半导体器件物理第3章图文

合集下载

【精品】半导体物理(SEMICONDUCTOR PHYSICS )PPT课件

• 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
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
• 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
• 本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象： • 介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面 • 讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其杂质能级 • 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平衡载流子的产生与复合 • 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程 • 简要介绍了半导体表面的相关知识
• 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAs晶体中As 的成份偏多，不仅形成Ga空位，而且As原子还可占据Ga空位，称为反结构缺陷。
• 此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。
• 位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。
• 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在晶体中会产生一定应力。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28´，这种正四面体称为共价四面体。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
图1.6 两种不同的晶列
• 晶列的取向称为晶向。 • 为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量R，如图1.7，则
R=l1a+l2b+l3c • 若l1:l2:l3不是互质的，通过

半导体器件物理第三章

3.2基本工作原理
共发射极接法
I C I C I B I C 0
IC0 IC IB hFE I B I CE 0 1 1
式中定义
hFE
1
IC0 1
I CE 0
晶体管的放大作用晶体管在共射极运用时，IC=hFEIB。由于 hFE远大于1，输入端电流IB的微小变化，将引起输出端电流IC较大的变化，因此具有放大电流的能力。在共基极运用时，IC=αIE。由于α接近于1，当输入端电流IE变化△IE时，引起输出端电流 IC的变化量△IC小于等于△IE。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。
3.2基本工作原理
共基极连接晶体管的放大作用
图3 - 6 （a） NPN 晶体管共基极放大电路
3.2基本工作原理
共基极连接晶体管的放大作用
qVBE
当晶体管作为放大运用时发射结加正向偏压VE 集电结加反向偏压VC
qVBC
B
E
（b ）
C
图3-6 （b）NPN晶体管共基极能带图
3.2基本工作原理
• 电流分量
共射极输出特性曲线
IC～VCE关系曲线
当IB=0（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射极电路的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当 IB=0时，IE并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流ICE0比ICB0大，这就是图中下面的第一条曲线。当IB≠0时，随着IB的增加，IC就按βIB的规律增加。 IB取不同的数值，IB～VCE关系就得到一组曲线。
（2）
反向有源模式： V

半导体物理与器件第3章3

E EF exp( ) 1 k0T
所以：
E EF E EF 1 exp( ) exp( ) k0T k0T
则：
E EF f F ( E ) f B ( E ) exp( ) k0T
f B ( E ) 称为电子的玻尔兹曼分布函数
相应的，空穴的玻尔兹曼分布函数为 EF E 1 f B ( E ) exp( ) k0T
半导体器件原理与应用
Donald A. Neamen, Semiconductor Physics & Devices (4th) 第三章（下）

我们最终想要得到的是对半导体器件电流-电压特性的描述。由于电流是由电荷的定向运动产生导带的，所以确定半导体中用于导电的电子和空穴的数量（即载流子浓度）就显得相当重要。
1 两个球壳之间的体积为 4 k 2dk 8
kz

