1、半導(dǎo)體器件概論（第一部分）半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件原理重點名詞解釋；概念理解；器件工作原理的定性描述；少量重要公式。第一講半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為1、電子的能量狀態(tài)；、電子按能量狀態(tài)的分布；、電子的導(dǎo)電行為。 半導(dǎo)體單晶體的導(dǎo)電能力取決于導(dǎo)電粒子的多少以及單位電場作用下該粒子的運功速度。半導(dǎo)體中處在不同的能量狀態(tài)電子，其在單位電場作用下的運功速度是不一樣的。所以我們必須知道導(dǎo)電的粒子有多少、他們分別處在什么狀態(tài)、不同狀態(tài)下單位電場作用下電子的運功速度是由哪些因素決定的。自由電子的粒子性和波性h是普朗克常數(shù)k稱為波矢，是一個矢量，代表波傳播的方向。E是電子能量粒子性波性動量（粒子性描述） ：波矢和普朗克常

2、數(shù)積（波性描述）：前面的一組公式給出了一個自由電子的波性和粒子性之間的關(guān)系。其中電子的質(zhì)量可以從電子的能量和波矢的關(guān)系求出特別和闡述半導(dǎo)體中的電子行為有關(guān)。孤立原子中電子的運動狀態(tài)E1E2E3E1E2E3孤立原子中電子被束縛在原子周圍的特定軌道上，其分布在一系列分立的能量狀態(tài)上。、單晶體中電子的能量狀態(tài)軌道交疊模型（能帶的形成）當(dāng)空間周期性排列的原子間距縮小，使原子的價電子軌道發(fā)生交疊時會出現(xiàn)價電子的共有化運動，孤立原子時的一個軌道就會變成有N個（相當(dāng)于樣品中N個原子）能級組成的共有化能帶。E=0V1/r共有化運動能帶自由電子能量能級轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒в闪孔恿W(xué)計算，當(dāng)原子之間距離逐步接近時，原子周圍

3、電子的能級逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒?，下圖是金剛石結(jié)構(gòu)能級向能帶演變的示意圖。1、圖中a是晶體中原子間距離；2、N是金剛石單晶體樣品中的原子數(shù)；3、斜線區(qū)域是電子允許存在的能量范圍；4、實際金剛石原子間距離是a，Eg是不允許電子存在的區(qū)域稱為禁帶，而上面的斜線區(qū)域是沒有電子的導(dǎo)帶，其中有4N個允許電子存在的能量狀態(tài) ，下面也有4N個允許電子存在的能量狀態(tài)，是價電子填滿的價帶；5、樣品越大，樣品中的原子就越多，狀態(tài)數(shù)就越多，狀態(tài)之間的能量間隔也就越小。2p2s 對金剛石結(jié)構(gòu)，當(dāng)原子逐步靠近時，價電子能級向能帶轉(zhuǎn)變。導(dǎo)帶、禁帶和價帶一維矩形勢阱中電子的能帶圖價帶：禁帶下面，價電子所處的能量狀態(tài)；導(dǎo)帶：價帶上面

4、（電子能量比價帶高的能帶）的能帶；禁帶：夾在中間不允許電子存在的能量范圍。原子有多少允許電子存在的殼層，組成晶體后就有多少允許電子存在的能帶。通?？赡軐Π雽?dǎo)體單晶電導(dǎo)有貢獻(xiàn)的只是價帶和導(dǎo)帶中的電子，而內(nèi)層能帶中的電子由于被原子核束縛很緊，不可能參與共有化運動，對傳導(dǎo)電流沒有貢獻(xiàn)。禁帶簡單的一維勢阱的能帶示意圖最簡單的一維矩形勢阱中電子的能帶圖（E-k圖）.絕緣體、半導(dǎo)體、金屬和半金屬能帶的示意圖（上圖只表示狀態(tài)按能量分布，下圖為E-k示意圖，斜線區(qū)域是被電子填充的區(qū)域）。禁帶單晶體中電子的速度和有效質(zhì)量該半導(dǎo)體中電子的速度和有效質(zhì)量可以從E、k關(guān)系求得。簡單情況和自由電子相類似。實際單晶體是各

5、向異性的，能帶結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有效質(zhì)量的倒數(shù)是一個張量。采用單電子近似求解半導(dǎo)體的多體Schrdinger方程可以得到該半導(dǎo)體的E、k關(guān)系。一維矩形勢場單晶體中共有化電子的能量、速度和有效質(zhì)量與波矢的關(guān)系示意圖E-kE-kv-km*-km*k電場作用下晶體中電子的運動單晶體中電子的E-k關(guān)系是周期性的，所以只需要討論一個周期內(nèi)，即第一布里淵區(qū)的情況。通常能帶頂部和底部E-k關(guān)系接近二次曲線，有效質(zhì)量接近常數(shù)，頂部為負(fù)底部為正。允許帶中電子允許占有的能量狀態(tài)也是分立的，由于能量差很小可以看作準(zhǔn)連續(xù)。在外電場作用下電子狀態(tài)在k空間作勻速運動：充滿電子的能帶不能傳導(dǎo)電流從上面的示意圖可以看出：被電子填

6、滿的能帶中，電子的速度分布是正負(fù)對稱的，也就是說正負(fù)互相抵消的。即便有外電場，每一個電子的狀態(tài)會不斷變化，但是速度分布不會改變，所以凈電流始終為零?？昭ǖ挠蓙戆雽?dǎo)體的結(jié)晶狀態(tài)晶體有：單晶、多晶和非晶；單晶：整塊晶體中晶格按同一個周期性排列；（例如：用于晶體管和集成電路)多晶：整塊晶體由幾個或許多小的單晶體組成；（例如：用于民用太陽電池) 非晶體：整塊晶體中晶格呈現(xiàn)無序排列； （例如：用于計算器和手表的太陽電池)本課程只講單晶半導(dǎo)體。單晶半導(dǎo)體單晶：原子在空間按一定的規(guī)律周期性排列，各向異性。金剛石、硅、砷化鎵等大部分半導(dǎo)體是兩個面心立方晶格的套移。后者兩個格子分別是由異種原子組成。單晶體能帶呈

7、現(xiàn)各向異性。面心立方金剛石、鍺、硅砷化鎵硅能帶各向異性硅和砷化鎵的能帶1、由簡單勢能模型解出能帶圖的重要結(jié)果仍然有效：共有化電子的能量狀態(tài)有價帶、禁帶、導(dǎo)帶；價帶頂和導(dǎo)帶底有效質(zhì)量接近常數(shù)，前者為負(fù)后者為正；充滿電子的能帶，其中電子狀態(tài)變化不會引起速度分布變化，正負(fù)電流總貢獻(xiàn)為零。2、和簡單模型結(jié)果的差別：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、三維、各向異性。施主和受主能級（局域狀態(tài)）淺施主能級：電子受到能量激發(fā)從施主能級發(fā)射到導(dǎo)帶（硅中的磷、砷、銻）淺受主能級：電子從價帶激發(fā)到受主能級，在價帶出現(xiàn)空穴（硅中的硼、鋁、鎵、銦）電離能：雜質(zhì)補(bǔ)償和深能級（局域狀態(tài)）雜質(zhì)補(bǔ)償（施主釋放的電子填充受主能級后多余的部分才能激發(fā)到導(dǎo)

8、帶）。圖中有不準(zhǔn)確的地方必須注意：施主能級上的電子和受主空狀態(tài)處在晶體的不同區(qū)域，所以電子在兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移一定要經(jīng)過共有化狀態(tài)。請按此從新畫圖。距離導(dǎo)帶底和價帶頂比較遠(yuǎn)的能級稱為深能級，例如：圖中所示為鍺中金的深能級。鍺、硅單晶常常會有多重受主能級。局域能級被雜質(zhì)和缺陷束縛的電子是局域電子，它被束縛在某個雜質(zhì)附近的局部區(qū)域。必須給于能量，才能激發(fā)它脫離束縛參與共有化運動。所以它們束縛的電子處于禁帶中間的能級上。能級位置距離導(dǎo)帶或價帶比較近，以至于常溫下就可以幾乎全部被熱激發(fā)的能級叫淺能級，其它叫深能級。淺能級雜質(zhì)通常用于有目的地?fù)饺氚雽?dǎo)體中控制它的導(dǎo)電類型和電阻率。如鍺、硅單晶中的施主雜質(zhì)

