体108to1018玻璃、橡胶、油、塑料、金刚石半导体10-4~108硅、锗、硒、砷化镓导体10-8~10-4金、银、铜、铁、铝项目2｜半导体物理与器件基础2.1.1半导体的四代演变一、第一代半导体材料（硅、锗）硅是最常用的半导体材料，导电性好、集成度高、成本低；但本征载流子浓度低，高功率、高频性能受限。引发以集成电路为核心的微电子飞速发展，奠定微电子产业基础。二、第二代半导体材料（砷化镓、磷化铟等）砷化镓（GaAs）高电子迁移率、高击穿电压，适用于高频、高功率、高亮度LED器件。随移动与光纤通信发展，广泛用于卫星通信、光通信、GPS导航等领域。三、第三代半导体材料（碳化硅、氮化镓等）高电子速度、低电阻、高热导率，适用于高温、高频、大功率器件及半导体激光器。兴起于21世纪初，解决前两代在极端工况下的局限；对新能源汽车、5G基站意义重大。四、第四代半导体材料（氧化镓、石墨烯等）含氧化镓、石墨烯、氮化铝等，禁带更宽、电子速度更高，可在宽波段、高功率、高温极端环境保持高效。但材料生长制备困难、工艺不成熟，仍处于研究阶段；代际演进体现对材料性能极限的持续追求。5项目2｜半导体物理与器件基础2.1.1半导体的分类（按材料类型）元素半导体Si（硅）：最重要的元素半导体，禁带宽度1.12eV，全球95%以上IC采用硅衬底。Ge（锗）：最早应用，载流子迁移率高，但热稳定性较差；碳（金刚石）耐高温高压但成本极高。III-V族化合物半导体由III族（Ga、In、Al）与V族（As、P、N）组成。GaAs禁带1.43eV，高电子迁移率，理想高频材料；GaN禁带3.4eV，耐高温高压，用于蓝光LED与功率电子；InP在光通信波段表现出色。II-VI族及其他化合物半导体由II族（Zn、Cd）与VI族（S、Se、Te）组成。CdS、CdSe用于光电器件，CdTe是太阳能电池重要材料，ZnO用于发光器件与透明电极。IV-IV族化合物：SiCSiC禁带约3.26eV，热导率优异，适用于高温、高功率场合。6项目2｜半导体物理与器件基础2.1.1半导体的分类（按结构与特性）（1/2）按结构分类单晶体半导体：原子排列具有完整周期性和长程有序性，无晶界。电学性能最优异，载流子迁移率高。通过CZ法、FZ法生长，用于高性能IC和精密传感器。多晶体半导体：由大量取向不同的微小单晶晶粒组成，晶粒间存在晶界。制备工艺简单、成本低。多晶硅广泛用于太阳能电池和薄膜晶体管。非晶半导体：无长程有序性，只有短程有序。光学吸收系数高，可制成极薄膜。用于非晶硅太阳能电池、薄膜晶体管显示器等。7项目2｜半导体物理与器件基础2.1.1半导体的分类（按结构与特性）（2/2）本征半导体纯净的半导体材料，不含有意掺入的杂质，纯度高达99.9999999%以上。相邻原子通过共价键结合，常温下仅有极少数价电子因热激发挣脱共价键，产生自由电子-空穴对。自由电子与空穴成对出现，数目相等。室温下硅的本征载流子浓度约为1.5×1010/cm³。N型半导体向IV族半导体（如Si）中掺入V族元素（如P、As、Sb）。V族有5个价电子，多出的电子成为自由电子，V族原子称为施主。P型半导体向IV族半导体（如Si）中掺入Ⅲ族元素（如B）。Ⅲ族有3个价电子，会产生一个空穴，Ⅲ族原子称为受主。8项目2｜半导体物理与器件基础2.1.2能级与能带能级电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。最外层电子离原子核最远，吸引力最小，能量最大；内层电子离原子核最近，吸引力最大，能量最小。电子需要获得足够能量才能从低能级跃迁到高能级。电子共有化运动当原子相互接近形成晶体时，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，而可以在整个晶体中自由移动，这种运动状态称为电子的共有化运动。随着原子间距减小，电子云交叠程度增加，共有化运动更加显著。9项目2｜半导体物理与器件基础2.1.2能级与能带能带考虑由N个原子组成的晶体（每立方米约有1022~1023个原子）。当N个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用。其结果是每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级而称为禁带。允带与禁带允带是电子可以占据的能级范围；禁带是电子不能占据的能量范围，即两个允带之间的间隙。禁带宽度Eg是半导体最重要的参数之一，直接决定材料的导电特性和工作温度范围。能带理论是半导体物理的基石，理解能带概念是理解一切半导体器件工作原理的前提。