半导体器件物理233页

四面体结构
传导电子与空穴
N 型硅 P 型硅
1、导带、价带、禁带、费米能级
图2.15
金属、半导体、绝缘体
能级与能带

硅原子能级
孤立原子聚集形成金刚石晶格晶 体的能带形成图
三种材料的能带表示图：两种可 能性的导体，半导体，绝缘体
2、束缚态与激发态（本征统计分布态密 度，杂质统计分布态密度）
• D)金属-氧化层-半导体（metal-oxidesemiconductor，MOS）结构
First Transistor on Ge (贝尔实验室)
First MOS Transistor (贝尔实验室)
Floating Gate Transistor
(nonvolatile semiconductor memory device)
边界条件
2、电流方程
3、电容计算
4、小信号电导
一、平衡pn结
1、能带结构 自建势qVbi
jn nn
E F n E nn F 0 x x
jp pp
EF p x
pp
EF 0 x
dE F 0 dx
费米能级平直
两边载流子 浓度不同
扩散
漂移
自建场
平衡时 扩散＝ 漂移
对两-谷半导体而言，各种电场情形下电子的分布情形
两-谷半导体的一个可能的速度-电场特征
雪崩过程的能带图
对硅晶及 砷化镓所 测量的电 离率与电 场倒数的 关系
问题1、哪几种产生、复合机制，以硅PN结 为例，说明产生、复合何时作用 问题2、半导体中载流子有哪几种输运机制
问题3、迁移率用来表征那种输运？受哪几 种散射机制的影响？
如何提高开关速度？
五、击穿（击穿电压与浓度、温度、尺寸）
隧道击穿：高电场（高掺杂短路径） 雪崩击穿：
六、异质结
耗尽区
(a)突变结
(b) 线性缓变结
突变结
(a) 在热平衡时，空间电荷 在耗尽区的分布
(b) 电场分布。阴影面积为 内建电势
单边突变结
(a) 在热平衡时，单边突变结 （其中 NA >> ND）。 (b) 空间电荷分布。 (c) 电场分布。 (d) 随距离改变的电势分布，其 中 Vbi 为内建电势。
第四、五章导言
器件研究与工程
原理、结构
静态电场分布、电荷存储
特性曲线、基本特性参数
I－V曲线 特征量及其变化规律
注意：exp(qV/kT)
基本规律：泊松方程 ＋ 输运方程
静态电场分布与 存储电荷密度 经典：扩散（梯度）、漂移（迁移率） 强电场：饱和速度和电场 量子：隧穿几率
直流（准静态）传导：I＝Q v Q：bulk density 小信号(～): I=△Q v 高频： Q / Q：area density
F ( E ) 1 exp(E EF ) （E EF ) 3kT
空穴公式（10）：EF－E 公式13（a） 施主和受主
2mn kT 3 / 2 Nc 12( ) 2 h
非本征半导体的施主离子,受主 离子
不同杂 质在硅 及砷化 镓中所 测得的 电离能
费米能级EF及本征费米能级Ei
稳态下载流子从一端注入： (a) 半无限样品，(b) 厚度为W的样品
在x = 0处的表面复合。表面附近少数载流 子的分布受到表面复合速度的影响
海恩-肖克莱实验7。(a) 实验装置，(b) 无施加电场下的载流子分布，(c) 施加电场下的载流子分布。
三、输运机制
经典（弱电场）输运机制 量子输运（热电子、多能谷散射、隧穿） 强电场输运（临界电场、多能谷散射、碰撞电离）
三个平面： n型，p型 （ 111），（100），（110）
例3 *图2.6要记住 习题1(b) 习题5
6、从矿石到单晶的制备 7、习题4 C 习题提示： D O A OA＋OB＋OC＋OD＝0 B
柴可 拉斯 基拉 晶仪
二、能带结构· 态密度· 费米统计
1、导带、价带、禁带、费米能级 2、束缚态与激发态（本征统计分布态密度、 杂质统计分布态密度） 3、直接禁带与间接禁带半导体 4、简并 5、能态密度、费米能级、载流子浓度计算， 与掺杂浓度、温度的关系 实际测量
Diamond Structure
3、周期势场的形成： a. 原胞的无限周期排列 b. 电子在能量动量空间的平衡位置 c. 缺陷、表面势