9、：磷、砷、銻；受主雜質(zhì)：硼、鋁、鎵、銦。金、鉑金、鐵、銅等雜質(zhì)和晶格缺陷形成的深能級的濃度通常比淺能級雜質(zhì)少很多，它們有顯著的復(fù)合和陷阱效應(yīng)，在濃度高的時候也會有顯著的補(bǔ)償效應(yīng)。絕大多數(shù)情況下是對器件性能不利的有害因素，常常是我們要防范的對象。這也就是我們半導(dǎo)體工藝線對保持高度凈化特別重視的原因之一。金屬、絕緣體和半導(dǎo)體金屬價帶有電子，但是沒有充滿，這些電子可以傳導(dǎo)電流。半導(dǎo)體和絕緣體的價帶狀態(tài)數(shù)和價電子數(shù)相等，絕緣體的禁帶寬度大，而且雜質(zhì)缺陷的能級距離導(dǎo)帶和價帶也比較遠(yuǎn)，電子幾乎全部聚集在價帶，通常熱和光激發(fā)都不足以產(chǎn)生載流子，所以幾乎不存在傳導(dǎo)電流的載流子。半導(dǎo)體半導(dǎo)體有本征半導(dǎo)體和非本征

10、半導(dǎo)體之分。本征半導(dǎo)體：導(dǎo)電行為取決于價帶電子向?qū)щ娂ぐl(fā)的多少。通常禁帶寬度比較小，在所討論環(huán)境下的熱和光激發(fā)就可以把價帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生載流子（電子和空穴），這樣就能傳導(dǎo)電流。這時雜質(zhì)缺陷的影響可以忽略，導(dǎo)電行為取決于半導(dǎo)體本身的特征。非本征半導(dǎo)體：雜質(zhì)或缺陷能級距離導(dǎo)帶和價帶比較近，通常的熱和光激發(fā)就可以把電子從雜質(zhì)或缺陷能級激發(fā)到導(dǎo)帶或把價帶電子激發(fā)到雜質(zhì)或缺陷能級。這樣導(dǎo)帶就有了電子或者價帶就有了空穴，這時就能傳導(dǎo)電流。非本征半導(dǎo)體通常是摻雜半導(dǎo)體，其導(dǎo)電類型和其中的載流子濃度取決于人為摻雜情況，要求本征載流子少，所以禁帶寬度大有好處。也就是說絕緣體如果能夠精確控制其中的淺施

11、主和淺受主濃度就可以成為很好的非本征半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體淺施主雜質(zhì)（例如：對硅單晶，磷、砷、銻等）提供的載流子（電子）占主導(dǎo)地位的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。淺受主雜質(zhì)（例如：對硅單晶，硼、鋁、鎵銦等）提供的載流子（空穴）占主導(dǎo)地位的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。 、電子按能量分布平衡載流子濃度的計算導(dǎo)帶的電子濃度=導(dǎo)帶中某能量狀態(tài)密度(單位體積的狀態(tài)數(shù)）和該狀態(tài)電子的分布幾率的乘積在整個導(dǎo)帶的總和。導(dǎo)帶中某能量E的電子的狀態(tài)密度為費米分布函數(shù)：在熱平衡情況下，考慮到一個量子態(tài)最多只能被一個電子占有時，能量為E的單量子態(tài)被電子占有的幾率為：一個狀態(tài)要么被一個電子占有要么沒有電子占有，所以該狀態(tài)空著

12、的幾率是：費米分布函數(shù)和玻爾茲曼分布函數(shù)處于費米能級相同位置的能量狀態(tài)上，電子占有的幾率是1/2,費米能級表示電子的平均填充水平。玻爾茲曼分布函數(shù)（一個量子態(tài)可以同時被多個電子占有時成立）載流子按能量分布載流子按能量分布=分布幾率和狀態(tài)密度的乘積體積為V的半導(dǎo)體中能量為E的電子的狀態(tài)數(shù)：注意：能帶圖向上電子的能量高，向下空穴的能量高。能量為E的電子的狀態(tài)密度：導(dǎo)帶電子濃度半導(dǎo)體單位體積內(nèi)，導(dǎo)帶所有能量電子的總和為n0，對于非簡并半導(dǎo)體，可以采用玻爾茲曼近似計算： 對于簡并半導(dǎo)體必須采用費米分布函數(shù)計算。顯然非簡并半導(dǎo)體是指載流子濃度遠(yuǎn)小于有效狀態(tài)密度的半導(dǎo)體：電子空穴濃度積按相同的方法可以得到

13、非簡并半導(dǎo)體的空穴濃度：電子和空穴濃度積： 電子和空穴濃度積只和禁帶寬度、電子有效質(zhì)量和空穴有效質(zhì)量等單晶的本征參數(shù)有關(guān)，和摻雜情況無關(guān)：在式 中雖然計算時是導(dǎo)帶所有能量電子的總和，但其結(jié)果在形式上可以看作所有電子集中在導(dǎo)帶底部，前面一項看做是導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度，后面一項是該能量的玻爾茲曼分布函數(shù)。空穴也是如此以上結(jié)果成立的條件上面我們用的是熱平衡態(tài)統(tǒng)計理論，所以只在熱平衡時成立；如果考慮到一個量子態(tài)只能被一個電子占有時就要用費米分布函數(shù)，如果不限定一個量子態(tài)上占有的電子數(shù)就可以用波茲曼分布函數(shù)。顯然當(dāng)電子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于狀態(tài)數(shù)時該限制沒有實際意義，這時兩者可以通用；對于大部分實際半導(dǎo)體的情況可以用

14、玻爾茲曼分布近似。本征載流子濃度 本征半導(dǎo)體是指純凈完美的單晶半導(dǎo)體，導(dǎo)帶電子全部由價帶激發(fā)而來。 所以滿足電中性條件：本征費米能級：由此可得本征載流子濃度：含有單一淺施主低摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度這時電中性條件是：非簡并情況下：前面已經(jīng)求得：由這些關(guān)系式就可以求出任何溫度下的電子和空穴濃度以及費米能級。非簡并單一淺施主雜質(zhì)半導(dǎo)體弱電離區(qū)飽和電離區(qū)本征激發(fā)區(qū)電子空穴濃度積始終滿足N型半導(dǎo)體中熱平衡電子濃度隨溫度變化右邊是單一淺施主低摻雜半導(dǎo)體中熱平衡電子濃度隨溫度變化的示意圖。弱電離區(qū)、飽和電離區(qū)和本征激發(fā)區(qū)的導(dǎo)帶電子主要來源分別是施主逐步電離、施主接近全電離和本征激發(fā)。虛線是本征載流子濃度，只

15、在本征激發(fā)區(qū)才顯示出和電子濃度可比擬的量。飽和電離區(qū)是晶體管和集成電路正常工作的溫度范圍。弱電離區(qū)：溫度比較低，雜質(zhì)能級上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的數(shù)量隨溫度升高而增加；飽和電離區(qū)（強(qiáng)電離區(qū)）：溫度比較高，雜質(zhì)能級上的電子幾乎全部被激發(fā)到導(dǎo)帶，溫度升高將不會顯著增加導(dǎo)帶電子，而此時本征激發(fā)的載流子仍然可以忽略不計；本征激發(fā)區(qū)：本征激發(fā)載流子遠(yuǎn)超過雜質(zhì)電離的貢獻(xiàn)。這時半導(dǎo)體處于本證狀態(tài)，電子濃度和空穴濃度幾乎相等。弱電離區(qū)飽和電離區(qū)本征激發(fā)區(qū)電子、空穴濃度積始終滿足非簡并單一淺受主半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)補(bǔ)償在施主和受主同時存在的情況下，如果施主濃度大于受主濃度，哪么施主能級上的電子首先要填充受主能級，