10项目2｜半导体物理与器件基础2.1.2导体、半导体与绝缘体的能带区别导体的能带结构在金属中，由价电子占据的能带是部分占满的。导体的价带和导带之间没有能隙，价带直接和导带重叠。因此在外电场作用下，电子可以轻易获得能量跃迁到空的能级，形成电流。这就是金属是良导体的原因。绝缘体的能带结构绝缘体的下面是已被价电子占满的满带，中间为禁带，上面是空带（导带）。禁带宽度很大（如金刚石6-7eV），在通常温度下，能激发到导带的电子极少，所以导电性很差。电子需要非常大的能量才能从价带跃迁到导带。半导体的能带结构半导体能带结构与绝缘体类似，但禁带宽度较小（约1eV量级）。在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。室温下硅禁带宽度1.12eV，锗0.67eV，砷化镓1.43eV。11项目2｜半导体物理与器件基础2.1.2能带示意图半导体能带示意图的关键要素导带底（EC）：导带电子的最低能量位置价带顶（EV）：价带电子的最高能量位置禁带宽度（Eg）：Eg=EC-EV，是电子从价带跃迁到导带所需的最小能量费米能级（EF）：T=0K时电子占据概率为1/2的能量位置本征半导体：EF位于禁带中央附近N型半导体：EF靠近导带底P型半导体：EF靠近价带顶本征激发时，电子从价带跃迁到导带，留下空穴，形成电子-空穴对12项目2｜半导体物理与器件基础2.1.3本征半导体的载流子浓度本征载流子浓度（ni）的定义本征半导体的载流子浓度完全由本征激发决定，即电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。通常用n表示电子浓度，用p表示空穴浓度。在本征半导体中，n=p=ni。ni的数学表达式ni=sqrt(Nc·Nv)·exp(-Eg/2kT)。其中Nc和Nv分别为导带和价带的有效态密度（与T3/2成正比），Eg为禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。由此可见，ni随温度升高呈指数增长。室温下的典型值硅（Eg约1.12eV）在室温（300K）下，ni约为1.5×1010/cm3；锗（Eg约0.67eV）在室温下，ni约为2.5×1013/cm3。禁带宽度越小的材料，相同温度下本征载流子浓度越高。温度对ni的影响温度每升高一定值，ni就会显著增加。当温度升高至100℃时，ni可达室温的数十倍，这是半导体器件存在工作温度上限的根本原因。13项目2｜半导体物理与器件基础2.1.3杂质半导体的载流子浓度与三温区低温区：杂质电离主导（约<100K）施主/受主未完全电离阶段。N型半导体：电子浓度n与exp(-ΔED/(kT))成正比，其中ΔED为施主电离能（硅中约0.04-0.05eV）；P型半导体：空穴浓度p与exp(-ΔEA/(2kT))成正比，ΔEA为受主电离能（硅中约0.02-0.03eV）。载流子浓度随温度升高呈指数增长，导电性逐渐改善。中温区：杂质完全电离（约100K-500K）电离饱和区，室温附近。杂质完全电离，多子浓度由掺杂浓度决定：N型中n约等于ND（施主浓度），P型中p约等于NA（受主浓度）。少子浓度由本征激发产生：N型中空穴浓度p=ni2/n约等于ni2/ND；P型中电子浓度n=ni2/p约等于ni2/NA。高温区：本征激发主导（约>500K）当温度足够高时，ni超过掺杂浓度（ni远大于ND或NA），半导体进入本征状态。n=p=ni，多子与少子浓度趋同，掺杂作用失效。导电性完全由温度主导，器件性能失控（如PN结失效、BJT失去放大能力）。工程意义14器件设计时必须保证工作温度在中温区（电离饱和区），使载流子浓度由掺杂浓度决定，保持性能稳定。高温会导致器件失效，这就是功率器件需要良好散热的原因之一。项目2｜半导体物理与器件基础2.1.4载流子的三种输运方式（1/2）热运动半导体内的自由电子和空穴始终在进行无规则的热运动。热平衡时热运动是随机的，每个载流子的运动方向、速度各不相同。大量载流子热运动的统计平均结果为净电流为0，即没有宏观的定向运动。热运动的强度随温度升高而增强。扩散运动当半导体内载流子浓度存在差异时，载流子将发生宏观的定向运动——从浓度高的区域自发地向浓度低的区域扩散。由载流子定向的扩散运动形成的电流称为扩散电流。扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比，扩散系数反映了载流子扩散能力的强弱。扩散运动是PN结中电流形成的重要机制。