半导体材料课件ppt

122.1�半导体的发展史�半导体材料的主要性质�半导体材料的分类42.1材料导体半导体绝缘体电阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109•按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体表1.1导体、半导体和绝缘体的电阻率范围51833αAg2S1835190661950195250——19477����8举例说明：•如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右•以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下•如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ•91它是由单一元素构成的，如Ⅲ族的硼，Ⅳ族的碳（金刚石）、硅（Si）、锗（Ge），Ⅵ族的硫（S）、硒（Se）、碲（Te）、α-Sn（灰锡）等。2如Ⅱ-Ⅵ族的硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，Ⅲ-Ⅴ族的砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）等，Ⅳ-Ⅳ族的碳化硅（SiC）。345610GeSi11GeSi12GeSi13GeSi位错：一方面，吸引其周围点缺陷，增加少子寿命一方面，晶格畸变增大，使载流子复合，少子寿命减小刃位错：悬挂键，受主能级142（a）Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体151611.1eV2317181920GaAs21GaP22GaAs施主：Se,S,Te取代As受主：Zn,Be,Mg,Cd,Hg取代Ga两性杂质：Si,Ge,Sn,Pb中性杂质：B,Al,In空位是重要的点缺陷23（b）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体242526272829（c）其它化合物半导体30313233343536374以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序，但是仍具有单晶体的微观结构，因此具有许多特殊的性质。50B.T.1968S.R.1975W.E.PN38����P.W.N.F.1977�2.2.1�2.2.2�2.2.3�2.2.4PN�2.2.52.240能带的准自由电子物理模型金属中的准自由电子（价电子）模型2.2.1��Bragg2.241价电子的基本特征：1.价电子的局域性2.价电子的非局域性Bloch定理：rkrr��ikkeu)()(�uk(r):与晶格平移周期一致的周期函数����Bragg�2.2.142N个原子靠的很近时，原来某个能级上的电子就NN，这时电子不再属于某个原子而是在晶体中做共有化运动。允带之间因为没有能级称为禁带。如图（1）所示：143EgEg价带导带”44直接带隙间接带隙2.2.145�导带底电子沿外加电场漂移�价带顶电子沿外加电场的方向漂移Eejevehvhjh2.2.1462.2.131lnln22giEnATkT���lnni~1/T47nPED2.2.148类氢原子模型：204*8hqmErnD����2.2.149pEA2.2.150204*8hqmErpA����类氢原子模型：2.2.151)exp(2111)(TkEEEfBFDD���)exp(2111)(TkEEEfBAFA���)exp(21))(1(TkEENEfNpNpBAFDAAAAA���������)exp(21))(1(TkEENEfNnNnBFDADDDDD���������2.2.152n型半导体的平衡载流子浓度n0=nD++P0电中性条件：2.2.1电离的施主浓度价带中的空穴浓度电子浓度53p型半导体的平衡载流子浓度电中性条件：p0=nA++n02.2.154非平衡载流子非平衡载流子的产生：（1）光辐照：短波光照射半导体（2）电注入2.2.155非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合2.2.1载流子的各种复合机构：a–直接复合；b-体内间接复合；c–表面间接复合56p-n结的制备工艺合金法扩散法2.2.157p-n结平衡能带结构2.2.1p-np-nan-pbp-n（a）（b）58p-n结平衡电势2.2.159p-nIV2.2.1p-np-n60直接吸收间接吸收半导体的光吸收及光电导2.2.161半导体的光生伏特效应光2.2.162xIJxZHzyEy63xExJx,zBzyEyRHm3C-1EzHxxzHxyBEJBREE�q���)/(tanH64652.2.2SiGe2.2.2.16667+4+4+4+468+4+4+4+4692.2.2.2NP()70N+N71N+NSiPSiSiN72P+P73PPSiSiSiB74++++++++++++++++++++++++N－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P75半导体中电子数目很多。从大量电子整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有统计分布的规律性。根据量子统计理论，服从pollay不相容原理的电子服从费米统计规律。对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率f（E）服从费米分布：f(E）＝1/[1+EXP(E-EF)/kT]空穴被占的几率为1-f(E)。这是一个很重要的物理参数，只要知道了数值，在一定温度下电子在各量子态的统计分布就可以知道。引出玻尔兹曼分布函数。，推得在一定温度下，一定的半导体材料。76半导体的电子从价带激发到导带，同时价带产生了空穴。电子与空穴成对出现，导带中电子浓度等于价带中的空穴浓度，这就是本征激发情况下电中性的条件。温度升高时会产生大量本征激发态，影响器件功能。一般情况下只有杂质电离，器件工作稳定。引入器件极限温度。实际半导体器件中，。以掺磷的n型半导体为例：n-Si（1）低温弱电离区：温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电子占据，只有很少施主杂质发生电离，这少量电子进入导带，这时称为弱电离。（2）强电离区：当温度升高到大部分杂质都电离为强电离。