半导体物理和器件物理基础

1、中大规模集成 电路及应用 王克栋,第二章 半导体物理和器件物理基础,固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1,？什么是半导体,从导电特性和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制,1. 半导体的结构,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,半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS,2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒

2、子,本征半导体：n=p=ni,电子：Electron，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：Hole，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,3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙),量子态和能级 固体的能带结构,原子能级 能带,共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态,原 子 能 级,反 成 键 态,成 键 态,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 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,半导体的能带

3、结构,导 带,价 带,Eg,4.半导体的掺杂,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关,5. 本征载流子,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,载流子浓度,电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p,6. 非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,N型半导

4、体：n大于p P型半导体：p大于n,多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子,7. 电中性条件: 正负电荷之和为0,p + Nd n Na = 0,施主和受主可以相互补偿,p = n + Na Nd n = p + Nd Na,n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na,8. 过剩载流子,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,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产

5、生或复合,9. 载流子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,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能力,载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动,引 入 迁 移 率 的 概 念,影 响 迁 移 率 的 因 素,影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射,体现在：温度和 掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射,扩散电流,电子扩散电流：,空穴扩散电流：,爱因斯坦关系:,载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动,过剩载流子的扩散和复合,过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合,过剩载流子的扩散过程,扩

6、散长度Ln和Lp: L=(D)1/2,据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格,半导体器件物理基础,PN结的结构,1. PN结的形成,2. 平衡的PN结：没有外加偏压,能带结构,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,3.正向偏置的PN结情形,正向偏置时，扩散大于漂移,N区,P区,空穴：,正向电流,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,N,P,正向的PN结电流输运过程,电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程,4. PN结的反向特性,N

7、区,P区,空穴：,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,反向电流,反向偏置时，漂移大于扩散,N,P,5. PN结的特性,单向导电性： 正向偏置 反向偏置,正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流,正向导通电压Vbi0.7V(Si),反向击穿电压Vrb,6. PN结的击穿,雪崩击穿,齐纳/隧穿击穿,7. PN结电容,8. 二极管的特性参数,正向电压 VF,正向电流 IF,击穿电压 VBR,反向（漏）电流 IR,结电容 CD,反向恢复时间 trr,8. 二极管的特性参数,正向电压 VF,正向电流 IF,击穿电压 VBR,A,B,C,1.0,0.72,0.8,5,1,3,30

8、,40,80,现要设计一个全桥整流电路，整流桥输入电压24VAC，负载最大功率40W，应选择上面的那种型号的二极管？并说明理由。, 2.4 双极晶体管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射区,收集区,基区,发射结,收集结,发射极,收集极,基极,双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,NPN,c,b,e,c,b,e,PNP,双极晶体管的结构和版图示意图,2.3 NPN晶体管的电流输运机制,正常工作时的载流子输运,相应的载流子分布,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,2.3 NPN晶体管的几种组态,共基极

9、共发射极 共收集极,3. 晶体管的直流特性,3.1 共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,3. 晶体管的直流特性,3.2 共基极的直流特性曲线,4. 晶体管的特性参数,4.1 晶体管的电流增益（放大系数）,共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、 ,4. 晶体管的特性参数,4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.3 晶体

10、管的击穿电压,BVcbo Bvceo BVebo,BVeeo晶体管的重要直流参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.4 晶体管的频率特性,截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率f ：,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,5. BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应

11、用,模拟电路,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,当代BJT结构,特点： 深槽隔离 多晶硅发射极, 2.5 MOS场效应晶体管,MOSFET 器件 MOS电容,未加偏压时的MOS结构,MOS 电容的结构,MOS电容中三个分离系统的能带图,平带电压,平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,

12、施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,MOS场效应晶体管,场效应晶体管,结型场效应晶体管 （JFET）,金属半导体场效应晶体管 （MESFET）,MOS 场效应 晶体管（MOSFET）,转移特性曲线,提取阈值电压 研究亚阈特性,长沟MOSFET的输出特性,MOS 电容,电容的含义 MOS结构 理想的MOS电容特性 非理想的MOS电容特性,关于电容,平行板电容器,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,电容C定义为：,Q,V,C斜率,直流和交流时均成立,MOS电容,交流电容,交流电容C定义为：,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,+Q,-Q,V,Q,V,C（V斜率,对于理想的交流电容，C与频率无关 这里理想指电容中没有能量的耗散： 1、忽略金属引线的电阻（超导线 2、介质层不吸收能量,非理想的电容：,Cideal,Rp,RS,半导体中的电容通常是交流电容,例如：突变PN结电容,和平行板 电容器形 式一样,+,-,V,P+,N,xd,偏压改变V,重 点,半导体、N