15项目2｜半导体物理与器件基础2.1.4载流子的三种输运方式（2/2）漂移运动在外加电场作用下，载流子经历加速、碰撞减速过程的统计平均结果，形成定向运动。电子的运动方向与电场方向相反，空穴的运动方向与电场方向相同。载流子的漂移运动将形成漂移电流。在弱电场下，漂移速度与电场成正比。迁移率（Mobility）迁移率定义为：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度。单位：cm2/(V·s)。迁移率反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。硅中电子的迁移率约为1350cm2/(V·s)，空穴迁移率约为480cm2/(V·s)。高迁移率意味着更快的器件开关速度。三种输运方式中，扩散和漂移是形成电流的主要机制。PN结正向工作时以扩散电流为主，反向偏置时以漂移电流（少子）为主。16项目2｜半导体物理与器件基础2.1.5载流子的复合与产生产生与复合的基本概念产生（Generation）：价带电子获得能量跃迁到导带，形成电子-空穴对的过程。复合（Recombination）：导带电子落入价带中的空穴，使电子-空穴对消失的过程。在半导体中，产生与复合总是同时存在、永不休止地进行。动态平衡与热平衡以N型半导体为例：最初只有施主提供的电子，没有空穴。空穴通过产生过程逐渐出现。随着空穴增多，电子与空穴相遇的机会增加，复合也随之增加。最终达到动态平衡：每秒复合掉的电子-空穴对等于每秒产生的电子-空穴对。此时电子和空穴浓度不再变化，即达到热平衡。在热平衡时，产生和复合仍在持续不断地发生。17项目2｜半导体物理与器件基础第二部分18-任务2.2PN结-形成/单向导电性/伏安特性/电容效应项目2｜半导体物理与器件基础2.2.1PN结的形成（1/2）PN结的构造PN结是由P型半导体和N型半导体通过掺杂工艺形成的界面结构，是半导体器件的核心基础。当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面发生一系列物理过程。扩散运动与空间电荷区P区空穴浓度远大于N区，N区电子浓度远大于P区，因此P区空穴向N区扩散，N区自由电子向P区扩散。扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与自由电子复合。交界面附近多子浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区——形成空间电荷区。空间电荷区的内电场方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。19项目2｜半导体物理与器件基础2.2.1PN结的形成（2/2）耗尽层近似绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴都非常少。在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为耗尽层近似，故也称空间电荷区为耗尽层。动态平衡随着空间电荷区形成，内电场增强，少子在内电场作用下产生漂移运动：空穴从N区向P区运动，自由电子从P区向N区运动。当参与扩散运动的多子数目等于漂移运动的少子数目时，达到动态平衡，形成稳定的PN结。PN结包括3部分：空间电荷区和其两侧的P区、N区。PN结是最基本的半导体器件结构，理解PN结是理解二极管、BJT、MOSFET等所有半导体器件的基础。20项目2｜半导体物理与器件基础2.2.2PN结的单向导电性（1/2）热平衡状态（无外加电压）PN结两端没有外加电压时，处于热平衡状态。扩散电流等于漂移电流，净电流为0。空间电荷区宽度保持稳定。PN结的势垒高度由内建电势决定。正向偏置：导通电源正极接P端、负极接N端，称为正向偏置。外电场与内电场相反，将多子推向空间电荷区使其变窄，削弱内电场。平衡被破坏，扩散运动加剧、漂移运动减弱，扩散源源不断进行，形成正向电流，PN结导通。正向电压约0.7V（硅管）时，正向电流显著增大。反向偏置：截止电源正极接N端、负极接P端，称为反向偏置。外电场与内电场相同，空间电荷区变宽、内电场加强，阻止扩散、加剧漂移。反向电流（漂移电流）由少子贡献，因少子极少而非常小（约nA量级），可忽略不计，PN结处于截止状态。21项目2｜半导体物理与器件基础2.2.2PN结的单向导电性（2/2）整流作用与二极管PN结电流只能沿一个方向（正向）流动的性质称为整流。PN结具有整流和开关作用，加上管壳和引线即可制成二极管。