半导体器件物理复习课件leture19_review
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复习-半导体器件共92页PPT资料
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。
(1-15)
三、杂质半导体的示意表示法
---- - - ---- - - ---- - - ---- - -
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-16)
§1.2 PN结及半导体二极管
2.1.1 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。
(1-17)
内电场越强,就使漂移 运动越强,而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
---- - - ---- - - ---- - - ---- - -
(1-3)
1.1.2 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
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。
Ge
Si
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
(1-4)
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,原子按四角形系统组成晶体
点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个 其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临 的原子之间形成共价键,共用一对价电子。
半导体器件物理PPT课件
解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球,且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触,试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅(Si)在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。(硅的摩尔质量为 28.09g/mol)
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图(绝对零度)
30
●导带
有电子能够参与导电的能带, 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转,而且可以转到另一个原子周围,即 同一个电子可以被多个原子共有,电子不再完全局限在某一个原子上, 可以由一个原子转到相邻原子,将可以在整个晶体中运动。
27
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。
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;
杂质来源
一)制备半导体的原材料纯度不够高; 二)半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污; 三)为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%,还有66%是空隙, 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一)杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置, 间隙式杂质/填充;
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球,且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触,试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅(Si)在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。(硅的摩尔质量为 28.09g/mol)
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图(绝对零度)
30
●导带
有电子能够参与导电的能带, 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转,而且可以转到另一个原子周围,即 同一个电子可以被多个原子共有,电子不再完全局限在某一个原子上, 可以由一个原子转到相邻原子,将可以在整个晶体中运动。
27
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。
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;
杂质来源
一)制备半导体的原材料纯度不够高; 二)半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污; 三)为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%,还有66%是空隙, 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一)杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置, 间隙式杂质/填充;
《半导体复习提纲》PPT课件
① 简并半导体:对于高掺杂的n型或p型EF 半导体E,C 将高EV于 , 或低于 。此种半导体称为简并半导体。
② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
➢MOSFET的阈值电压与哪些因素有关? 固定氧化层电荷,功函数差,栅极材料,氧化层厚度,衬底偏 压,沉底掺杂。 ➢半导体存储器的详细分类是怎样的?日常使用的U盘属于哪种 类型的存储器,画出其基本单元的结构示意图,并简要说明其 工作原理。 详细分类:挥发性—动态随机存储器和静态随机存储器。
非挥发性—电源关闭时保留信息。U盘属于非挥发性 的画快出闪不存同储偏器压。下,金属与n型半导体接触的能带图。
➢MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型?强反型的判 据是什么? MOS的沟道是强反型,判断依据是表面耗尽区的宽度将达到最大 值。 ➢实际MOS二极管中哪些因素导致其偏离理想情况? 固定氧化层电荷,扩散电流,界面陷阱,功函数差,反向漏电流, 杂质分布,迁移率等。 ➢当VG大于VT且保持不变时,画出增强型MOSFET的I-V曲线,并 画出在线性区、非线性区和饱和区时的沟道形状。
② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
➢MOSFET的阈值电压与哪些因素有关? 固定氧化层电荷,功函数差,栅极材料,氧化层厚度,衬底偏 压,沉底掺杂。 ➢半导体存储器的详细分类是怎样的?日常使用的U盘属于哪种 类型的存储器,画出其基本单元的结构示意图,并简要说明其 工作原理。 详细分类:挥发性—动态随机存储器和静态随机存储器。