16、余下的才激發(fā)到導(dǎo)帶，這就是雜質(zhì)的補(bǔ)償效應(yīng)。N型半導(dǎo)體費米能級接近導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體費米能級接近價帶，本征半導(dǎo)體費米能級接近禁帶中央。一般情況下電中性條件飽和電離區(qū)電中性條件：晶體管和集成電路工作在飽和電離區(qū)飽和電離區(qū)載流子濃度：溫度上限：取決于半導(dǎo)體禁帶寬度。溫度下限：取決于所摻雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的電離能。型：型：、電子的導(dǎo)電行為電導(dǎo)率和遷移率在外電場作用下，由歐姆定律可以得到電流密度、電阻率或電導(dǎo)率和電場的關(guān)系： 或 是電導(dǎo)率， 是電阻率。如果半導(dǎo)體的載流子濃度是 、 在電場作用下獲得的平均漂移速度分別是 和 那么電流密度可以寫成：電場作用下電子的漂移速度正比與電場強(qiáng)度，比例系數(shù)就稱為遷移率： 、

17、這樣就有：外加電場破壞了熱平衡 未填滿能帶熱平衡時電子速度分布，正負(fù)對稱 對未填滿能帶，外加電場破壞了熱平衡后，電子速度分布負(fù)多于正。在恒定外電場的作用下電子的狀態(tài)在k空間作勻速運動前面講的是理想情況下：也就是晶體中原子的位置固定不動，而且原子在空間的排列沒有任何缺陷。這時如果有恒定外電電場作用,電子的狀態(tài)在k空間作勻速運動：理想情況下，全部被電子填滿的能帶中的電子在電場作用下速度分布不會變化所以沒有凈電流。未被電子填滿的能帶中的電子在電場作用下會出現(xiàn)往復(fù)運動，從而出現(xiàn)電流的振蕩。實際情況下由于散射存在阻礙了電流的振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。晶體內(nèi)部載流子散射的因素晶格振動散射；晶格缺陷散射；電離雜質(zhì)和中

18、性雜質(zhì)散射。通常前面兩個因素是主要的，第三個因素可以忽略。晶格振動散射在常溫下，單晶體中的原子在它的平衡位置附近作微振動，稱為晶格振動。晶格振動有許多種模式。晶格振動能量也是量子化的，和光子類似引入聲子。聲子有能量也有準(zhǔn)動量，通常能量比較小，但是會有比光子大得多的準(zhǔn)動量。電子和晶格振動之間交換能量和準(zhǔn)動量可以看作電子吸收聲子或放出聲子從而獲得或失去聲子的能量和準(zhǔn)動量。對于具體單晶可以用理論計算出在一定溫度下聲子的數(shù)量、它們的能量和準(zhǔn)動量之間的關(guān)系、它們的能量分布等。長聲學(xué)波散射在通常情況下鍺、硅單晶體晶格振動長聲學(xué)波散射占據(jù)重要地位。把電子發(fā)生兩次散射之間的時間稱為自由時間，理論計算得出長聲學(xué)

19、波散射的平均自由時間和晶體溫度有關(guān)：溫度高電子熱運動速度快、晶格振動劇烈，所以散射頻繁、自由時間縮短。電離雜質(zhì)散射由于電子和電離雜質(zhì)之間的庫侖作用力引起散射。理論計算給出電離雜質(zhì)散射的平均自由時間和雜質(zhì)濃度成反比，同時也和溫度有關(guān)：庫侖作用力和距離的平方成反比，只在距離很近時才有顯著作用，溫度高電子熱運動速度快，在電離雜質(zhì)附近時間短，所以受到它的庫侖作用力影響小。所以溫度越低散射影響越大。總散射幾率晶格熱振動（聲學(xué)聲子、光學(xué)聲子）、電離雜質(zhì)、中性雜質(zhì)對單晶體中電子的散射是各不相關(guān)的，所以電子受到的總散射幾率是所有這些散射幾率的總和。散射幾率是和平均自由時間成反比的，這樣總散射幾率為：通常中性雜

20、質(zhì)的散射幾率相對很小可以忽略。遷移率從上面可以看出在相同的電場作用下遷移率愈大電子在電場中獲得的漂移速度也愈大。理論計算得到遷移率和有效質(zhì)量、平均自由時間有關(guān)：在有多種相對獨立的散射機(jī)制的情況下有： ， 電導(dǎo)率隨溫度的變化電導(dǎo)率隨溫度的變化取決于載流子濃度和遷移率隨溫度的變化。載流子濃度的變化在前面已經(jīng)討論過，有雜質(zhì)弱電離區(qū)、飽和電離區(qū)和本征激發(fā)區(qū)。前面兩個區(qū)域只需考慮多數(shù)載流子，而本征激發(fā)區(qū)要考慮兩種載流子。遷移率變化依賴于平均自由時間的變化。在雜質(zhì)弱電離區(qū)和本征激發(fā)區(qū)載流子隨溫度變化激烈，遷移率變化影響可以忽略，而飽和電離區(qū)載流子濃度幾乎不變，遷移率變化影響就顯現(xiàn)出來。遷移率隨溫度和電離雜

21、質(zhì)變化電阻率與摻雜濃度的關(guān)系n 型p 型本征速度飽和效應(yīng)和強(qiáng)場微分負(fù)阻效應(yīng)在低電場作用下，載流子的遷移率是常數(shù)，載流子的速度隨電場線性增加。但是在強(qiáng)電場時載流子的速度趨向飽和，甚至有的半導(dǎo)體（例如砷化鎵）會出現(xiàn)微分負(fù)阻。速度飽和效應(yīng)常溫下硅單晶中電子的熱運動速度約107cm/s ，而在100伏/厘米電場作用下，電子從電場獲得的附加漂移速度只有105cm/s ，對電子的熱運動速度影響很小 ，這時平均自由時間可以看作常數(shù)。但是，一旦漂移速度接近熱運動速度，散射就要加劇，平均自由時間隨速度增加而急劇減少，遷移率就會大幅度下降 ，這樣就出現(xiàn)了速度飽和效應(yīng)。 習(xí)題關(guān)于半導(dǎo)體電子態(tài)：價帶(價電子填充的狀態(tài)

22、）、導(dǎo)帶（價帶鄰近的未被電子填充的能帶）、禁帶（導(dǎo)帶和價帶之間不允許電子存在能量范圍）、費米能級（熱平衡狀態(tài)下電子平均填充水平）、本征費米能級（本證狀態(tài)下費米能級的位置）、施主能級（在單晶半導(dǎo)體中，能夠釋放出電子而本身變?yōu)檎x子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，其對應(yīng)的能級稱為施主能級）、受主能級（在單晶半導(dǎo)體中，能夠釋放出空穴而本身變?yōu)樨?fù)離子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)，其對應(yīng)的能級稱為受主能級）、淺能級（接近導(dǎo)帶的施主能級或接近價帶的受主能級）、深能級（接近禁帶中央的能級）、局域能級（晶格結(jié)構(gòu)局部區(qū)域被破壞形成的束縛載流子狀態(tài)所對應(yīng)的能級)。導(dǎo)帶底價帶頂本證費米能級淺施主能級淺受主能級深能級深能級費米能級N型半導(dǎo)

