半导体器件原理

半导体器件半导体器件原理秦明东南大学MEMS教育部重点实验室Tel:025-83792632ext.8809Email:[e-mail]半导体器件半导体器件原理教材:半导体器件基础，RobertF.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，曹培栋编著半导体器件半导体器件一．半导体物理基础二．pn结三．BJT四．MOSFET五．JFET/MESFET简介半导体器件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、及系统的电子学分支学科微电子学简介:半导体物理基础半导体器件微电子学研究领域•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半导体器件固体材料分成：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半导体器件半导体器件半导体材料的纯度和晶体结构纯度极高，杂质1013cm-3结构半导体器件晶体结构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、面立方半导体器件半导体有:•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半导体器件密勒(Miller)指数半导体器件半导体器件(111)晶面原子面密度比(100)晶面稍高:7.8x1014atoms/cm2半导体器件半导体中的缺陷点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错半导体器件+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半导体器件半导体模型价键模型空穴电子半导体器件半导体的能带（价带、导带和带隙〕半导体器件价带：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半导体器件电子：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kTEECfCeNn)(kTEEVVfeNp)(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子半导体器件半导体、绝缘体和导体半导体器件载流子的特性电荷有效质量Anelectronmoveswithacertaincharacteristicmass(fromF=ma)invacuumInasolid,F=machanges,sowecanmodelthischangeviaan“effective”mass半导体器件有效质量在一个电场中，电子和空穴的加速度为：半导体器件施主：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半导体的掺杂半导体器件施主和受主的相互补偿施主能级受主能级半导体器件态密度根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态密度为：半导体器件费米分布函数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半导体器件平衡载流子分布简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示：半导体器件平衡载流子浓度导带中的电子浓度：价带中的空穴浓度：半导体器件平衡载流子浓度如果Ev+3kT=EF=Ec-3kT半导体器件n和p的其他变换公式本征半导体时，kTEEikTEEiFiiFenpenn/)(/)(inpnkTEEVikTEECiiCCieNneNn/)(/)(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/)(/)(半导体器件本征载流子浓度本征费米能级CVVCfiNNkTEEEEln22kTECVkTEECVigVCeNNeNNnpn22本征载流子半导体器件杂质半导体的载流子浓度对掺杂半导体，iiFnnkTEEln半导体器件举例半导体器件半导体器件掺杂半导体电中性条件：半导体器件特殊情况半导体器件举例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？半导体器件载流子浓度与温度的关系半导体器件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产生和复合半导体器件热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为psm1.0~半导体器件热能和热速度电子或空穴的平均动能22123theffvmkT半导体器件漂移电流电流密度AqpvIqpvJdPdP半导体器件迁移率单位电场下的平均漂移速度为迁移率sVcmvd/,2半导体器件影响迁移率的因素与散射有关晶格散射电离杂质散射*mq半导体器件半导体器件漂移电流与电导率电导率电阻率pnqpqn11半导体器件电阻率与掺杂的关系N型半导体P型半导体ApDnNqNq11半导体器件扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动半导体器件热探针测量原理可以用来分辩硅片的导电类型p-Sin-SiA热探针冷探针电子扩散空穴扩散半导体器件扩散电流半导体器件半导体内总电流扩散+漂移半导体器件能带弯曲当材料中存在电场时，能带能量变成位置的函数半导体器件场强势能dxdEqEEqVEPdxdVrefc1..半导体器件扩散系数和迁移率的关系考虑非均匀半导体半导体器件爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0nnnnnnnqkTDkTqDqnqndxdnqDqnJ00qkTndxdnppqkTD半导体器件产生和复合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半导体器件复合直接复合间接复合Auger复合半导体器件产生直接产生R-G中心产生载流子产生与碰撞电离半导体器件过剩载流子和电中性平衡时过剩载流子电中性：半导体器件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2innp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半导体器件复合寿命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npnp半导体器件复合半导体器件半导体器件一．半导体物理基础二．PN结三．BJT四．MOSFET五．JFET/MESFET简介半导体器件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典型制造过程半导体器件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（1um）深结（3um）或外延的PN结半导体器件PN结中的能带PN半导体器件内建电势半导体器件内建电势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半导体器件能带内建电势电场半导体器件Poisson方程电荷和电势分布满足Poisson方程在中性区:)(,22npNNqdxVdADskTqVikTEEikTqVikTEEienenpenennFiiF)()(半导体器件耗尽近似半导体器件耗尽层模型在耗尽区P型一侧,N型一侧,半导体器件突变结耗尽区的电场与电势分布耗尽近似DAqNqN)0()0(npxxxxPossion方程：)0()0(2222nsDpsAxxNqdxVdxxNqdxVd半导体器件电场分布积分一次：)0(),()()0(),()(2222nnsDppsAxxxxNqxdxdVdxVdxxxxNqxdxdVdxVd(x)-xpxn半导体器件电势分布由微分方程：边界条件：设在-xp处V=0xn处V=Vbi再积分一次：)0(),()0(),(nnsDppsAxxxxNqxxxxNqdxdV)0(,)(2)(,)(2)(0'''xxxxqNxVdxxxNqdVppsAxVxxpsAp半导体器件电势分布N型侧，X=0处，有nnsDbiVxVxxnsDxxxxKqNVxVdxxxKqNdVbin0...)(2)(')'('20)(0202022nsDbipsAxKqNVxKqN半导体器件耗尽层宽度电场随x线性变化，在x=0时达最大值：pnnDpAnsDpsAmxxWxNxNxNqxNqWNNNxWNNNxDAAnDADp半导体器件耗尽层宽度2102102102)(2)(2biADDAspnbiDAADsAnDpbiDADAsnVNNNNqKxxWVNNNNqKNxNxVNNNNqKx即和半导体器件VA0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-VA210)(2AbiADDAspnVVNNNNqKxxW例半导体器件反偏PN结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？半导体器件线性缓变结半导体器件线性缓变结-1axKqdxVds02242)(220WxKqaxs令V(-W/2)=0,进一步解出最大电场空间电荷区宽度323023226)(xxWWKqaxVs208WKqasm31012AbisVVqaKW半导体器件理想二极管方程PN结反偏时半导体器件理想二极管方程PN结正偏时半导体器件准费米能级半导体器件定量方程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。半导体器件准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:欧姆接触边界耗尽层边界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD......0......02222半导体器件边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22半导体器件耗尽层边界P型一侧PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn半导体器件耗尽层边界(续)N型一侧1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关半导体器件准中性区载流子浓度半导体器件理想二极管方程求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)半导体器件理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-x