非挥发性—电源关闭时保留信息。U盘属于非挥发性 的画快出闪不存同储偏器压。下,金属与n型半导体接触的能带图。
➢MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型?强反型的判 据是什么? MOS的沟道是强反型,判断依据是表面耗尽区的宽度将达到最大 值。 ➢实际MOS二极管中哪些因素导致其偏离理想情况? 固定氧化层电荷,扩散电流,界面陷阱,功函数差,反向漏电流, 杂质分布,迁移率等。 ➢当VG大于VT且保持不变时,画出增强型MOSFET的I-V曲线,并 画出在线性区、非线性区和饱和区时的沟道形状。
② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为,以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型,它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ,它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时,需要吸收或释放 能量,这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型,其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛,具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时,导电 沟道的开闭状态会相应改 变,从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为,以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型,它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ,它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时,需要吸收或释放 能量,这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型,其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛,具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时,导电 沟道的开闭状态会相应改 变,从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
《半导体器件物理》课件
MOSFET的构造和工作原理
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
通过施加电压控制栅极和通道之间的电荷分布,实现放大和开关功能。
三个区域
源极、栅极和漏极,通过电流控制源极和漏极之间的导电通道。
应用
MOSFET被广泛用于各种电子设备中,包括计算机芯片和功率放大器。
JFET的构造和工作原理
1 结构
由P型或N型半导体形成的通道,两个掺杂相对的端部形成控制电流的栅极。
PN结的形成和性质
1 结构
由P型半导体和N型半导体通过扩散形成 的结合层。
3 击穿电压
当施加足够的反向电压时,PN结会被击 穿,允许电流通过。
2 整流作用
PN结具有整流(仅允许电流单向通过) 的特性,可用于二极管。
4 应用
PN结广泛应用于二极管、太阳能电池和 光敏电阻等器件中。
PN结的应用:二极管
2 广泛应用
从计算机和手机到电视和汽车电子,硅晶体管和二极管的应用无处不在。
3 可靠性和效率
硅晶体管和二极管的可靠性和效率使它们成为现代电子技术的基石。
《半导体器件物理》PPT 课件
探索半导体器件物理的精彩世界!本课程将介绍半导体材料及其性质,PN结 的应用,MOSFET和JFET的工作原理,光电子学等内容。
介绍
半导体器件物理是研究半导体材料中电子行为的科学。它包括半导体材料的物理性质、PN结的形成与 应用、MOSFET和JFET的工作原理等内容。
2 电荷调控
通过控制栅极电压来控制通道中电荷的密度,进而改变电流。
3 应用
JFET用于低噪声放大器和开关等应用。
功能区和结构
结构
包括负责控制电流的基极、负 责放大电流的发射极和负责收 集电流的集电极。
半导体器件物理PPT幻灯片共43页
谢谢!
36、自己的鞋子,自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢,但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何,且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
半导体器件物理PPT幻灯片
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律,就难以成功。
3、道德行为训练,不是通过语言影响 ,而是 让儿童 练习良 好道德 行为, 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体,养 成儿童 自觉的 纪律性 ,这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
ห้องสมุดไป่ตู้
40、学而不思则罔,思而不学则殆。——孔子
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21
What causes scattering?
• • • • • Phonon Scattering Ionized Impurity Scattering Neutral Atom/Defect Scattering Carrier-Carrier Scattering Piezoelectric Scattering
7
Law of Mass-Action
8
Carrier Density with Doping
9
Temperature Dependent Concentration
10
R-G for Direct Bandgap
Conserve momentum and Energy
1. Eg = hn
2. Dk = kphoton = 2pn/c
47
High Frequency Response
48
Putting the Terms Together
49
HBT
• The use of a wide bandgap emitter has two benefits:
• The use of a wide bandgap collector has benefits:
cn c p n p o
R
Then net recombination becomes:
pn n
2 i
Normalized R
ET Ei o p n 2ni cosh kT
R is large for ET close to Ei and then drops off rapidly. Traps near mid-gap are much more efficient as recombination centers. 15
No scattering
25
Diffusion
26
Drift v.s Diffusion
x
E2 > E1 E1
x
t
<x> ~ mEt <x2> ~ Dt
t
27
Einstein Relationship
m and D are connected !!