ky kx kz E 2m x 2m y 2m z
2 2
2
2
2
2
自由电子的能量(E)与动量(p)的抛物曲线图
mn=0.25m0 mp=m0
通过光子测量确定禁带宽度Eg
Nc, Nv是有效态密度
wenku.baidu.com
费米分布表征了载流子在E空间的填充水平
n ni exp(q / kT )
ni N c N v exp( Eg / kT )
2
轻掺杂引入分立能级，重掺杂引入了“额外”带隙
第三章 载流子输运
一、电荷控制的概念，测量量（电阻率、迁移 率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子 二、注入、产生与复合（不同能量模型分类）： 内外部机制，哪种条件有利于哪种机制
温度及杂 质浓度为 函数的硅 及砷化镓 费米能级
施主浓度为 1015 cm-3的 硅样品的电 子浓度
质量作用定律
N型半导体：公式24
P型半导体：公式26
Ec和ED计算：公式25
假设完全电离：公式30 泊松方程应用于PN结空间电荷区 重掺杂，能带变窄：公式37
第二章总结：
物质结构决定了能带结构
V
0
SiO2 Si Si
满足的能量关系不同
(a) 隔离n型半导体的能带图。 (b) 热电子发射过程。
(a) 距离为d的两个隔离半导体的能带图。(b) 一 维势垒。(c) 波函数穿越势垒的图示法。
硅单晶中漂移速度对电场的变化情形
硅单晶及砷化镓中漂移速度对电场的变化情形。注意 对n型砷化镓而言，有一个区域为负的微分迁移率
二、注入、产生与复合 光注入：载流子寿命的测量
几种产生与复合机制：
具有不同的能量动量要求
直接复合、产生，间接复合、产生 表面复合，俄歇复合
具有不同的载流子数量关系
产生复合电流 公式43，46，47 与公式49，50相比较
间接复合引入了复合截面的概 念，表达了缺陷能级得电子的 能力。 载流子寿命和扩散长度
Vbi取决于 结两边的掺杂浓度， 与材料特性相关
迁移率随温度，掺杂的变化
硅与砷化镓:迁移率及扩散系数随杂质浓度的变化
一个n型半导体中的传导过程:
(a) 热平衡时 (b) 偏压情形下
截面积为Ａ，长为Ｌ，在此均匀掺杂的半导体 棒中电流的传导
四探针法测电阻
硅及砷化镓：电阻率随杂质浓度的变化
利用霍耳效应测量载流子浓度的基本装置
电子浓度对距离的变化情形，Ｌ平均自由程
半导体能 量动能图
4、晶格常数
例1：最短距离 ——> 两球紧密接触 习题1(a), 习题3 例2， 习题6(a)
5、密勒指数· 晶面指数： 空间解析几何描述（平面）： lx + my + nz + p = 0 x/a+ y/b + z/c = d
Equivalent Planes in Cubic
半导体器件物理
电子信息学院 王明湘 王子欧 2006年6月
第一章 绪论
• 1.学习器件物理的意义 • 2.本课程的基本内容 • 3.学习器件物理的基本方法
本课程的基本内容
• • • • • • • CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 课程简介 热平衡时的能带及载流子浓度 载流子输运现象 PN结 双极型晶体管及其相关器件 MOSFET及其相关器件 金-半接触及MESFET
W为p-型轻掺杂 (π)或n-型轻掺 杂(ν)的厚度
(a) 平面扩散工艺在接近 扩散阻挡层边缘所形成的 结曲面，rj 为曲率半径。 (b) 圆柱和球形区域通过 长方形阻挡层扩散形成
异质结 (a)两个分离半导 体的能带图 (b)在热平衡下， 理想 n-p 异质结 的能带图
PN结二极管计算：
1、泊松方程（电场电势分布）： 偏压近似、耗尽近似
(a) 正向偏压。 (b) 反向偏压。
此图显示理想电流。 对于实际器件，电 流在耗尽区并非定 值。
典型p-n 结电流-电压特性
P＋
N
I
V
1、大注入，小电流 2、串联电阻
串联电阻
3、双载流子导电
4、长/短二极管
小电流 大注入
0.7V V
p-n 结的小信号等效电路
注意：静态工作点
p-n 结的暂态响应 (a) 基本开关电路 (b) 由正向偏压转至反向偏压时的电流暂态 响应
