半导体物理与器件

半导体物理与器件课程总结

吕游微电子与固体电子学201212171909 2012-2013学年第二学期，在尊敬的李常青老师的指导下学习了《半导体物理与器件》这门课程，我们按照章节划分，有侧重点的进行了个人重点学习并且在课堂上进行讲解演示，可谓受益匪浅。在以下的部分我将对这学期的课程学习做出总结。

首先，在第一部分，我针对《半导体物理与器件》课程做一个总体的概述，谈谈学习完本书后我的个人所得与感想。《半导体物理与器件》一书是一本有关半导体物理器件理论的入门书籍，它不但包含了诸多半导体器件的特性、工作原理以及局限性的理论基础知识，还附带了很多图示和生动的例子，对于一个半导体初学者来说大有帮助。

本书从基础物理讲起，而后转至半导体材料物理，最后讨论半导体器件物理。第1章先从固体的晶体结构开始，然后过渡到理想单晶体材料。第2章和第3章介绍了量子力学和固体物理，这些都是必须掌握的基础物理知识。第4章到第6章覆盖了半导体材料物理知识。其中，第4章讨论了热平衡半导体物理；第5章讨论了半导体内部的载流子输运现象；第6章主要介绍非平衡过剩载流子。理解半导体的过剩载流子行为对于理解器件物理是至关重要的。第7章到第13章对基本半导体器件物理进行了详细的描述。第7章主要讨论pn结电子学；第8章讨论pn结电流-电压特性；第9章讨论整流及非整流金属半导体结和半导体异质结；第10章探讨双极型晶体管。第11章、第12章阐述了MOS场效应管理论；第13章则阐述了结型场效应管。以上便是这本书的简要内容，这些章节之间既有联系又是相互独立的。

从这一部分开始，我将对本人重点学习的章节-第11章MOS场效应晶体管基础-做一个详细的讲解。这一章中，我所重点研究的内容是前两节，金属-氧化物-半导体场效应管的物理基础，这部分内容与前面的知识关联不太大，只依赖与半导体材料的性质和pn结的特性。所以，即使你是以前并没有接触过半导体知识的初学者，只要用心学习，也是不难理解的。

MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的简称。我们知道，MOSFET是当今集成电路设计的核心，可见学习MOSFET的重要性。其中，MOSFET的核心部分是一个称为MOS电容的金属-氧化物-半导体的结构。在本章中，我们首先阐述各种类型的MOSFET，并定性的讨论其电流-电压特性；然后将详细分析这种特性的理论来源以及数学推导过程；此外还将讨论MOSFET的频率特性。

11.1MOS电容

MOS结构的物理性质可以借助比较容易理解的平行板电容器加以说明。下图是MOS电容的结构。其中d是氧化层的厚度，金属栅极的材料是Al，氧化层的材料是

二氧化硅，衬底是晶体硅。

通常情况下，Si基板接地，对于p

型衬底的MOS管，当金属栅极加上正电

压时，称为正偏；而金属栅极加上负电

压时称为反偏。当上面的金属栅被施加

一个负电压，负电荷出现在上面的金属

板上，半导体内产生一个电场，多为多

子的空穴被推向半导体-氧化物表面，形

成空穴堆积层。如果施加的极间电压正向，则正电荷出现在金属表面，从而在其方向上产生一个电场，作为多子的空穴会被推离氧化物-半导体表面，于是被离化了的受主原子在表面形成负的电荷区。其电荷分布情况如下图所示：

理想二极管的能带图

正常情况下，即不加外电压时，

理想MOS 二极管的能带图是一条直

线。当加上外删压时，能带发生弯曲，

根据所加电压方向与大小的不同可分

为三种情况：积累、耗尽、反型。

1、积累。对于P 型半导体，金属加负电压，即反偏，二氧化硅与硅晶体表面产生超量空穴，半导体能带向上弯曲。

2、耗尽。当金属栅极加正向电压且较小时，半导体表面的能带向下弯曲；当E F =E fi ,表面的多子耗尽；半导体中单位面积的电荷Q sc =QN A W,W=表面耗尽层宽度。正偏压继续增大，能带继续向下弯曲，当表面处的E F -E fi 关系为：

exp(F i p i E E n n kT

−=3、反型。如下图所示：当E F -E fi 大于0时，半导体表面的电子浓度大于Ni,而空穴浓度则小于Ni ，即表面电子数大于空穴，表面载流子呈现反型特性

。

耗尽层厚度

我们在前面已经讨论了加上外置电压，半导体内部呈现的3种状态。这里我们通过计算求出氧化物-半导体界面处空间电荷区的宽度。

下图所示为MOS 电容在外加正向偏压时，表面处P 型半导体的能带图。若设衬底的静电势为0，则半导体的表面势ψ=ψs(半导体内部与表面的势垒高度)。由图可知，Ψfp =(E f -E fi )/q;我们知道，电势Ψ是距离x 的函数，由一维波松方程：

22()d dE x dx dx ϕρε

=−=−积分可以得到表面耗尽区的电势分布：2(1s x W

ψψ=

−

当ψs=ψfp时，表面处E f=E fi,表面开始反型；当表面电子浓度n p=N A(衬底掺杂浓度)时，由衬底掺杂浓度的公式可知，当ψs=2ψfp的条件为阈值反型点；这个时候耗尽区的宽度达到最大，最大宽度为x dt。

功函数差

前面我们已经讨论了半导体材料的能带图。这里，金属、二氧化硅以及硅在真空条件下，我们选择氧化物作为参考而非真空。所以定义φm’为修正金属功函数（金属向氧化物导体注入一个电子所需的最小势能），同样地，χ’为修正电子亲和力。由于功函数的作用，达到热平衡时，费米能级为常数，为了保持真空能级的连续性，在表面处的半导体能级向下弯曲。所以，热平衡时，半导体的表面处产生负电荷，而金属表面为正电荷。下图是处于热平衡条件下的MOS能带图：

通过计算，最终我们得到金属-半导体的功函数差为：

φms=Vox0+φs0=-[φm’-(χ’+Eg/(2e)+φfp)]。

平带电压

平带电压定义为使半导体内部没有能带弯曲的情况下所加的电压，此时的静空间电荷为零。在之前的讨论中，我们隐含假定在氧化物中不存在静电荷，即电荷密度为零，实际中在MOS二极管内部和界面处受到陷阱电荷的影响，我们在计算平带电压的时候不可忽略这一部分因素的影响。