Jn
drift
+ Jn
diff
= qnmnE + qDndn/dx = 0
22
Velocity Saturation in Si/Ge
23
Velocity Overshoot & Inter-valley Transfer
24
Ballistic Transport
Random scattering events (R-G centers)
1 2 3 mvth kT 2 2 vth 107 cm / sec
12
Indirect (Trap-assisted) Recombination
Phonons
Phonons
Energy space
Real space
Nonradiative Recombination (Ge, Si FETs, solar cells ) 13
Steady State Recombination Rate R
(ET-Ei)/kT
Auger Recombination
Phonon(heat)
Phonon
X Energy space X
Real space
III-Vs, highly doped samples (Opposite process is impact ionization)
16
Impact Ionization
compositionally graded bases elimination of band spikes
50
MOS
51
Exact Solution…
52
Small Signal Equivalent Circuit
On the order of kHz
53
Small Signal Equivalent Circuit
46
BJT Design
• While basic transistor operation is simple, its optimum design is not • In general, good transistor gain requires that the emitter doping be larger than base doping, which in turn should be larger than collector doping • Base doping low: current crowding, early effect • Collector doping low: kirk effect (base push out) • Emitter Doping high: gain is reduced
57
Nonideal case
• Flat band voltage • Threshold voltage shift due to trapped charges • Physics of interface traps
58
Grand Challenges in Electronics
59
Thin Film Organic Transistors
Metal
Metal or Semi-Metal
Semiconductor
Insulator
For materials with odd number of electrons per atom, they must be metal. 5
Carrier Distribution
6
Boltzmann vs. Fermi-Dirac Statistics
n(x)= Nce-[EC(x) - EF]/kT = Nce-[EC -EF - qV(x)]/kT
dn/dx = -(qE/kT)n
qnmnE - qDn(qE/kT)n = 0
Dn/mn = kT/q
28
Minority Carrier Diffusion Equations
∂Dnp ∂t ∂2Dnp ∂x2 ∂2Dpn ∂x2 Dnp n
33
Junction Capacitance
34
Dielectric Relaxation Time (Majority Side)
35
Diffusion Capacitance for Minority Carriers
36
Schottky Diode
37
AC Response
38
No Diffusion Capacitance in Schottky Diodes
symmetrical device reduced charge storage in saturation reduced collector offset voltage higher collector breakdown voltage allows heavy base doping allows moderate emitter doping
= Eg/ħc Eg ~ 1.2 eV Dk ~ 6/mm << BZ = 2p/a [Å ] Optical transitions almost vertical !!
11
Indirect Bandgap
Since photons make vertical transitions, they won’t conserve momentum for indirect band-gaps (Si, Ge)
39
Schottky contacts
40
Ohmic Contact
41
Ohmic Contact vs. Schottky Contacts
42
BJT
43
Gummel Plot and Output Characteristics
44
Current Gain
45
How to Make a Good Silicong events (R-G centers)
The field gives a net drift superposed on top
1 2 3 mvth kT 2 2 vth 107 cm / sec
105 cm(100nm) c 1012 sec(THz )
• Bandgap engineering has potential benefits: • HBTs have the potential for THz cutoff frequencies. However, it has yield issues and heating and contact R problems.
The field gives a net drift superposed on top
Ballistic Transport happens when the total travel distance is smaller than the mean free path
105 cm(100nm) c 1012 sec(THz )
14
Steady State Recombination Rate R
To get more of a physical feel for how R depends on ET it’s useful to make the assumption that electron and hole capture cross sections are equal:
What causes scattering?
• • • • • Phonon Scattering Ionized Impurity Scattering Neutral Atom/Defect Scattering Carrier-Carrier Scattering Piezoelectric Scattering
7
Law of Mass-Action
8
Carrier Density with Doping
9
Temperature Dependent Concentration
10
R-G for Direct Bandgap
Conserve momentum and Energy
1. Eg = hn
2. Dk = kphoton = 2pn/c
47
High Frequency Response
48
Putting the Terms Together
49
HBT
• The use of a wide bandgap emitter has two benefits:
• The use of a wide bandgap collector has benefits:
cn c p n p o
R
Then net recombination becomes:
pn n
2 i
Normalized R
ET Ei o p n 2ni cosh kT
R is large for ET close to Ei and then drops off rapidly. Traps near mid-gap are much more efficient as recombination centers. 15
No scattering
25
Diffusion
26
Drift v.s Diffusion
x
E2 > E1 E1
x
t
<x> ~ mEt <x2> ~ Dt
t
27
Einstein Relationship
m and D are connected !!