（3）高温本征激发区：继续升高温度，使本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离产生的载流子。77掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质能度所决定。对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子从以杂质电离为主过渡到以本征激发为主，相应的，。78EJ��dvnqJ�E��dvvtnnq���npnqpq�����ppq���nnpppn2.2.3：电子在电场力作用下的运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。pn1/2~1/379MOSFETnp802.2.4.1PNPNPN2.2.4PN81－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动PN82漂移运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN83漂移运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN842.2.4.2PNPNPNPNPN85PN－－－－++++PN+_86PN－－－－++++NP+_++++－－－－A872.2.4.3(1)PNPNPN88(2)UI0.6~0.7V,0.2~0.3VU(BR)0.5V,0.2VUIE+-A893RdrDUQIQUS+-RQUQIQ903RdrDiuIQUQQIQUQRd=UQ/IQrD=ΔUQ/ΔIQQ911=0.5V0.7V()=0=0RLuiuOuiuott92IZmax+-UIUZIZIZmin,IZIzmaxIzmin,93RLuiuORDZiiziLUZUZW=10VIzmax=12mAIzmin=2mARL=2kui=12VR=2001.5k~4k94RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5mAi=ui-UZ/R=12-10/0.2=10mAiZ=i-iL=10-5=5mARL’=1.5k,iL’=10/1.5=6.7mA,iZ’=10-6.7=3.3mARL’’=4k,iL’’=10/4=2.5mA,iZ’’=10-2.5=7.5mA,iZ12mA2mA,95BECNNPNPNPNPBCEPNP96BECNPNBECPNPNPNCBEPNPCBE97BECNNP98BECNNP+++++++++++++__________________________+++++++++++++992.2.4.4BECNNPEBRBEcIEIEPIBIB100BECNNPEBRBEcIEICICICIB101=IC/IBIC=IBIBIB+IBICIC+IC=IC/IB==20~100IC=IB102ICmAAVVUCEUBERBIBUSCUSB()CBERC103IBUBEIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V0.5VUBE0.7V1042(ICUCE)IC(mA)1234UCE(V)3691240A60AQQ’=IC/IB=2mA/40A=50=IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/IB=3mA/60A=50105IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEICIBIC=IB,IC=IBUCEUBE,IBICUCE0.3V:IB=0,IC=ICEO,UBE,106:(1)BEBCIC=IB,IC=IB(2)BEBCUCEUBEIBICUCE0.3V(3)UBEIB=0IC=ICEO0107=50USC=12VRB=70kRC=6kUSB=-2V2V5VQUSB=-2VIB=0IC=0QUSB=2VIB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mAICS=2mAQICICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mAICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE108ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUSB=5VIB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mAICS=2mAQ(ICIB=50USC=12VRB=70kRC=6kUSB=-2V2V5VQ10912-ICEO3-UCEO(BR)4ICM5PCM1102.2.5()111112PN113JFETMOSNPMOSnP114MOSN1PNNGSDPNSiO2NNN115PNNGSDGSDN2NGSD116117CS#CS#CS14ACS45G1181?NVGS=0DSVDSNDIDDSVGS0GSPNPNVDSDSIDPNVGSIDNPPNPGNSDPNNNNN1192?以N沟道绝缘栅型场效应晶体管为例它是以一块低掺杂浓度、高电阻率的P型硅片作为衬底，再扩散两个高浓度掺杂的N型区，分别引出两个极称为源极S和漏极D，隔离两个N型区的间隙表面覆盖着一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在它上面用金属铝引出一个电极，作为栅极G。由于栅极与其他电极是绝缘的，故称它为绝缘栅型场效应晶体管。NVGS=0(N)NIDIDN120•ID121NMOSIDmAVUDSUGS()GSD122?场效应晶体管的工作特性包括转移特性和输出特性。场效应晶体管的输出特性是指在栅源电压UGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压UDs之间的关系，即iD=?(UDS)│UGS=常数。场效应晶体管的转移特性是指在漏源电压一定的情况下，栅源电压UGS对漏极电流iD的控制特性，即iD=?(UGS)│UDS常数。(1)转移特性如左图所示，它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。当栅源电压UGS=0时．对应的漏极电流称为饱和漏电流IDSS，UGS变负时，ID随之减小，当ID接近零时的栅极电压称为夹断电压Vp。1231)I。在这个区域里UDS较小，沟道电阻随栅源电压UGS而改变。UGS越负ID也越小，曲线越下移，体现了栅源电压U