二极管类型包括：点接触型（结面积小、结电容小、高频性能好，适用于高频小功率和开关电路）和面接触型（结面积大、可通过大电流、工作频率低，适用于整流）。22项目2｜半导体物理与器件基础2.2.3PN结的伏安特性（1/2）PN结的电流方程PN结所加端电压V与流过它的电流i的关系为：i=IS*[exp(qV/(kT))-1]。其中IS为反向饱和电流（与器件面积、掺杂浓度、温度有关），q为电子电量（1.6x10-19C），k为玻尔兹曼常数（1.38x10-23J/K），T为热力学温度。令VT=kT/q，称为热电压。常温T=300K时，VT约等于26mV。正向特性当PN结外加正向电压且V远大于VT时，i约等于IS*exp(qV/(kT))。正向电流随正向电压呈指数快速增长。在正向电压较小时（硅管小于0.5V），电流很小；超过阈值电压（硅管约0.7V）后，电流急剧增大。反向特性当PN结外加反向电压且|V|远大于VT时，i约等于-IS。反向电流非常小且基本不随反向电压变化，故称为反向饱和电流。当反向电压增大到一定值时（击穿电压），PN结发生击穿，反向电流急剧增大。击穿分为齐纳击穿（高掺杂）和雪崩击穿（低掺杂）。23项目2｜半导体物理与器件基础2.2.3PN结的伏安特性（2/2）温度特性温度对PN结特性有显著影响：温度升高时，IS增大，导致相同正向电压下的正向电流增大。正向导通电压具有负温度系数（约-2mV/K），即温度升高时正向导通电压降低。反向电流随温度升高呈指数增大，这对器件的高温应用构成限制。PN结的伏安特性是二极管、BJT等器件特性分析的基础。I=Is*[exp(V/VT)-1]这一方程是整个半导体器件物理中最基本、最重要的公式之一。24项目2｜半导体物理与器件基础2.2.4PN结的电容效应（1/2）PN结电容概述在一定条件下，PN结具有电容效应，其电容量随外加电压而改变。根据产生原因的不同，分为势垒电容（CB）和扩散电容（CD）两种。两者均为非线性电容（电容量随电压变化）。势垒电容（CB）由空间电荷区的离子薄层形成。当外加电压变化时，离子薄层厚度随之改变，相当于PN结中存储的电荷量变化。势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等、极性相反的离子电荷。在PN结反偏时，结电阻很大，CB的作用不能忽视，特别是在高频时对电路影响较大。利用CB随电压变化的特性可制作变容二极管（用于压控振荡器等）。25项目2｜半导体物理与器件基础2.2.4PN结的电容效应（2/2）扩散电容（CD）PN结正向导电时，多子扩散到对方区域后在边界积累，形成一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压变化而变化：正向电压增大时，正向电流增大，需要更多载流子积累；正向电压减小时，积累减少。这种随电压变化的电荷存储效应表现为扩散电容。PN结正偏时CD较大（几十pF到几千pF），反偏时载流子数目很少，CD可忽略。PN结总电容PN结的总电容Cj=CB+CD。外加正向电压时，CD很大，Cj以扩散电容为主；外加反向电压时，CD趋于零，Cj以势垒电容为主（几pF到几十pF）。PN结电容限制了二极管的高频开关速度，在高频电路设计中必须考虑其影响。PN结电容效应在高频电路中非常重要——它限制了二极管的开关速度，但也被利用来制作变容二极管等特殊器件。26项目2｜半导体物理与器件基础第三部分27-任务2.3双极型晶体管（BJT）-NPN/PNP结构/放大原理/三工作区/特性曲线项目2｜半导体物理与器件基础2.3.1BJT的结构（1/2）BJT的基本定义双极型晶体管（BJT，BipolarJunctionTransistor）有三个电极：发射极E、集电极C、基极B。由电子和空穴两种载流子输运实现功能，故名双极型，由两个背靠背的PN结构成。BJT的类型：NPN与PNPNPN型：发射区和集电区为N型，基区为P型。最常用的是NPN型硅管。PNP型：发射区和集电区为P型，基区为N型。锗管多为PNP型。硅管（NPN）使用率远高于锗管。四层三结结构（NPN型）N+发射区层/P型基层/N型集电区外延层/P型衬底层三个结：发射结、集电结、隔离结（衬底结）28项目2｜半导体物理与器件基础2.3.1BJT的结构（2/2）图形符号图形符号中的箭头放在发射极上，箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向，即从P指向N。NPN管：箭头从基极指向发射极（朝外）；PNP管：箭头从发射极指向基极（朝内）。