第4章半导体器件
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章半导体中载流子的输运现象在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。
我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。
半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。
由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。
其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。
载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体內形成电流。
此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。
载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流一电压特性。
因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。
4.1漂移电流密度如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。
载流子电荷的净如果电荷密度为P的正方体以速度4运动，则它形成的电流密度为^drf = P U d（°」）其中°的单伎为C»cm~3, J drf的单位是Acm~2或C/cnr»s。
若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度p = ep , e为电荷电量^=1.6X10-,9C（^仑），〃为载流子空穴浓度，单位为⑵尸。
则空穴的漂移电流密度打场可以写成：丿"爾=⑷）％（4.2）%表示空穴的漂移速度。
空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为F = ma = eE（4.3）p£代表电荷电量，d代表在电场力F作用下空穴的加速度，加;代表空穴的有效质量。
如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。
但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。
半导体器件物理第四章习题
第四章 金属-半导体结4-1． 一硅肖脱基势垒二极管有0.01 cm 2的接触面积，半导体中施主浓度为1016 cm 3−。
设V 7.00=ψ，V V R 3.10=。
计算 （a ）耗尽层厚度，（b ）势垒电容，（c ）在表面处的电场4-2． （a ）从示于图4-3的GaAs 肖脱基二极管电容-电压曲线求出它的施主浓度、自建电势势垒高度。
(b) 从图4-7计算势垒高度并与（a ）的结果作比较。
4-3． 画出金属在P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a ）s m φφ>和（b ）s m φφ<两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。
4-4． 自由硅表面的施主浓度为15310cm −，均匀分布的表面态密度为122110ss D cm eV −−=，电中性级为0.3V E eV +，向该表面的表面势应为若干？提示：首先求出费米能级与电中性能级之间的能量差，存在于这些表面态中的电荷必定与表面势所承受的耗尽层电荷相等。
4-5． 已知肖脱基二极管的下列参数：V m 0.5=φ，eV s 05.4=χ，31910−=cm N c ，31510−=cm N d ，以及k=11.8。
假设界面态密度是可以忽略的，在300K 计算： （a ）零偏压时势垒高度，自建电势，以及耗尽层宽度。
(b)在0.3v 的正偏压时的热离子发射电流密度。
4-6．在一金属-硅的接触中，势垒高度为eV q b 8.0=φ,有效理查逊常数为222/10*K cm A R ⋅=，eV E g 1.1=，31610−=cm N d ，以及31910−==cm N N v c 。
（a ）计算在300K 零偏压时半导体的体电势n V和自建电势。
（b ）假设s cm D p /152=和um L p 10=，计算多数载流子电流对少数载流子电流的注入比。
4-7． 计算室温时金-nGaAs 肖脱基势垒的多数载流子电流对少数载流子电流的比例。
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
(整理)第4章常用半导体器件-练习复习题
第4章：常用半导体器件-复习要点基本概念：了解半导体基本知识和PN结的形成及其单向导电性；掌握二极管的伏安特性以及单向导电性特点，理解二极管的主要参数及意义，掌握二极管电路符号；理解硅稳压管的结构和主要参数，掌握稳压管的电路符号；了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三极管的特性曲线及工作在放大区、饱和区和截止区特点，理解三极管的主要参数，掌握NPN型和PNP型三极管的电路符号。
分析依据和方法：二极管承受正向电压（正偏）二极管导通，承受反向电压（反偏）二极管截止。
稳压管在限流电阻作用下承受反向击穿电流时，稳压管两端电压稳定不变（施加反向电压大于稳定电压，否者，稳压管反向截止）；若稳压管承受正向电压，稳压管导通（与二极管相同）。
理想二极管和理想稳压管：作理想化处理即正向导通电压为零，反向截止电阻无穷大。
三极管工作在放大区：发射结承受正偏电压；集电结承受反偏电压；三极管工作在饱和区：发射结承受正偏电压；集电结承受正偏电压；三极管工作在截止区：发射结承受反偏电压；集电结承受反偏电压；难点：含二极管和稳压管电路分析，三极管三种工作状态判断以及三极管类型、极性和材料的判断。
一、填空题1.本征半导体中价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，留下一个空位称为空穴，它们分别带负电和正电，称为载流子。
2.在本征半导体中掺微量的五价元素，就称为N型半导体，其多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴，它主要依靠多数载流子导电。
3.在本征半导体中掺微量的三价元素，就称为P型半导体，其多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，它主要依靠多数载流子导电。
4.PN结加正向电压时，有较大的电流通过，其电阻较小，加反向电压时处于截止状态，这就是PN结的单向导电性。
5.在半导体二极管中，与P区相连的电极称为正极或阳极，与N区相连的电极称为负极或阴极。
6.晶体管工作在截止区的条件是：发射结反向偏置，集电结反向偏置。
7.晶体管工作在放大区的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
半导体器件物理 第四章总结
上栅极 VG ≤0
P+
第三个电极是栅极，它与沟道构成一个整 流结。 结型场效应器件本质上是一种电压控制电 阻器，其阻值能够随着扩展到沟道区的耗 尽层宽度的（器件的尺度：沟道长度为L， 宽度为Z，深度为2a）变化而变化。
W 源 W
L
n
VD ≥0
2a
P+
6
VDS对沟道的控制（假设VGS 一定） 由图 VGD = VGS - VDS * VDS很小时 → VGD VGS
① JFET的I-V关系曲线
JFET对应 不同的VG 有不同的 曲线
②双结型特性曲线
对应用不同基板电流Ib有不同的曲线
Ic Ib
饱和区
β=△Ic/ △Ib
Vce
5
4-1-3 JFET的工作原理
JFET由一个带有两个欧姆接触的异电沟道构成，一个欧姆接触起源极的作用，
另一个作漏极。当漏极加一个相对于源极的正电压时，电流从源到漏。
③ VG =－VP 时:
当栅源电压VG=-VP 时N沟道全夹断。