Jn
drift
+ Jn
diff
= qnmnE + qDndn/dx = 0
22
Velocity Saturation in Si/Ge
23
Velocity Overshoot & Inter-valley Transfer
24
Ballistic Transport
Random scattering events (R-G centers)
1 2 3 mvth kT 2 2 vth 107 cm / sec
12
Indirect (Trap-assisted) Recombination
Phonons
Phonons
Energy space
Real space
Nonradiative Recombination (Ge, Si FETs, solar cells ) 13
Steady State Recombination Rate R
(ET-Ei)/kT
Auger Recombination
Phonon(heat)
Phonon
X Energy space X
Real space
III-Vs, highly doped samples (Opposite process is impact ionization)
16
Impact Ionization
compositionally graded bases elimination of band spikes
50
MOS
51
Exact Solution…
52
Small Signal Equivalent Circuit
On the order of kHz
53
Small Signal Equivalent Circuit
46
BJT Design
• While basic transistor operation is simple, its optimum design is not • In general, good transistor gain requires that the emitter doping be larger than base doping, which in turn should be larger than collector doping • Base doping low: current crowding, early effect • Collector doping low: kirk effect (base push out) • Emitter Doping high: gain is reduced
57
Nonideal case
• Flat band voltage • Threshold voltage shift due to trapped charges • Physics of interface traps
58
Grand Challenges in Electronics
59
Thin Film Organic Transistors
Metal
Metal or Semi-Metal
Semiconductor
Insulator
For materials with odd number of electrons per atom, they must be metal. 5
Carrier Distribution
6
Boltzmann vs. Fermi-Dirac Statistics
n(x)= Nce-[EC(x) - EF]/kT = Nce-[EC -EF - qV(x)]/kT
dn/dx = -(qE/kT)n
qnmnE - qDn(qE/kT)n = 0
Dn/mn = kT/q
28
Minority Carrier Diffusion Equations
∂Dnp ∂t ∂2Dnp ∂x2 ∂2Dpn ∂x2 Dnp n
33
Junction Capacitance
34
Dielectric Relaxation Time (Majority Side)
35
Diffusion Capacitance for Minority Carriers
36
Schottky Diode
37
AC Response
38
No Diffusion Capacitance in Schottky Diodes
symmetrical device reduced charge storage in saturation reduced collector offset voltage higher collector breakdown voltage allows heavy base doping allows moderate emitter doping
= Eg/ħc Eg ~ 1.2 eV Dk ~ 6/mm << BZ = 2p/a [Å ] Optical transitions almost vertical !!
11
Indirect Bandgap
Since photons make vertical transitions, they won’t conserve momentum for indirect band-gaps (Si, Ge)
39
Schottky contacts
40
Ohmic Contact
41
Ohmic Contact vs. Schottky Contacts
42
BJT
43
Gummel Plot and Output Characteristics
44
Current Gain
45
How to Make a Good Silicong events (R-G centers)
The field gives a net drift superposed on top
1 2 3 mvth kT 2 2 vth 107 cm / sec
105 cm(100nm) c 1012 sec(THz )
• Bandgap engineering has potential benefits: • HBTs have the potential for THz cutoff frequencies. However, it has yield issues and heating and contact R problems.
The field gives a net drift superposed on top
Ballistic Transport happens when the total travel distance is smaller than the mean free path
105 cm(100nm) c 1012 sec(THz )
14
Steady State Recombination Rate R
To get more of a physical feel for how R depends on ET it’s useful to make the assumption that electron and hole capture cross sections are equal: