第一章 半导体物理基础.

第一章半导体物理基础1.1半导体结构1.2半导体能带模型1.3半导体中的载流子1.4态密度与费米能级1.5载流子的传输1.6PN结1.7金属—半导体接触1.8MOSFET器件基础1.1半导体结构•一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在三维空间均呈周期性重复。可分成单晶体和多晶体–单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。–多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成•非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其它小区域的原子排列•硅晶体是金刚石结构,均为四面体结构，并向空间无限伸展成空间网状结构。按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：硅的晶体结构•硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev）1.2半导体能带模型能带论原子能级分裂成能带的示意图电子能量简化能带图价带导带Eg=带隙EcEv•在一般的原子中，内层电子的能级是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这些原子的内层电子能级相对应的那些能带也是被电子所填满的。其中能级较高的被电子填满的能带称为价带，价带以上的能带未被填满，称为导带，导带和价带间的能隙叫禁带1.3半导体中的载流子•导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子，是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。满带半（不）满带EE当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。半满带的电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。空带满带禁带-e-e-e-eEIeIP1.本征半导体---不含杂质的半导体本征激发空穴电流导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）2.杂质半导体---含有少量杂质的半导体n型半导体（施主杂质半导体）在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的杂质所形成的半导体。例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5掺入AS以后，五个价电子中，有四个电子与周围的Ge组成共价键晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。满带空带施主能级gE能带结构：理论证明:掺入这种杂质后电子处于靠近空带下沿处的一个能级中(“施主能级”)DE施主能级与上空带下能级的能级间隔称“施主杂质电离能”()DE这种杂质可提供导电电子故称为施主杂质满带空带gE导电机制：施主能级DEDE由于较小,施主能级中的电子很容易激发到空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称“杂质激发”,当然也存在本征激发.总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移动,故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数,导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流子）导电机制：故n型半导体又称电子型半导体这种杂质可提供导电电子故称为施主杂质满带空带gE施主能级DE1.4态密度与费米能级•态密度–在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子态数dZ/dE)(Eg在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态费米－狄拉克统计分布规律•温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E的量子态的几率是–k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。–当E-EFkT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EFkT时，f（E）＝1，说明低于EF几个kT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时，EEF的能级全被填满，EEF的能级全是空的,EF是电子所占据的最高量子态的能量。–EF反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级1)exp(1)(kTEEEfF掺杂半导体能带图N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加，费米能级更加靠近导带底；p型半导体费米能级靠近价带顶本征半导体的费米能级叫本征费米能级1.5载流子的传输•载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合•载流子的扩散–由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散•漂移：带电粒子在外电场作用下的运动载流子热运动示意图外电场作用下电子的漂移运动载流子的漂移运动•无外加电场作用时–载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。•外加电场作用时–载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移，从而形成电流。•漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运动方向相反）。•漂移速度：定向运动的速度。•漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。载流子的漂移迁移率（μ）•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。单位是cm2／V·s•平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，载流子的迁移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有效质量不同。Hall效应•当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。测量Hall系数示意图•Hall系数RH定义–单位磁场作用下通过单位电流密度所产生的霍耳电场–RH与宏观测量值间关系，d为半导体厚度•Hall迁移率–RH与电导率σ的乘积，即│RH│σ，具有迁移率的量纲,故特别称为Hall迁移率，表示为μH=│RH│σHall系数的一般表达式•大多数半导体，b1•对n型半导体，温度不太高时，np，故•对p型半导体，温度不太高时，pn，故Hall效应的意义：①Hall系数有正负之分，且与载流子浓度有关。②通过Hall系数的测量，可以确定半导体的导电类型及载流子浓度。证实空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一③RH与T有关。1.6PN结•平衡PN结•正偏•反偏平衡PN结•空间电荷区•内建电场•W0=Wp+Wn是空间电荷区的总宽度•qV0＝EFN－EFP•V0和PN结两边的掺杂浓度（ND，NA），温度（T），材料（ni）有关。温度T一定时，ND，NA愈大，V0愈大；材料禁带宽度愈大，ni愈小，V0也愈大平衡PN结特性空间电荷区中性N区中性P区(a)(b)(c)-Wpρ正偏•当P区接电源的正极，N区接负时，外加偏压V基本上降落在势垒区，在势垒区产生外加电场•PN结的正向电流是由注入的非平衡少子引起的•空穴穿过P区时是多子电流，经过势垒区进入N区成为非平衡少子，它边扩散边复合，最后消失。少子被多子复合并非电流的中断，因为与少子复合的多子是从N区过来的多子，它们的复合正好实现了少子电流到多子电流的转换-Wp少数载流子的扩散电流总电流多数载流子的扩散电流N区P区反偏•加反偏电压V＝-Vr时，外加电场方向与内建电场方向相同，增强了势垒区中的电场强度，势垒区加宽，势垒高度由qV0增加为q（V0+Vr）。势垒区电场的增强，打破了原有的扩散和漂移运动之间的平衡，漂移运动超过了扩散运动。这时N区中空穴一旦到达势垒区边界x=Wn处就要被电场扫向P区，P区中的电子一旦到达势垒边界x=Wp，也要被电场扫向N区。•由于在势垒边界，少子浓度很小，若Vr25mv＝kT/e，pn0几乎为0，而势垒区中空穴浓度为平衡载流子浓度。在势垒区以外的少子要向势垒区扩散，扩散进来的少子一旦到达势垒区边界，就被电场扫向对方，它们构成了PN结的反向电流。正偏与反偏PN结能带图（a）开路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏电流I非常小热产生1.7金属—半导体接触上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。金属中的电子势阱0E(EF)m越大,金属对电子的束缚越强金属功函数的定义:真空中静止电子的能量E0与金属的EF能量之差mFmEE0mm半导体功函数的定义:真空中静止电子的能量E0与半导体的EF能量之差，即E0ECEFEV电子的亲合能CEE0ssFsEE0Ev接触前sFE)(0ECEnEmFE)(半导体的功函数又写为nsFCsEEE)(smsm半导体一边的势垒高度金属一边的势垒高度FECEVEnE忽略接触间隙qVD,smDqVmnDBEqVB1.半导体表面形成一个正的空间电荷区2.电场方向由体内指向表面3.半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒当金属与n型半导体接触在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。sm当金属与n型半导体接触1.半导体表面形成一个负的空间电荷区2.电场方向由表面指向体内3.半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。反阻挡层薄,高电导,对接触电阻影响小EcEvEF-Φmsmms•隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。实际的欧姆接触1.8MOSFET--场效应理论•1.8.1MOS结构–1.理想MOS结构（1）金属栅足够厚,是等势体（2）氧化层是完美的绝缘体无电流流过氧化层（3）在氧化层中或氧化层-半导体界面没有电荷中心（4）半导体均匀掺杂（5）半导体足够厚，无论VG多大，总有零电场区域（6）半导体与器件背面金属之间处于欧姆接触（7）MOS电容是一维结构，所有变量仅是x的函数（8）M=S=+(EC-EF)FB金属-氧化物-半导体电容栅背接触或衬底接触0.01~1.0m零偏压VG0（以P-Si衬底为例）由分立能带图得到MOS能带图包括两个步骤；（a）将M和S放到一起相距为x0，达到平衡时，M和S的费米能级必须持平；因假设m=S真空能级也必须对准。（在M-空隙-S系统的任何地方都没有电荷和电场）（b)将厚度为x0的绝缘体插入M与S之间的空隙。理想p型MOS在不同偏置下的能带图和电荷块图特殊偏置区域VG0,在O-S界面附近的空穴浓度大于半导体体内的浓度，称为“积累”。VG0,(较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA,VG=VTH时，表面不再耗尽VGVTH时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。N沟道增强型MOS场效应管结构1.8.2（增强型）MOS场效应管漏极D源极S栅极G衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管半导体有源层绝缘基板绝缘层GDS当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当VGS=VTH时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成ID。VDSID++--++--++++----VGS反型层当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.当VGSVTH时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在VGSVTH时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管1.8.3MOSFE