NPN型是目前最主流的BJT类型。BJT的核心在于基区的薄层结构——基区足够薄（通常微米级），使得从发射区注入的载流子绝大部分能够穿越基区到达集电结，而不是在基区被复合。29项目2｜半导体物理与器件基础2.3.2BJT的工作原理：三种工作状态偏置条件总览BJT内部有两个背靠背、互相影响的PN结。当这两个PN结的偏置条件（正偏或反偏）不同时，BJT将呈现不同的特性和功能，有三种工作状态：放大状态、饱和状态和截止状态。放大状态：小电流控制大电流偏置：发射结正偏（VBE>0.7V），集电结反偏（VC>VB）。工作原理：发射极注入大量电子到基区；基区极薄，大部分电子未被复合，扩散到集电结；集电结反偏，将电子拉到集电极，形成集电极电流IC。关键关系：IC=beta*IB（beta为电流放大系数，通常为几十到几百），IE=IB+IC约等于IC。基极电流IB极小（uA级），控制较大的集电极电流，实现电流放大。饱和状态：完全导通（开关闭合）偏置：发射结和集电结均正偏。特点：IC不再受IB控制，而是由外部电路决定（VCE约0.3V，类似短路）。基极电流足够大时，晶体管呈现低阻态，相当于开关闭合。在数字电路中，饱和状态对应逻辑1的输出状态。截止状态：关断（开关断开）偏置：发射结反偏或电压不足（VBE<0.5V）。特点：IB约等于0，IC约等于0。晶体管呈高阻态，相当于开关断开。在数字电路中，截止状态对应逻辑0的输出状态。BJT的三种工作状态构成了模拟电路和数字电路的基础。放大状态用于模拟信号放大，饱和和截止状态用于数字开关电路。30项目2｜半导体物理与器件基础2.3.2BJT的输出特性曲线输出特性曲线概述BJT的输出特性是指以基极电流IB为参变量，集电极电流IC与集-射电压VCE之间的关系曲线。整个特性曲线分为三个区域，对应BJT的三种工作状态：放大区、饱和区和截止区。放大区（ActiveRegion）位于输出特性曲线的平坦部分。特征：IC基本不随VCE变化（电流源特性），IC=beta*IB，曲线间距均匀（反映beta恒定）。偏置条件：发射结正偏，集电结反偏。用途：模拟信号放大。饱和区（SaturationRegion）位于特性曲线的左侧陡升部分（VCE较小区域）。特征：VCE很小（硅管约0.3V），IC不再随IB增大而增大，IC由外部电路（负载电阻和电源电压）决定。偏置条件：发射结和集电结均正偏。用途：数字电路中的开关导通状态。截止区（CutoffRegion）位于IB=0曲线以下的区域。特征：IB约等于0，IC约等于0（仅有极小的漏电流），VCE约等于电源电压。偏置条件：发射结反偏或电压不足。用途：数字电路中的开关关断状态。31项目2｜半导体物理与器件基础第四部分32-任务2.4金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）-结构/4种类型/工作原理/工作区/与BJT对比项目2｜半导体物理与器件基础2.4.1MOSFET的基本结构与特点（1/2）MOSFET的定义MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）是由源极、漏极和栅极构成的三种三端器件。通过栅极电压来控制源极-漏极之间多数载流子的电流。MOSFET仅靠多数载流子工作，是单极型器件、电压控制器件。以栅极电压为输入，以漏极电流为输出。与BJT的区别BJT是电流控制型器件（基极电流控制集电极电流），而MOSFET是电压控制型器件（栅极电压控制漏极电流）。MOSFET具有极高的输入阻抗（栅极与沟道之间有SiO2绝缘层，输入阻抗可达1012-1015Ohm），远高于BJT，这是MOSFET最重要的优势之一。MOSFET的四个电极源极S（Source）：载流子源；漏极D（Drain）：载流子收集体；栅极G（Gate）：控制端，通过电压控制沟道导电性；衬底B（Body/Substrate）：通常接地或接固定电位。33项目2｜半导体物理与器件基础2.4.1MOSFET的基本结构与特点（2/2）对NMOS晶体管，源和漏是用高浓度n+杂质构成的。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟道长度为L，宽度为W。栅极长度与工艺节点源极和漏极之间区域的长度称为栅极长度，也就是沟道长度。集成电路制造工艺中的CMOS技术节点就是指栅极长度。例如，90nm晶圆生产线是指能够加工的器件栅极长度为90nm。特征尺寸的不断缩小推动了MOSFET性能的持续提升。MOSFET是当今集成电路中最基本的元器件，一个现代CPU