dZ 2 8
电子自旋
体积为a3的晶体中，E~(E+dE)之间量子态数即为： 1 4 k 2 k 2dk

3
dk
a
3
a3
ky
kx
半导体能带的状态密度

k2 单位体积的量子态密度即为： dZ 3 dk
3/2

价带顶中空穴的有效状态密度为
gv ( E ) 4 2m p h
3
Ev E
状态密度特征
gc ( E ) 4 2m h
3 3/2 n

E Ec
gv ( E )
4 2m h
3
3/2 p

Ev E

与能量E有抛物线关系，导带底附近，电子能量越大，状态密度越大；价带顶附近，空穴能量越大，状态密度越小。还与有效质量有关，有效质量大的能带中的状态密度大。

半导体器件物理教案课件

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。

半导体物理与器件第3章

35
kT
T = 0K 时，
(1) E > EF , 分母中 exp(+∞) → fF(E)= 0 ◆能量高于费米能级的量子态是空的 (2) E < EF , 分母中 exp(-∞)= 0 → fF(E)= 1 ◆能量低于费米能级的量子态是满的 (3) E = EF , 分母中 exp(0)= 1 → fF(E)= 1/2 ◆能量等于费米能级的量子态被电子
大量包含多个电子的原子靠得很近形成晶体材料之后，原来相同的电子能级发生分裂的情况。
原子靠近→电子云发生重叠→电子之间存在相互作用→分立的能级发生分裂形成能带
大量硅原子（N）形成硅晶体的电子能级分裂示意图
T=0K
价带
s, p轨道杂化
k=2π/λ
3
硅晶体形成过程中发生的 sp3轨道杂化，形成填满电子的价带和没有电子的导带，二者之间为禁带宽度Eg。
3.3 三维扩展
三维情况下各方向势场不同
电子在不同方向上运动会遇到不同的势场，从而产生不同的k空间边界。
31
硅和砷化镓的k空间能带图
直接带隙半导体：价带间接带隙半导体：价带
能量最大值和导带能量能量最大值和导带能量
最小值的K坐标一致最小值的K坐标不一致
32
3.5 统计力学
在一定温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则热运动，从一个电子来看，它所具有的能量时大时小，经常变化。但是，从大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律性，即电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。
温度升高时，共价键中的个别电子可能会获得足够大的能量，从而克服共价键的束缚，进入导带。
3.2固体中电的传导 3.2.4空穴的运动

半导体物理与器件第三章2

第三章
固体量子理论初步
15
半导体物理与器件
有效质量的意义在于:
它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。 mn*可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律
有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。
第三章
固体量子理论初步
1
半导体物理与器件
E
E
允带禁带允带禁带允带
3 a 2 a

a
0
a
2 a
3 a

a
k
0 简约布里渊区
a
半导体物理与器件
§3.2固体中电的传导
固体中电流是由于电子的定向移动造成的在满带中，所有电子状态被占据
首先在无外力情况下。电子也并非静止的处于某一个固定的状态。在热扰动的情况下，电子可能增加或减少自己的能量，从而在各个k状态中跃迁（指能量改变）。但是由于是满带，每有一个k状态的电子改变了能量跑到了k’状态，则相应的就有一个电子填补了k状态，由于电子的全同性，相当于系统的状态没有任何改变，因而没有电流。
Ftotal Fext Fint ma
Fint非常复杂，难以确定。因而我们将公式简写为：
Fext m a
*
其中加速度a直接与外力有关。参数m*对外力Fext表现出类似于惯性质量的性质，叫做有效质量。所谓有效是指：“有效”的意义在于“它是有效的，但不是真实 7 第三章固体量子理论初步的”
第三章
固体量子理论初步
23
半导体物理与器件

