半导体器件物理2分解
(施敏)半导体器件物理(详尽版)ppt
江西科技师范大学
半导体器件物理 如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110）， 此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
江西科技师范大学
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都 能带电
3~6eV
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV
锗0.67 eV
砷化镓 1.42 eV 江西科技师范大学
半导体器件物理
第 章 半导体特性
1.1 半导体的晶格结构 1.2 半导体的导电性 1.3 半导体中的电子状态和能带
1
1.4 半导体中的杂质与缺陷
1.5 载流子的运动 1.6 非平衡载流子 1.7 习题
江西科技师范大学
半导体器件物理
● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动
半导体器件物理
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动； 但内层电子的轨道交叠较 少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共 有化程度强些。
半导体器件物理 课件 第二章
(e) 曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
10
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
P Si
N+
SiO2
N Si
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
金属
金属
P Si N+
SiO2
N Si
P Si
金 属
（2-2-11） （2-2-12）
在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于 是稳态载流子输运满足扩散方程
。
28
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
29
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义
硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
5
•
扩散工艺：
•由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 •常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固 -固扩散、 双温区锑扩散。
•液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩 散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。 在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压， 杂质原子通过硅片表面向内部扩散。 6
102
101
1.0
10
VR ,V
(a)
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 （a） x j
1m 和（b） x j 10 m 10 20 / cm 3
中国科大半导体器件物理课件2
dp q p p qD p dx
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
16
中国科学技术大学物理系微电子专业
2. 内建电势（接触电势差）
N型中性区
qFn n0 ni exp kT kT N D Fn ln q n i
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
8
中国科学技术大学物理系微电子专业
扩散与离子注入
用可控制数量的杂质掺入半导体
扩散：掺杂分布主要由扩散温度及扩散时间决 定，用于形成深结： 扩散流密度F(单位时间通过单位面积的杂质原 子数）： C
F D x
2 s ND xn Vbi q (N A ND )N A
2 s NA xn Vbi q (N A ND ) ND
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
27
中国科学技术大学物理系微电子专业
单边突变结
实际问题中经常遇到p区和n区掺杂浓度相 差悬殊的情况,当突变结一边杂质浓度远 大于另一边时，称为单边突变结。 对于单边突变结，空间电荷区宽度简化为
晶体生长与外延
—从熔体中生长单晶：直拉法(Si)和布里奇曼法(GaAs) 原材料：石英砂 SiC(固体)+SiO2(固体)Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体) 冶金级硅 电子级硅（ppb量级） 硅片成形:前处理切片双面研磨抛光 —外延：除常规外延工艺(如气相外延VPE)外，还有液相 生长法（广泛应用于化合物半导体）及绝缘体上硅分子 束外延等。
半导体器件物理(第二版)第二章答案.pdf
0Na + Nd
)
xp
=
2 K 0 qNa (Na
0Nd +N
d
1
)
2
试推导这些表示式。
解：由泊松方程得：
d d
2 p (
dx2
2 n (
dx2
x) x)
= =
qNa k0
− qNd k0
积分一次得
(− xp x 0)
(0 x xn )
d p ( x)
dx
=
qNa k0
x
+ c1
所以
V
V
pn2 = ni2e VT 或 pn = ni e 2VT
2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程
0
= n
−
p
= VT
ln
Nd Na ni2
。
解：净电子电流为
In
=
qA(Dn
n x
+
nn )
处于热平衡时，In＝0 ，又因为 = − d dx
1
所以 nn
d dx
= Dn
得：
D1 = 0 ， D2 = 0
( ) 于是
p n
( (
x) x)
= =
qNa 2k0 − qNd
2k0
x
(
+ x
x −
2 p
)
(o x xn )
再由电势的连续性，当 x＝0 时 ， p (0) = n (0) ：
( ) 所以
0
=
q 2k0
Na x2p + Nd xn2
证明：
JP
=
−qDP
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。
半导体器件物理（第二版）第二章答案解析
半导体器件物理（第⼆版）第⼆章答案解析2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利⽤2TV V i np n e=导出)(n n x p 表达式。
给出N 区空⽳为⼩注⼊和⼤注⼊两种情况下的)(n n x p 表达式。
解：在n x x =处 ()()??-=??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn in n FP i i nn exp exp()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =-= ⽽()()()000n n n n nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=?+?=?+2001TV V n i n n n p n p e n n +=T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为⼀般结果)⼩注⼊：（0n n n p <2== ()002n n i p n n =⼤注⼊： 0n n n p >>? 且 n n p p ?= 所以 TV V ine n p 22=或 TV Vi n en p 2=2-2．热平衡时净电⼦电流或净空⽳电流为零，⽤此⽅法推导⽅程20lniad T p n n N N V =-=ψψψ。
解：净电⼦电流为()n nn nI qA D n xµε?=+?处于热平衡时，I n ＝0 ，⼜因为d dxψε=-所以nnd nn D dx xψµ?=?，⼜因为n T n D V µ=（爱因斯坦关系）所以dn nV d T=ψ，从作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=2-3．根据修正欧姆定律和空⽳扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作⽤下，PN 结N 侧空⽳扩散区准费⽶能级的改变量为qV E FP =?。
半导体器件物理学习资料二
半导体器件物理
第二章 P-N结
当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，
电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从
P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至 EFn=EFp。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
半导体器件物理
● —— 本章重点
第二章 P-N结
P-N结的能带图 P-N结的特点
P-N结的直流特性
半导体器件物理学习资料二 上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第二章 P-N结
P-N结
采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可 以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这 种P型和N型区之间的冶金学界面称为P-N结。
因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的 电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。 可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。
半导体器件物理学习资料二 上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理 2.3 P-N结直流特性
平衡P-N结
第二章 P-N结
一定宽度和势垒高度的 势垒区；
合金结和高表面浓度的浅 扩散结一般可认为是突变结， 而低表面浓度的深扩散结一般 可认为是线性缓变结。
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半导体器件物理
P-N结能带图
第二章 P-N结
扩散
当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度， 导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
