半导体材料的基本特性参数课件

电阻率与击穿电压的关系
雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的 电阻率关系
U B mρn
其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略 有些变化。
第三节 少数载流子寿命
▪ 载流子寿命的概念 ▪ 少数载流子寿命与器件特性 ▪ 载流子的复合及复合寿命
▪ 载流子寿命的概念
是半导体从载流子密度不平衡状态恢复到热平衡状态的弛豫 过程所需时间的量度。
▪ 更强的电场下，以光学声子交换能量时：
vsat
hv0 m*
其中m*
h/
d2E dk 2
▪ 速度饱和效应的物理解释：
当电场足够强时，电子在单位时间内能量高， 和晶格进行能量交换时发射光学声子，这样载流 子能量因发射声子而使其漂移速度趋于饱和。
▪ 负微分迁移效应
由于电子的不等价能谷间转移形成的。热电子 有主能谷跃迁到能量较高的自能谷，子能谷的迁 移率较低，如果迁移电子数量较多，平均的漂移 速度会降低。
EV EF KT
载流子来源
▪ 本征载流子：
是指把价带中的一个电子激发到导带，同时产生 一个电子和一个空穴 本征激发主要有热激发和光激发
▪ 掺杂载流子：
在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质原子。
n型掺杂和p型掺杂； ▪ 注入载流子：光注入和电注入；
禁带窄化
▪ 本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁带之间 界限清晰；
材料电阻率与器件击穿电压
▪ 功率器件的击穿电压主要决定于本底材料 电阻率。
▪ 功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结 的雪崩击穿。
器件击穿
▪ 雪崩击穿： ▪ 条件：
高电压击穿； 足够高U和适当的WK
▪ 器件穿通
若pn结轻参杂层设计的不够宽，以至雪崩击穿尚 未发生而空间电荷区已扩展到与电极相接，则器 件先于击穿的发生而失去阻断能力。这种现象称 为穿通
一般情况下额外载流子的注入和抽取对少数载流子的密度影 响很大，热平衡的恢复主要是少数载流子热平衡的恢复， 所以τ总被称作少数载流子寿命。
速度饱和效应 负微分迁移率现象
▪ 迁移率与外场的关系
μμ0[
1 2
1 2
1 3
μ (0
E
)2 ]1/ 2
8u
μ0为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，μ为热
电子的迁移率，u为格波传播的速度，
漂移速度的表示
▪ 弱电场下：Vd=uE ▪ 强电场下，以声学声子交换能量时：
Vd 32 / 3 1/4 u0u E
半导体材料的基本特性参数
基本特性参数
▪ 禁带宽度Eg ▪ 临界雪崩击穿电场强
度Et ▪ 介电常数ε ▪ 载流子饱和速度Vs
▪ 载流子迁移率μ ▪ 载流子密度n(p) ▪ 少数载流子寿命τ
第一节 迁移率
▪ 迁移率的定义 ▪ 载流子迁移率与器件特性 ▪ 载流子迁移率的影响因素
载流子迁移率的定义
▪ 载流子迁移率μ:
▪ 表面散射及表面迁移率
表面散射：各种与表面相关联的因素对载流子迁移 率的附加影响；
越靠近表面，影响越大，对电子影响大于空穴；
第二节 载流子密度和电阻率
▪ 材料电阻率和器件特性 ▪ 载流子数量统计和来源 ▪ 载流子密度的决定因素 ▪ 禁带窄化
第二节 载流子密度和电阻率
1
nqu
由上式可知，ρ与掺杂浓度密切相关，可作为半导体 纯度的反映；
载流子统计
n N e
EC EF KT
0
C
p N e
EF EV KT
0
V
其中：NC
2
2
mn kT h3
3/ 2
T 3/2
NV 2
2 mp kT
h3
3/ 2
T 3/2
mn、m
为态密度有效质量。
p
简并半导体的载流子密度统计
n0
2
NC F1/2
EF EC KT
p0
2
NV F1/2
▪ ▪ 重掺杂（杂质原子百分比≥1/1000）时，会出现
禁带窄化效应；
▪ 杂质原子近距减小，相互作用增强，能带出现杂 化，能级分裂成能带；
问题讨论
ρ=
1
q(nun pup )
D KT uq
爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流 子的扩散
载流子饱和速度公式
vsat
hv0 m*
其中m*
h
/
d2E dk 2
载流子迁移率大小的影响因素
▪ 散射对载流子的迁移率具有重要影响
主要的散射机构有：晶格振动散射、电离 杂质散射、载流子之间的散射等体材料中 载流子散射以及表面散射
▪ 晶格振动的散射
用电子和声子相互作用来描述。 在轻参杂时，占主导地位。 载流子被晶格散射过程，可以是吸收或发射 声学声子，也可以是吸收或发射光学声子。
j q( pn0 DP /τp np0 Dn /τn )(equ/kt 1)
▪ 载流子迁移率与扩散系数的关系
爱因斯坦关系
D KT
u
q
在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定
▪ 载流子迁移率与器件的工作频率
双极晶体管频率响应特性最重要的限制， 是少数载流子渡越基区的时间
τ Wb2
B
2 DP
▪ 电离杂质的散射
半导体的杂质，电离后以静电力对运动于附近的电 子和空穴产生散射作用。低温重掺杂时起主要作用
完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大小时，迁 移率与温度和电离杂质的浓度呈下列关系
uI Ni1T 1.5
▪ 载流子之间的散射
载流子对载流子的散射是运动着的多个电荷环绕其公 共质心的相互散射。
uLn, p u0n, p (T / 300)αn,p
▪ 两个常用的经验公式
电子迁移率：
wk.baidu.comuLn
[
(T
/ 300)1.5 4195
(T
/ 300)3.13 2153
]1(cm2
/
(V
.S
))
空穴迁移率：
uLp
[
(T
/ 300)1.5 2502
(T
/
300)3.25 591
]1(cm2
/
(V
.S
))
相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小。
相反极性的载流子之间的散射可以使双方动量的弛豫， 使迁移率下降。
只考虑载流子散射作用的载流子迁移率：
ucc
1.428*1020 np. ln[1 4.54*1011(np)1/3]
▪ 强电场作用下的载流子散射
弱电场下，μ为常数； 强电场下，μ随电场增加而减小 强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律， 主要有两种表现：
自由载流子在单位电场作用下的平均 漂移速度。
弱电场下，μ为常数； 强电场下，μ随电场增加而减小
载流子迁移率与器件特性
▪ 载流子迁移率μ是决定半导体材料电阻率
ρ大小的两个重要参数之一。
ρ=
1
q(nun pu p )
▪ 电流承受能力和载流子迁移率有关
双极器件pn 结二极管为例，在外加电压U 作用下，电流密度j满足肖克莱方程