23、體P型半導(dǎo)體費米能級半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體（半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為取決于半導(dǎo)體本身的特性，和雜質(zhì)缺陷無關(guān)，這時導(dǎo)帶的電子全部是從價帶激發(fā)出來的。）；非本征半導(dǎo)體（半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為取決于其中所含的雜質(zhì)和缺陷）空穴：它是帶一個正電子電荷的虛擬粒子，其有效質(zhì)量是價帶頂電子有效質(zhì)量的負(fù)值。它是在接近填滿的價帶中，所有電子對導(dǎo)電貢獻(xiàn)的總代表。N型半導(dǎo)體：施主濃度大于受主濃度的半導(dǎo)體。例如：摻有磷、砷、銻等五族元素雜質(zhì)為主的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體：受主濃度大于施主濃度的半導(dǎo)體。例如：摻有硼、鋁、鎵、銦等三族元素雜質(zhì)為主的半導(dǎo)體。有效質(zhì)量：把載流子（電子、空穴）看做經(jīng)典粒子，當(dāng)載流子在外電場力的作用下運動時，表現(xiàn)出來的力

24、和加速度的比例系數(shù)（質(zhì)量）。電子有效質(zhì)量：空穴有效質(zhì)量：載流子濃度：單位體積載流子（電子、空穴）數(shù)。本征載流子濃度：純凈、完美的半導(dǎo)體單晶中電子濃度等于空穴濃度等于本征載流子濃度；對雜質(zhì)半導(dǎo)體，當(dāng)溫度很高，本征激發(fā)的載流子大大超過雜質(zhì)、缺陷的貢獻(xiàn)時，也是如此。載流子濃度積：等于本征載流子濃度的平方，和有電子、空穴效質(zhì)量、禁帶寬度有關(guān)，和摻雜情況無關(guān)。P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子（空穴）濃度和溫度關(guān)系的三個特征區(qū)： 弱電離區(qū)（來自淺受主雜質(zhì)電離的貢獻(xiàn))；飽和區(qū)（淺受主雜質(zhì)幾乎全部電離）；本征區(qū)激發(fā)（本征激發(fā)的載流子遠(yuǎn)大于雜質(zhì)電離的貢獻(xiàn)）。第二講非平衡載流子和MOS電容非平衡和非平衡載流子上面一章講的是

25、在外加電場比較低的情況下，雖然這時半導(dǎo)體的熱平衡已經(jīng)被破壞，但是電場僅僅改變載流子在同一能帶中的能量狀態(tài)從而改變該能帶中載流子的運動速度分布而沒有改變載流子的濃度。本章講述的是有足夠大的外加激發(fā)，使能帶中載流子的濃度發(fā)生變化的情況。非平衡載流子對半導(dǎo)體器件的性能起著決定性作用！本章闡述非平衡載流子的：濃度、壽命和擴(kuò)散、漂移運動！、非平衡載流子非平衡載流子的產(chǎn)生光注入電注入準(zhǔn)熱平衡由于非平衡載流子平均生存的時間（大于 秒）比載流子的平均自由時間（約 秒）長得多，所以被激發(fā)出來電子和空穴會很快通過散射使導(dǎo)帶電子子系統(tǒng)和價帶空穴子系統(tǒng)內(nèi)部分別達(dá)到準(zhǔn)熱平衡(約需 秒），而子系統(tǒng)互相之間卻不能達(dá)到平衡，

26、這段時間為準(zhǔn)熱平衡。本課程只討論準(zhǔn)熱平衡情況下非平衡載流子的行為。通過散射達(dá)到準(zhǔn)熱平衡所需時間 非平衡載流子復(fù)合衰退過程準(zhǔn)費米能級在非平衡載流子生存的大部分時間內(nèi)，子系統(tǒng)準(zhǔn)平衡條件成立，因此子系統(tǒng)內(nèi)部可以應(yīng)用平衡態(tài)統(tǒng)計理論，也就是說前面所用的平衡態(tài)統(tǒng)計分布對子系統(tǒng)仍然可以用，只是需要引人子系統(tǒng)準(zhǔn)費米能級代替平衡態(tài)費米能級。這時載流子濃度可以寫成：非平衡少數(shù)載流子的準(zhǔn)費米能級變化大電子和空穴的準(zhǔn)費米能級分別是 和顯然多數(shù)載流子和少數(shù)載流子準(zhǔn)費米能級變化的方向相反，非平衡少數(shù)載流子的準(zhǔn)費米能級變化大。兩種載流子的準(zhǔn)費米能級趨向一致就意味著兩個子系統(tǒng)之間趨向熱平衡。非平衡載流子的壽命非平衡載流子產(chǎn)生

27、以后，一旦產(chǎn)生的源頭消失，非平衡載流子就要逐步減少，趨向于恢復(fù)平衡狀態(tài)。非平衡載流子從產(chǎn)生到消失的平均時間稱為非平衡載流子的壽命。實際上，平衡載流子也是有壽命的。在一定溫度下，由于熱激發(fā)不斷產(chǎn)生載流子同時也有載流子不斷復(fù)合消失，兩者達(dá)到平衡，從統(tǒng)計平均的角度講這時載流子濃度不變。必須詳細(xì)分析非平衡載流子的各種產(chǎn)生復(fù)合過程，才能正確地計算出非平衡載流子的壽命。非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程必須滿足能量守恒和動量守恒。非平衡載流子的衰減非平衡載流子產(chǎn)生以后，一旦產(chǎn)生的源頭消失，非平衡載流子就會逐步衰減。通常以指數(shù)形式衰減。計算表明非平衡載流子衰減到e分之一所需的時間就是非平衡載流子的平均壽命時間。非

28、平衡載流子復(fù)合的類型 體內(nèi)位置 表面 帶間復(fù)合（主要發(fā)生在直接能帶半導(dǎo)體）過程 復(fù)合中心復(fù)合（主要發(fā)生在間接能帶半導(dǎo)體） 發(fā)射或吸收光子（直接能帶，發(fā)光復(fù)合中心）能量交換 發(fā)射或吸收聲子（間接能帶，無輻射復(fù)合中心） 載流子之間交換能量（俄歇復(fù)合，高載流子濃度情況下）計算壽命就是要在能量守恒和動量守恒的前提下計算能級之間的躍遷幾率。幾種體內(nèi)復(fù)合過程的示意圖帶間復(fù)合復(fù)合中心復(fù)合俄歇復(fù)合硅單晶帶間復(fù)合的可能性小光子能量和波長關(guān)系：硅單晶電子和空穴復(fù)合放出光子對應(yīng)波長：該過程中電子從導(dǎo)帶底到價帶頂需要的準(zhǔn)動量變化：光子的波長遠(yuǎn)大于晶格之間的距離，所以帶間復(fù)合遠(yuǎn)不能滿足準(zhǔn)動量守恒要求！因此，硅這一類間接

29、禁帶半導(dǎo)體不易發(fā)生帶間發(fā)光復(fù)合，同時非平衡載流子壽命比較長。砷化鎵一類直接禁帶半導(dǎo)體容易發(fā)生帶間復(fù)合發(fā)光，復(fù)合幾率比較大，相應(yīng)非平衡載流子壽命比較短。體內(nèi)復(fù)合中心復(fù)合硅單晶是間接能帶，電子和空穴復(fù)合過程中僅僅發(fā)射光子不能滿足準(zhǔn)動量守恒的條件，因此需要聲子參與，這樣的復(fù)合幾率很小。俄歇復(fù)合發(fā)生在載流子濃度十分高的時候。硅單晶中有許多雜質(zhì)缺陷能級，載流子通過這些能級復(fù)合的幾率相對比較大，所以我們這里主要討論復(fù)合中心復(fù)合。大部分情況下，為了提高器件性能需要盡可能降低雜質(zhì)缺陷，從而提高載流子的壽命。特殊需要時（例如提高雙極器件的開關(guān)速度），可控制地引入金、鉑金、輻射缺陷等用于縮短載流子壽命。壽命計算公

30、式為簡單起見，討論濃度為 的單一復(fù)合中心能級復(fù)合。計算得到穩(wěn)態(tài)（非平衡載流子濃度不隨時間變化）情況下單位體積單位時間復(fù)合掉的載流子數(shù)（復(fù)合率）摻雜情況對低注入非平衡載流子壽命的影響EF低注入壽命、大注入壽命N型P型低注入壽命產(chǎn)生壽命陷阱效應(yīng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)缺陷能級，在非平衡狀態(tài)下只俘獲某一種載流子，這些被俘獲的非平衡載流子過了一定時間又被釋放出來，這類能級稱為陷阱能級。非平衡狀態(tài)下電中性條件依然成立，所以當(dāng)一部分非平衡載流子（例如電子）被陷阱俘獲的時候，和它對應(yīng)的異型非平衡載流子（空穴）就不會消失。顯然被俘獲的載流子由于在陷阱中停留了一段時間有效壽命就比較短，而相應(yīng)的異型非平衡載流子壽命就比較長