2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构 两种分类的意义：固体微观性质，工艺 两种坐标：空间仿射坐标，空间直角坐标
Insulator Semiconductor & Conductor
Semiconductors
2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构
图2.11 a
Example 1: Cubic bcc & fcc
Technology Drivers
第二章 物质结构· 能带结构的形成和 描述· 统计描述
一、基本物质结构 1、物质结构划分 2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构 3、周期势场的形成： 4、晶格常数 5、密勒指数· 晶面指数： 6、从矿石到单晶的生长
1、固体材料结构划分 晶体：长程有序 短程有序 多晶： 非晶：长程无序短程有序
电子-空穴对的直接产生与复合： (a) 热平衡时， (b) 光照下
光激发载流子的衰减情形。(a) n型样品在恒定光 照下，(b) 少数载流子（空穴）随时间的衰减情 形，(c) 测量少数载流子寿命的图示装置。
在热平衡下间接产生-复合过程
干净半导体表面上键
俄歇复合
厚度为dx的无限小薄片中的电流及产生-复合过程
在结击穿条件下的能带图
(a)隧道效应。 (b) 雪崩倍增
硅和砷化镓单边突变结的击穿临界 电场和背景杂质的关系
硅和砷化镓结，在单边突变结雪崩击穿电 压和杂质浓度的关系，及在线性缓变结雪 崩击穿电压和杂质梯度的关系。
段-点线 代表隧 穿机制 发生起 始点
扩散结的击穿电压 插图表示空间电荷分布
p+-π-n+和p+-ν-n+的击穿电压
工程原理
高阻
数字功能基本原理
低阻
放大基本原理
R 恒流源
第四章
一、热平衡
PN结
1、空间电荷区的形成与内建电势、电荷分布
2、突变结与缓变结的电场、电势、电荷分布 二、准静态电流电压特性 1、理想特性
2、大注入、串联电阻、（双载流子导电）
3、产生复合
三、势垒电容与扩散电容 四、暂态响应
电荷控制：
J＝Q /
Importance of Semiconductor Industry
4 Building Blocks
• A)金-半接触（metal-semiconductor contact）： 整流接触（rectifying contact） 欧姆接触（Ohmic contact）
• B)PN结（P-N junction） • C)异质结 （hetero-junction interface）
单边突变结
(a) 热平衡情况下。 (b) 正向偏压情况下。 (c) 反向偏压情况下
热平衡时的线性缓变结
(a) 杂质浓度分布。
(b) 电场分布。
(c) 电势分布。
(d) 能带图。
超突变结、单边突变结和单边线性 缓变结的杂质分布
耗尽区、 能带图、 载流子分 布
(a) 正向偏压
(b) 反向偏压
注入的少数载 流子分布和电 子空穴电流
三、经典（弱电场）输运机制，强电场输运， 量子输运
一、电荷控制的概念
测量量（迁移率、电阻率、浓度、寿命）， 平衡与非平衡载流子
J d＝q nv
连续性方程
J s q D dn / dx
1 n / t J / x (Gn Rn ) q p / t ?
注意Jn与Jp中漂移和扩散电流的方向 J Jn J p
n ni e
q ( f ) / kT
q ( f ) / kT
p ni e
自建势
kT nN pP Vbi Eip Ein ln 2 q ni
ni N c N v
1/ 2
Eg exp 2k T
3、直接禁带与间接禁带半导体 4、简并
硅及砷化镓的能带结构
费米分布函数F(E)对(E-EF)图
5、本征半导体能态密度、费米能级、载流子 浓度计算·
(a)能带图 (b)状态密度 (c)费米分布函数 (d)载流子浓度
本征载流子浓度对 温度的依赖关系
硅及砷化镓 中本征载流 子浓度
公式11a 公式11b