半导体器件物理
第二章 P-N结
nn0 N区平衡多数载流子——电子浓度
半导体器件物理II必背公式+考点摘要
半导体器件物理II必背公式+考点摘要半⼆复习笔记1.1MOS结构1.费⽶势：禁带中⼼能级(EFi)与费⽶能级(EF)之差的电势表⽰2.表⾯势：半导体表⾯电势与体内电势之差，体内EFi和表⾯EFi之差的电势表⽰3.⾦半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1.MOSFET⾮饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS⼀定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能⼒3. 提⾼饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作⽤。
VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流⼦的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截⽌频率：器件电流增益为1时的频率⾼频等效模型如下：栅极总电容CG看题⽬所给条件。
若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；⾮理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产⽣寄⽣电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。
3. 提⾼截⽌频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 ⾮理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电⼦有⼀定⼏率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS⽆关④亚阈值摆幅S：漏电流减⼩⼀个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。
⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量⼩。
因此S越⼩越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提⾼关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减⼩亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑?ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L`②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越⼩?ΔL的绝对值越⼤?沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越⼩?ΔL的相对值越⼤?沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流⼦的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率⾮常数。
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N+
（j） P-N 结制作完成
引言
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na
xj 0
x -Nd
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线） 图 2.2
-ax
xj 0
x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
引言
突变结：
0 x xj , N(x) Na xj x, N (x) Nd
明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制 造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路 和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接 触）所形成的结构叫做PN结。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结 （junction）,有时也叫做接触（contact）.
引言
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种 导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质 构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－ 锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型 同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导 体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们 叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
N Si
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 膜的晶片
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶的晶片
金属
P Si N+
SiO2
N Si
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
SiO2
N Si N+
(i)蒸发/溅射金属
金属
SiO2
P Si N Si
qNd xn2 2k 0
（2-15） （2-17）
➢扩展知识：习题2.2 2.5
2.1热平衡PN结
• 教学要求
✓ 掌握下列名词、术语和基本概念： PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区 、内建电场、内建电势差、势垒。
✓ 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR) 的形成
线性缓变结：在线性区 N(x) ax
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
q 0
qV
V
E Fn
（b）加正向电压，耗尽
层宽度W’W
图2.5 单边突变结的电势分布
PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、 耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 ➢ 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形 成。 ➢ 介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。 ➢ 利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
图2-3
2.1 热平衡PN结
Nd Na
xpN d
0
Na N d
xn x
- Na
（a ）
x
（b ）
m
x
0 0
（c ）
图2-4 单边突变结
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
2.1 热平衡PN结
小结 ➢ 名词、术语和基本概念：
引言
• 70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平 面工艺包括以下主要的工艺技术：
• 1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的 离子注入工艺。
• 1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 • 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
2.1热平衡PN结
• 小结
➢ 解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
m 1
x xn
（2-14）
qNd xn2 2k 0
1
x xn
2
（2-16）
W
xn
2k 0
qNd
0
1
2
（2-18）
m
qNd xn k 引言
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半 导体接触器件外，所有结型器件都有PN结构成。PN结 本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知 识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件 物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导体器件 物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四 分之一。
✓ 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。 ✓ 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-7）
✓ 解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗
尽层宽度。并记忆公式（2-14）―（2-18）
✓ 作业题：2.2 、 2.4 、 2.5、2.7、2.10
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
图2.5 单边突变结的电势分布
q0 VR
2.2 加偏压的 P-N 结
• 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分
布
pn
nn
引言
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
N+
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
SiO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 SiO2
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
光刻胶
SiO2
n Si
N+
P Si
N+
SiO2