31、。通常少數(shù)載流子陷阱效應(yīng)比較容易發(fā)生。這是因為少數(shù)載流子基數(shù)小，相對變化就大，少數(shù)載流子準(zhǔn)費米能級變化大也反映出少數(shù)載流子陷阱能級上的載流子濃度變化大。施主、受主、復(fù)合中心和陷阱在特定的平衡條件下，釋放電子的是施主能級，接受電子（釋放空穴）的是受主能級。淺施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)用于控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和電阻率。在非平衡情況下同時俘獲非平衡電子和空穴使它們在該能級上消失的稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心對非平衡載流子的壽命影響大。在非平衡情況下只俘獲電子不俘獲空穴的稱為電子陷阱，只俘獲空穴不俘獲電子的稱為空穴陷阱。少數(shù)載流子陷阱效應(yīng)容易顯現(xiàn)。某一種雜質(zhì)或缺陷在不同的情況下可以扮演不同的角色（例如：金在N型鍺單

32、晶中表現(xiàn)為受主，在P型中則表現(xiàn)為施主，都起減少熱平衡載流子的作用。在非平衡情況下，金具有很強(qiáng)的復(fù)合中心作用。）非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移載流子在空間存在濃度差就會發(fā)生擴(kuò)散運動，一維情況下非平衡載流子的擴(kuò)散流密度為形成的擴(kuò)散電流密度是：漂移電流密度是：愛因斯坦關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)D反映了載流子在有濃度梯度情況下擴(kuò)散速度的快慢；漂移遷移率 反映在單位電場作用下載流子從電場獲得的附加漂移速度的大??；兩者有一定的內(nèi)在聯(lián)系，這就是愛因斯坦關(guān)系：電中性條件前面在討論平衡載流子濃度的計算時講到電中性條件，在非平衡條件下電中性條件是否成立？對于N型（或P型）半導(dǎo)體，一旦在空間某處出現(xiàn)非平衡載流子分布的偏離，電中性條件在

33、局部區(qū)域被破壞，就會出現(xiàn)空間電場，這個電場將驅(qū)動多數(shù)載流子電子（或空穴）流動以保持電中性條件。這個過程所需要的時間顯然和半導(dǎo)體的電導(dǎo)率有關(guān)，理論分析算出：對于電阻率為1歐姆厘米的硅單晶大約 秒。也就是說，只要研究的問題所涉及的時間比 秒長很多就可以認(rèn)為電中性條件成立。連續(xù)性方程連續(xù)性方程描述載流子在空間某個區(qū)域的變化率：上面等式右邊第一、二項分別是產(chǎn)生率和復(fù)合率，第三項是電場使載流子從濃度高的地方漂移到濃度低的地方引起的變化，第四項是由于空間電場的存在引起載流子的聚集或分散，第五項是由于擴(kuò)散使該區(qū)域載流子濃度發(fā)生變化。穩(wěn)態(tài)一維擴(kuò)散最簡單的情況是：沒有外加電場的一塊均勻的半無窮大的N型（或P型）

34、半導(dǎo)體，只在界面處穩(wěn)定地產(chǎn)生非平衡載流子?？瓷厦娴姆匠?，對于少數(shù)載流子，左邊為零，右邊只有復(fù)合和擴(kuò)散兩項，而且是一維運動：上式簡化為擴(kuò)散長度上式很容易求解： 時計算表明 是非平衡少數(shù)載流子的平均擴(kuò)散距離，稱為非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度。擴(kuò)散流密度為：如果N型半導(dǎo)體在x方向的厚度Wn遠(yuǎn)小于非平衡載流子擴(kuò)散長度，那么非平衡載流子在邊界處不復(fù)存在，這時非平衡載流子在半導(dǎo)體中被復(fù)合掉的部分可以忽略不計，x方向的擴(kuò)散流密度是常數(shù)：牽引長度對于上述情況，再在垂直于表面的方向上加很強(qiáng)的均勻恒定的電場那么就有：很容易求得： 稱為牽引長度。非平衡空穴在受到電場作用進(jìn)行漂移運動的同時不斷復(fù)合減少，平均漂移的距離就

35、是牽引長度。雙極擴(kuò)散在絕大多數(shù)半導(dǎo)體中，電子的擴(kuò)散系數(shù)比空穴的擴(kuò)散系數(shù)大。非平衡電子和空穴擴(kuò)散快慢不同就會產(chǎn)生空間電場，這個電場會促使電子減速，空穴加速。穩(wěn)定的情況下非平衡電子和非平衡空穴將以同樣的速度擴(kuò)散。這時它們的擴(kuò)散系數(shù)就稱為雙極擴(kuò)散系數(shù)：N型和P型半導(dǎo)體，在小注入情況下分別有：非平衡載流子的擴(kuò)散運動速度取決于少數(shù)載流子的擴(kuò)散，只要很微弱的空間電場就足以使多數(shù)載流子分布保持同步。雙極漂移非平衡載流子在外電場中作漂移運動時也存在速度不同而引起空間電荷，這也會使電子和空穴的漂移運動互相牽制。計算得到雙極漂移遷移率：N型和P型半導(dǎo)體，在小注入情況下分別有：非平衡載流子的漂移運動取決于少數(shù)載流子

36、的漂移速度，只要很微弱的空間電場就足以使多數(shù)載流子分布保持同步。少數(shù)載流子主宰運動的特性從前面的結(jié)果可以看出總是少數(shù)載流子主宰非平衡載流子的運動特性。非平衡多數(shù)載流子偏離其平衡值比較小，而非平衡少數(shù)載流子偏離其平衡值比較多。所以非平衡多數(shù)載流子聚集和分散都比較快，容易跟隨非平衡少數(shù)載流子的運動。雙極擴(kuò)散和雙極漂移現(xiàn)象出現(xiàn)在接近本證和大注入（非平衡載流子濃度高于平衡多數(shù)載流子）的情況下。這時有：本證大注入MOS電容不僅是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)，而且MOS電容的電容電壓關(guān)系是常用的重要工藝檢測手段。講授內(nèi)容包括：、MOS電容隨偏壓變化的原理；、從中可以獲得哪些信息。、MOS電容硅片表面的懸掛鍵硅單晶

37、體內(nèi)部一個原子是以共價鍵形式和周圍四個原子結(jié)合起來的。在表面，硅原子的排列中斷，表面的原子就有一部分未成鍵的電子。這種未成鍵的電子的面密度約1015/cm2。這些未成鍵的電子和體內(nèi)成鍵的電子所處的狀態(tài)不同，是局域束縛電子。表面束縛電子態(tài)理論計算給出硅表面存在準(zhǔn)連續(xù)的電子態(tài)；在禁帶中的局域能級呈現(xiàn)V型分布（和實驗結(jié)果得到的分布U型分布大體相同）；和價帶重疊的部分是施主態(tài)，其余能級是受主態(tài)。界面態(tài)從半導(dǎo)體器件的角度講，大量存在的是界面：金屬半導(dǎo)體（肖特基結(jié)或歐姆結(jié)） 單晶同質(zhì)PN結(jié)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 孿晶界面 異質(zhì)結(jié)介質(zhì)半導(dǎo)體（二氧化硅-硅）（硅單晶的表面暴露在空氣中，常溫下就會生長自然氧化層。） 對于