此时即使有漏源电 压VD ，亦不能产生 电流ID。
ID B
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
当VG=－VP时,N沟道的起 始状态为全夹断,管中已 没有自由电子，即此时N 沟道不存在,漏源间的电 阻为无穷大,所以即使有 VD,亦不会有ID。 C VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
0 VG(V) 0
Vp
10V
29 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 时,ID为最大。 ID(mA) 当栅源电压等 夹断电压时, ID为0。
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：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 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
Cideal
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本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以 自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能 力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
第4章半导体器件
4.1.2杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就 会使半导体的导电性能发生显著变化。
N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）
第4章半导体器件
N型半导体
硅或锗 +少量磷 N型半导体
硅原子
磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
第4章半导体器件
N型硅表示 +
P型半导体
硅或锗 +少量硼 P型半导体
硅原子
空穴
Si Si
硼原子
B
Si
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且
可以移动
第4章半导体器件
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
第4章半导体器件
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4
束缚电子
自由电子、空穴成对出现
第4章半导体器件
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子： 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴可吸引附近的电子 来填补，其结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可认为空穴是导体空器穴件 ：在共价键中运动
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高，本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能 的一个重要的外部因素，这是半导体的一大 特点。
• 研究方法：建立等效模型，近似计算。
第4章半导体器件
§4.1 半导体的基本知识
导体、半导体和绝缘体
导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、 陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一 些硫化物、氧化物等。
3.P 区中的自由电子和N 区中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的电流 很小。
第4章半导体器件
21
4.2.2 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意
思都是： P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压。
第4章半导体器件
PN结正向偏置
的厚度固定不变。 第4章半导体器件
19
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型区
空间 电荷区
N 型区
第4章半导体器件
20
注意:
1.空间电荷区中几乎没有载流子。
2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的自由电子（都是多子）向对方运动 （扩散运 动）。
扩散的结果是使空间 电荷区逐渐加宽。
18
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡
时，相当于两个区之扩间散没运有动电荷运动，空间电荷区
第4章半导体器件
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它 具有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化 -- 热敏特性、光敏特性。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变 -- 掺杂特性。
第4章半导体器件
4.1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
第四章 半导体器件
4.1 半导体的基础知识 4.2 PN结及半导体二极管 4.3 三极管
第4章半导体器件
• 模拟电路：研究输出与输入信号之间的大小 、相位、失真等方面的关系。
• 基本电路元件：晶体管、场效应管、集成 运算放大器。
• 基本模拟电路：信号放大及运算（信号放 大、功率放大）、信号处理（采样保持、电 压比较、有源滤波）、信号发生（正 弦 波 发生器、三角波发生器等）。
Si
Ge
硅原子
第4章半导体器件
锗原子
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中
心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与 其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶 体结构：
第4章半导体器件
6
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
空间电荷区变薄
P
－+
+
－+
－+ 正向电流
第4章半导体器件
内电场越强，漂移运动 就越强，而漂移的结果 使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩第4散章半运导体动器件
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
第4章半导体器件
+4
+4
+4
+4
共价键形成后，每个原子 最外层电子是八个，构成比 较稳定的结构。
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所 以本征半导体的导电能力很弱。
P型半导体
N型半导体
杂质型半导体中多子和少子的移动都可形 成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要 是多子，受温度影响较小。
一般近似认为多第4章子半导与体器杂件 质浓度相等。
§4.2 PN结及半导体二极管
4.2.1 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P型
半导体和N型半导体，经过载流子的扩散， 在它们的交界面处就形成了PN结。