半导体物理第3章课件

9
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
16、某含有一些施主的p型半导体在极低温度下（即T→0时）电子在各种能级上的分布情况如何？定性说明随温度升高分布将如何改变？ 17、什么叫载流子的简并化？试说明其产生的原因。有一重掺杂半导体，当温度升高到某一值时，导带中电子开始进入简并。当温度继续升高时简并能否解除？
14
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
25、已知温度为500K时，硅ni= 4×1014cm-3 ，如电子浓度为2×1016cm-3，空穴浓度为 2×1014cm-3，该半导体是否处于热平衡状态？
15
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
26、定性说明下图对应的半导体极性和掺杂状况
16
1
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
2、什么叫统计分布函数？费米分布和玻尔兹曼分布的函数形式有何区别？在怎样的条件下前者可以过渡为后者？为什么半导体中载流子分布可以用波尔兹曼分布描述？ 3、说明费米能级EF的物理意义。根据EF位置如何计算半导体中电子和空穴浓度？如何理解费米能级EF是掺杂类型和掺杂程度的标志？
13
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
23、定性讨论如下掺杂硅单晶费米能级位置相对于纯单晶硅材料的改变，及随温度变化时如何改变：（1）含有1016cm-3的硼；（2）含有1016cm-3的硼和9×1015cm-3的P；（3）含有1015cm-3的硼和9×1015cm-3的P； 24、说明两种测定施主和受主杂质浓度的实验方法的原理？
10
第三章半导体中载流子的统计分布思考题
18、有四块含有不同施主浓度的Ge样品。在室温下分别为：（1）高电导n-Ge；（2）低电导n-G；（3）高电导p-Ge；（4）低电导p-Ge；比较四块样品EF的位置的相对高低。分别说明它们达到全部杂质电离或本征导电时的温度的高低？杂质浓度愈高，全部电离时的温度将愈高；相应达到本征激发为主的温度也愈高。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第三章 pn结与金属－半导体接触
半导体器件物理
电子与信息学院
主要内容
一、平衡pn结二、非平衡pn结三、pn结直流特性四、pn结电容与交流特性五、金属－半导体接触· 六、肖特基二极管特性七、半导体中的光电特性二极管作用：整流、稳压、变容、发光。
半导体器件物理电子与信息学院
一、平衡PN结二极管
半导体器件物理
电子与信息学院
雪崩击穿 • 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格碰撞时产生电子-空穴对。 • 新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产生大量导电载流子，电流迅速上升。
半导体器件物理
电子与信息学院
半导体器件物理
电子与信息学院
平衡pn结载流子浓度分布 • 在空间电荷区边界（xp)处的载流子浓度分别等于p区平衡少子浓度和多子浓度。 • 在空间电荷区边界（xn)处的载流子浓度分别等于n区平衡少子浓度和多子浓度。
半导体器件物理
电子与信息学院
二、非平衡pn结
在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则为反向偏置。
机理： • 隧道击穿取决于穿透隧道的几率势垒区宽度要窄。 • 雪崩击穿取决于碰撞电离有一定的势垒区宽度。从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：硅pn结： < 4 V > 6 V
半导体器件物理电子与信息学院
隧道击穿雪崩击穿
四、 pn结电容与交流特性
• PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化，这说明PN结具有电容效应。 • PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两种类型的电容 –势垒电容CT –扩散电容CD
半导体器件物理电子与信息学院
PN结的击穿
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种属于电击穿。 • 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击穿。
半导体器件物理电子与信息学院
• 电击穿现象： PN结反向电压增加到一定数值（ VB ）时，反向电流开始急剧上升，这种现象称为 PN 结击穿。 VB 称为击穿电压。 • PN结电击穿机构有两种：雪崩击穿（Avalanche Breakdown) 隧道击穿或齐纳击穿 (Tunneling or Zener Breakdown)
半导体器件物理
电子与信息学院
P区能带相对于n区能带上移的原因：能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即为接触电势差。在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
空间电荷区及内建电场
半导体器件物理电子与信息学院 Nhomakorabea内建电场和内建电势
• 内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解，用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是非常重要。
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。正向电流
⎛ n p 0 Dn pn 0 D p ⎞⎛ qV ⎞ kT ⎟⎜ e − 1⎟ + j = j p ( x ) + jn ( x ) = q ⎜ ⎟ ⎜ L L p ⎟⎜ ⎠ ⎝ n ⎠⎝
半导体器件物理电子与信息学院
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）
半导体器件物理
电子与信息学院
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。（2）pn结的内建电势VD (N型区到P型区的电势差) （接触电势差））：
kT N A N D ln VD = q ni2
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导体材料的特性相关。
半导体器件物理电子与信息学院
平衡pn结能带图
隧道击穿 • PN 结掺杂浓度十分高 (>5×1017cm-3 ）时，耗尽区宽度变得很窄，耗尽区内的电场高达 106Vcm-1。 • 这种情况下，价带电子可以直接穿过禁带到达导带，成为自由电子，引起电流迅速增加。这种击穿叫做隧道击穿。
半导体器件物理电子与信息学院
雪崩击穿和隧道击穿的区别
1、PN结的形成
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外延法或离子注入等方法掺入P型（或N 型）杂质。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物自建电场理过程:
受主离子
半导体器件物理电子与信息学院
施主离子
因浓度差 ↓ 多子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成内电场 ↓ ↓ 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散
扩散电流、复合电流
半导体器件物理电子与信息学院
2、 PN结的反向特性
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流反向电流
⎛ n p 0 Dn pn 0 D p ⎞⎛ qVR ⎞ ⎜ ⎟⎜ e kT − 1⎟ + j = j p ( x ) + jn ( x ) = q ⎟ ⎜ L L p ⎟⎜ n ⎠ ⎝ ⎠⎝
空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：
p
n p n (x) p n0 xn
n p0
n p(x) xp
半导体器件物理
电子与信息学院
三、pn结直流特性
PN结的特性单向导电性： • 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置反向击穿电压VB • 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。