38、界面：由于兩邊晶格結(jié)構(gòu)不同所以就有界面態(tài)，界面態(tài)密度和晶格結(jié)構(gòu)失配情況有關(guān)。理想MOS電容氧化層絕對絕緣；氧化層中沒有電荷；氧化層和硅的界面沒有界面態(tài)；金屬和硅沒有功函數(shù)差。幾個特征電壓和電壓區(qū)間以理想P型半導(dǎo)體MOS電容為例：金屬端電壓為負(fù)的區(qū)域，半導(dǎo)體表面聚集過量的多數(shù)載流子空穴，稱為（空穴）積累區(qū)；金屬端電壓為零，能帶水平，稱為平帶電壓；在比較低的正電壓區(qū)域，表面的空穴被驅(qū)趕而電子被吸引，這時不能運動的受主負(fù)離子電荷占主導(dǎo)地位，當(dāng)表面電子和空穴濃度相等時載流子呈現(xiàn)本征狀態(tài)；在大的負(fù)電壓下，表面電子濃度超過受主負(fù)離子濃度，電子電荷成為決定性因素，這時進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)。P型半導(dǎo)體主要表面電荷的關(guān)

39、系式積累平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型半導(dǎo)體表面微分電容本征電壓小信號理想MOS的C-V特性 不同的曲線對應(yīng)于不同的測試信號和偏置：低頻、穩(wěn)態(tài)；高頻、穩(wěn)態(tài)；高頻、瞬態(tài)。P型半導(dǎo)體襯底的MOS電容特性N型半導(dǎo)體襯底的MOS電容特性和P型半導(dǎo)體襯底的MOS電容特性的電壓極性正好相反。后面都以P型半導(dǎo)體襯底為例。實際MOS電容中有許多其他電荷產(chǎn)生的原因：可動離子是由沾污引起；電子陷阱、界面態(tài)和界面附近的固定正電荷和氧化工藝條件有關(guān)，輻射也有影響，還和硅片表面的粗糙度、雜質(zhì)有關(guān)。對物理參數(shù)影響：增加表面復(fù)合和降低表面遷移率。對器件參數(shù)影響：跨導(dǎo)、溝道電流、截止電流。平帶電壓、強(qiáng)反型電壓平帶電壓：由于金屬和硅單晶

40、之間有功函數(shù)差，二氧化硅中和二氧化硅硅界面有空間電荷，所以必須在金屬和硅襯底之間加一定的電壓抵消這些電荷的作用才能保持半導(dǎo)體表面能帶水平，這個電壓稱為平帶電壓。功函數(shù)差:表面固定電荷:,氧化層中 電荷 (x)強(qiáng)反型電壓：這時要使表面達(dá)到強(qiáng)反型需要加的電壓注意：半導(dǎo)體的功函數(shù)和溫度有關(guān)。半導(dǎo)體摻雜濃度: NA,小信號實際MOS的C-V特性氧化層中電荷的存在和金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差引起C-V曲線平移。硅-二氧化硅界面附近的電荷影響最大，而金屬-二氧化硅界面附近的電荷幾乎沒有影響。硅-二氧化硅界面附近有正電荷或金屬的功函數(shù)比半導(dǎo)體小都會使曲線向負(fù)電壓方向平移，即平帶電壓為負(fù)值。硅-二氧化硅界面態(tài)會引起

41、C-V曲線畸變?；兤揭茰?zhǔn)靜態(tài)（低頻）MOSC-V從準(zhǔn)靜態(tài)MOSC-V(低頻MOSC-V）也可以獲得界面態(tài)的信息。所謂準(zhǔn)靜態(tài)就是偏置電壓變化非常緩慢，測試信號變化也非常慢，以至于任何時間界面態(tài)都處于穩(wěn)態(tài)?；僊OSC-T如果我們在MOS電容上加一個階躍電壓，使MOS電容從A狀態(tài)突然變到B狀態(tài)，然后觀察由B狀態(tài)到C狀態(tài)過程中電容隨時間的變化規(guī)律就可以從中求出非平衡載流子的產(chǎn)生壽命。ACBABC從MOS電容測試可以獲得的信息1、一般用于測試：用得最多的是可動離子濃度(加偏壓、溫度測試C-V平帶電壓漂移）和固定界面電荷密度測試；界面態(tài)密度（低頻穩(wěn)態(tài)和高頻穩(wěn)態(tài)C-V曲線畸變）；產(chǎn)生壽命（高頻深耗盡到高

42、頻穩(wěn)態(tài)的過渡過程）；襯底的導(dǎo)電類型和摻雜濃度（耗盡區(qū)穩(wěn)態(tài)高頻C-V）2、也可以測量氧化層厚度（從強(qiáng)反型區(qū)測量氧化層電容）；其他影響因素；二氧化硅中的陷阱、外表面吸附離子、含磷二氧化硅極化、界面雜質(zhì)、輻射效應(yīng)等等都會影響測試結(jié)果。習(xí)題非平衡載流子：由于光激發(fā)或電注入、抽取等使載流子濃度偏離熱平衡載流子濃度的部分。準(zhǔn)費米能級：通常認(rèn)為，非平衡情況下，導(dǎo)帶電子分布和價帶空穴分布，各自仍然可以看做服從熱平衡統(tǒng)計分布，各自有代表載流子平均分布幾率的準(zhǔn)費米能級。非平衡載流子壽命（簡稱壽命）：非平衡載流子平均生存時間。非平衡載流子一維擴(kuò)散流密度非平衡載流子擴(kuò)散系數(shù)及其和遷移率的關(guān)系非平衡載流子擴(kuò)散長度平帶電

43、壓：為抵消金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差、氧化層中電荷等對半導(dǎo)體的影響，保持半導(dǎo)體表面能帶水平而需要在MOS電容上加的電壓。試畫出P型襯底MOS電容的表面電荷和電壓關(guān)系，并在圖中標(biāo)注出：多子積累、多子耗盡、本證電壓、弱反型、強(qiáng)反型。強(qiáng)反型電壓：使半導(dǎo)體表面的少數(shù)載流子等于體內(nèi)的多數(shù)載流子而需要在MOS電容上加的電壓。從MOS電容和電壓的關(guān)系特性可以得到的信息整理本章所有公式并說明每個符號的物理意義。 第三講雙極型器件半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)、金半結(jié)的伏安特性。二極管PN結(jié)空間電荷區(qū)由于PN結(jié)兩邊載流子濃度不同造成載流子擴(kuò)散運動，載流子擴(kuò)散留下常溫下不會運動的施主和受主離子，結(jié)果在結(jié)附近出現(xiàn)了空間電荷區(qū)

44、，該區(qū)域內(nèi)電離的施主和受主雜質(zhì)的濃度遠(yuǎn)大于載流子濃度，又稱為耗盡層。該區(qū)域內(nèi)有電離雜質(zhì)產(chǎn)生的自建電場，阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，又稱阻擋層、勢壘區(qū)。平衡情況下在空間電荷區(qū)內(nèi)載流子的漂移流和擴(kuò)散流相抵消，凈電流為零?？臻g電荷區(qū)的電場和電勢普通物理講過泊松方程 只要知道空間電荷分布就可以用泊松方程計算電場 和電勢分布，還可以計算出勢壘高度和寬度。 在耗盡層近似的情況下，空間電荷分布近似等于電離 施主或受主的雜質(zhì)濃度分布。平衡PN結(jié)能帶圖空間電荷區(qū)內(nèi)部各點不是電中性，但是整個空間電荷區(qū)正負(fù)電荷相等，電場只在空間電荷區(qū)內(nèi)；空間電荷區(qū)的電場使PN結(jié)兩邊出現(xiàn)電勢差；熱平衡情況下費米能級保持水平；空間電荷區(qū)以外

45、均勻摻雜，是電中性的。在該區(qū)域：導(dǎo)帶、價帶和費米能級之間的相對位置保持原樣。注意：P區(qū)電子的勢能高于N區(qū)，空穴的勢能正好相反，電勢N區(qū)高于P區(qū)。平衡PN結(jié)兩邊載流子濃度的關(guān)系耗盡層當(dāng) x = xn 時 V(x) = VD同理平衡 PN 結(jié)中載流子濃度分布正向電壓下低注入窄勢壘模型P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)為正向電壓；勢壘區(qū)電阻最大，正向電壓全部加在勢壘區(qū)，其他區(qū)域的電壓降可以忽略；正向電壓使空間電荷區(qū)變窄，勢壘高度降低；窄勢壘模型假設(shè)：勢壘區(qū)（空間電荷區(qū)）很窄，其兩邊可以看做準(zhǔn)平衡，準(zhǔn)費米能級保持水平，勢壘區(qū)非平衡載流子復(fù)合可以忽略；勢壘區(qū)以外的非平衡載流子擴(kuò)散復(fù)合區(qū)由于非平衡載流子復(fù)合而減少逐步趨于

46、平衡，準(zhǔn)費米能級趨向平衡費米能級。該區(qū)域內(nèi)非平衡少數(shù)載流子準(zhǔn)費米能級變化大而非平衡多數(shù)載流子準(zhǔn)費米能級變化很小。PN結(jié)正向電壓能帶示意圖載流子流動情況注意：圖中j是粒子流密度而不是電流密度由于電中性條件要求，在結(jié)附近非平衡少數(shù)載流子擴(kuò)散復(fù)合的區(qū)域，必定有相對應(yīng)的多數(shù)載流子存在；兩種載流子既有擴(kuò)散流也有漂移流，少數(shù)載流子的漂移流可以忽略；在忽略勢壘區(qū)復(fù)合的情況下，P區(qū)空穴的漂移流密度減去擴(kuò)散流密度等于注入到N區(qū)的空穴流密度，也就是N區(qū)邊界的空穴擴(kuò)散流密度；同樣，在忽略勢壘區(qū)復(fù)合的情況下， N 區(qū)的電子的漂移流密度減去擴(kuò)散流密度等于注入到P區(qū)的電子流密度，也就是P區(qū)邊界的電子擴(kuò)散流密度。假設(shè)P區(qū)和

47、N區(qū)的厚度Wn和Wp遠(yuǎn)大于非平衡載流子的擴(kuò)散長度。載流子流動的轉(zhuǎn)化從上面圖看出：在電中性的N區(qū)和P區(qū)，多數(shù)載流子對電流的貢獻(xiàn)占絕大多數(shù)，少數(shù)載流子的貢獻(xiàn)可以忽略；在非平衡載流子擴(kuò)散區(qū)，通過非平衡載流子的復(fù)合，電子電流和空穴電流之間互相轉(zhuǎn)化；窄勢壘模型忽略了勢壘區(qū)的復(fù)合，因此也忽略了勢壘區(qū)內(nèi)電子電流和空穴電流之的間互相轉(zhuǎn)化。從何入手計算伏安特性假設(shè)理想情況包括：一維、非簡并的突變結(jié)、忽略勢壘區(qū)復(fù)合、外加電壓全部加在勢壘區(qū)、小注入、P區(qū)和N區(qū)厚度遠(yuǎn)大于該區(qū)域的少子擴(kuò)散長度。因為外電壓全部加在勢壘區(qū)，所以選擇勢壘區(qū)邊界計算電流。勢壘邊界的少子和多子都有擴(kuò)散流和漂移流，非平衡少數(shù)載流子的漂移流非常小可

48、以忽略。在忽略勢壘區(qū)復(fù)合的情況下，勢壘兩邊的非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流相加就是總電流。勢壘兩邊的少子擴(kuò)散流密度電流密度和電壓的關(guān)系以上關(guān)系成立的條件：一維(x)非簡并的突變結(jié)；低注入；窄勢壘；N區(qū)和P區(qū)的厚度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度；外電壓近似全部加在勢壘區(qū)。如果N區(qū)的厚度遠(yuǎn)小于非平衡載流子的擴(kuò)散長度，上式將變?yōu)椋喝绻鸓區(qū)的厚度遠(yuǎn)小于非平衡載流子的擴(kuò)散長度，上式將變?yōu)椋旱头聪蚱珘荷厦娴慕Y(jié)果也適合于低反向偏壓的情況低壓反向偏壓能帶圖PN結(jié)單向?qū)щ娦栽矸治觯赫螂妷鹤饔孟?，?qū)使多數(shù)載流子涌向勢壘區(qū)，抵消了部分空間電荷，（從另外的角度講，勢壘區(qū)電阻最大，外電壓幾乎全部加在勢壘區(qū)）使勢壘降低，勢壘區(qū)載流子

49、濃度增加，電阻降低；而在反向外電壓作用下，多數(shù)載流子被抽離勢壘區(qū)，外加電壓使勢壘增高、增厚，勢壘區(qū)電阻增加，所以， 流過PN的電流隨正向電壓增加而急劇增加，隨反向電壓增加而增加非常緩慢。實際PN結(jié)的伏安特性小電流：勢壘復(fù)合（與復(fù)合壽命相關(guān)）大注入：擴(kuò)散區(qū)電壓降(雙極擴(kuò)散顯著時非平衡載流子空間電荷區(qū)電壓降不能忽略）大電流密度：串連電阻（包括電中性區(qū)壓降、接觸電阻、引線電阻等等）反偏壓：勢壘區(qū)產(chǎn)生（與產(chǎn)生壽命相關(guān)）PN結(jié)電容外加電壓變化對空間電荷區(qū)充放電，稱為勢壘電容。對突變結(jié)，耗盡層近似（忽略空間電荷區(qū)載流子電荷的貢獻(xiàn)）：外加電壓變化使擴(kuò)散區(qū)非平衡載流子濃度變化的過程，稱為擴(kuò)散電容：勢壘寬度 P

50、N結(jié)雪崩擊穿在勢壘區(qū)強(qiáng)電場作用下 出現(xiàn)載流子倍增，從而 使電流劇增：對突變結(jié)，擊穿電壓：伏特隧道擊穿反向電壓使P區(qū)價帶 和N區(qū)導(dǎo)帶重疊。量子力學(xué)計算發(fā)生 隧道效應(yīng)的幾率隧道二極管PN結(jié)兩邊重?fù)诫s, 以致平衡態(tài)能帶圖 P區(qū)價帶頂和N區(qū)導(dǎo) 帶的重疊。二極管作為開關(guān)應(yīng)用連接示意圖PN結(jié)二極管的開關(guān)特性理想的開關(guān)，在導(dǎo)通的時候開關(guān)的兩端應(yīng)該沒有電壓差，而斷開的時后應(yīng)該沒有電流流過；從導(dǎo)通到截止或截止到導(dǎo)通的切換應(yīng)該是和控制信號同步；截止時能夠承受高電壓，導(dǎo)通時要能夠承受大電流。二極管有導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，類似一個開關(guān)作用。但是它導(dǎo)通的時后兩端有電壓降，截止?fàn)顟B(tài)還有電流，狀態(tài)的切換過程有一定的時間延遲，

51、反向電壓高了會擊穿，導(dǎo)通電流大了會燒壞。開關(guān)過程VbeViLViHtIbIb1t Ib2pn+n+p二極管的正向壓降二極管作為開關(guān)應(yīng)用還需要考慮正向電壓。二極管導(dǎo)通狀態(tài)是大電流工作區(qū)，它的正向電壓包括：結(jié)壓降、非平衡載流子擴(kuò)散區(qū)壓降和電中性區(qū)體電阻壓降。理想結(jié)壓降為：影響二極管開關(guān)特性的因素低摻雜區(qū)的摻雜濃度高：截止電流小、小電流正向閾值電壓高而大電流時串聯(lián)電阻壓降小、擊穿電壓低、非平衡少子壽命短開關(guān)速度快。低摻雜區(qū)厚度?。捍箅娏鲿r串聯(lián)電阻小、儲存電荷少、開關(guān)速度快、如果比擊穿電壓時耗盡層寬度薄就會降低擊穿電壓。縮短非平衡載流子壽命：提高開關(guān)速度、增大截止電流和增大正向壓降。增大結(jié)面積：增大工

52、作電流、降低開關(guān)速度。金半肖特基結(jié)平衡能帶圖（Wm Ws）Wm Wsn 型p 型反阻擋層反阻擋層反阻擋層反阻擋層伏安特性電子發(fā)射理論：沒有非平衡載流子，也就沒有擴(kuò)散電容，所以開關(guān)速度快；閾值電壓低；反向漏電流大，擊穿電壓低。A* = 120 (mn*/m0) Acm-2K-2金-半歐姆結(jié)高復(fù)合金-半結(jié)隧道金-半結(jié)（高摻雜半導(dǎo)體金屬結(jié)） 雙極型半導(dǎo)體器件電參數(shù)(電流增益、特征頻率和開關(guān)速度）和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、半導(dǎo)體材料選擇的關(guān)系。 雙極型晶體管常見問題增益：正常值、大電流和小電流衰退情況？截止頻率：正常值、大電流和小電流衰退情況？開關(guān)速度？截至特性：擊穿電壓、截止電流？基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)（基區(qū)寬變效應(yīng)）

53、？雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)n+pnEBC發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)p+npEBC發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECBnpnECBpnp晶體管的工作原理有放大特性的條件：2o Wb Lnb3o 發(fā)射結(jié)正偏4o 集電結(jié)反偏n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcb熱平衡放大偏置1o Nb Ne晶體管中的電流傳輸1. NPN晶體管電流傳輸Ine Inc共基極電流放大系數(shù) 1 時） 1（當(dāng) Wb 1IbIeIcVbeVce例如： = 0.99，則 100注意：共基極連接電流增益小于1，但是由于輸出阻抗大于輸入阻抗，所以有電壓放大。共發(fā)射極連接電流增益大于1，同樣也有電壓放大作用。晶體管中的少子分布 0 0N+PNWb0 x-x

54、1x2x2正偏反偏晶體管的直流特性發(fā)射結(jié)電流電子：空穴：基區(qū)電流電子電流：空穴電流（復(fù)合電流）：但 Jne略大于 Jnc發(fā)射效率（注入比）基區(qū)輸運系數(shù)（當(dāng) Wb Lnb 時）注意：1、（當(dāng) Wb e d c）晶體管的高頻特性 (dB) 20 log (dB) 20 log f、 f ： 3dB 頻率dB（分貝）定義：（共發(fā)射極無放大作用時）特征頻率 fT 與工作點的關(guān)系ebKirk 效應(yīng) fT 與工作點的關(guān)系：小電流、中電流和大電流分別受e、b和Kirk 效應(yīng)的制約晶體管的開關(guān)特性 開關(guān)時間VccRLrb1ceVbbrb2ViHViLbVbeViLViHtIbIb1t Ib2IcstIc0.9

55、Ics0.1Icst0t1t2t3t4t5Vcet 0延遲時間 td = t1 t0上升時間 tr = t2 t1儲存時間 ts = t4 t3下降時間 tf = t5 t4晶體管的開關(guān)特性 延遲時間和上升時間A.延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間p零偏正偏n+np零偏正偏n+nC飽和區(qū)狀態(tài)上圖中C是臨界飽和狀態(tài)，延遲時間和上升時間取決于發(fā)射結(jié)電容充放電時間，其和結(jié)面積、基區(qū)寬度有關(guān)。臨界飽和狀態(tài)晶體管的開關(guān)特性 儲存時間A.延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間pn+n紅線是上升時間狀態(tài)，粉紅色是臨界飽和狀態(tài)，再增加出來的部分是超量儲存電荷。超量儲存電荷對開關(guān)速度影響最大。降低儲存時間措

56、施：從器件結(jié)構(gòu)上考慮：減小結(jié)面積、減薄基區(qū)、減薄有效集電區(qū)、縮短集電區(qū)非平衡載流子壽命；從工作條件方面考慮：減小基區(qū)驅(qū)動電流，避免進(jìn)入飽和區(qū)和加大基區(qū)抽取電流都有利于減少儲存時間。提高雙極晶體管開關(guān)速度的途徑:1o 摻 Au pc 2o c Nc pc 3o Wc Qpc 4o CTe CTc Aje Ajc 5o Wb Qb 提高雙極晶體管的上升時間和提高截止頻率的途徑相同：減小結(jié)面積、減薄基區(qū)。而開關(guān)速度主要取決于非平衡載流子的儲存時間：縮短載流子壽命（摻金、鉑金、降低集電區(qū)電阻率）、減少集電區(qū)儲存電荷（薄集電區(qū)高阻層厚度）等最為有效?？s短集電區(qū)載流子壽命（摻金、鉑金）縮短集電區(qū)載流子壽命

57、（增加集電區(qū)摻雜濃度）降低集電區(qū)儲存電荷（減薄有效集電區(qū)厚度）減小結(jié)面積以減小電容值減小基區(qū)儲存電荷（減薄基區(qū)寬度）熱平衡PN結(jié)能帶示意圖；正向偏壓和反向偏壓下能帶圖；理想PN結(jié)的伏安特性公式；P+N結(jié)的伏安特性公式；實際PN結(jié)的伏安特性有哪些非理想因素影響；習(xí)題雙極型晶體管結(jié)構(gòu)上必須滿足：發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)摻雜濃度、基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于基區(qū)非平衡少數(shù)載流子擴(kuò)散長度，而且工作條件必須：發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。提高電流增益的途徑；提高截止頻率的途徑；提高開關(guān)速度的途徑MOSFET器件電參數(shù)(閾值電壓、跨導(dǎo)和最高振蕩頻率）和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、半導(dǎo)體材料選擇的關(guān)系第四講MOSFETMOSFET結(jié)

58、構(gòu)示意圖左圖為MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。MOSFET有增強(qiáng)型和耗盡型兩種，在左下圖中給出。MOSFET 的類型和符號NMOSPMOS增強(qiáng)型 耗盡型增強(qiáng)型 耗盡型襯底pnS/Dn+p+載流子電子空穴VDS+IDSD SS D載流子運動方向S DS DVT+ +符號GDBSGDBSGDBSGDBSMOSFET 的閾值電壓（就是MOS電容的強(qiáng)反型電壓）其中功函數(shù)差n 溝 MOS（NMOS）p 溝 MOS（PMOS）在忽略氧化層中 電荷(x)的情況下（由工藝條件決定）表面固定電荷,qVB=(Ei EF)MOSFET 閾值電壓控制1. 金屬功函數(shù) Wm 的影響（不便調(diào)節(jié)）金屬MgAlNiCuAuAgn+-

59、polyp+-polyWm (eV)3.354.14.554.75.05.14.055.152. 襯底雜質(zhì)濃度 NA 的影響（可精確調(diào)節(jié)）NA 增加 1 個數(shù)量級， VB 增加 60 mV3. 界面固定電荷 QSS 的影響（不便調(diào)節(jié)）4. 采用離子注入可以按照需要調(diào)整襯底雜質(zhì)濃度從而調(diào)節(jié)閾值電壓。MOSFET 的輸出特性線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)IDS VDS（VGS為參量）NMOS（增強(qiáng)型）輸入G輸出SSD簡化的MOSFET源區(qū)和漏區(qū)的電壓降可以忽略不計；在溝道區(qū)不存在產(chǎn)生-復(fù)合電流；溝道電流為漂移電流；溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù) n (E) = C ；緩變溝道近似為了計算方便作以下簡化假設(shè)：MOS

60、FET 的可調(diào)電阻區(qū) (線性區(qū))溝道中反型電子電荷面密度y0LV(0) = 0V(L) = VDSB反型層薄層電阻可調(diào)電阻嚴(yán)格推導(dǎo)（考慮到VDS 對溝道中反型電子濃度的影響）：強(qiáng)反型條件下（VGS VT）VDS 較小時跨導(dǎo)參數(shù)(1) 當(dāng) VDS = VDSsat 時定義 VDSsat VGS VT Qn(L) = 0反型電子消失溝道被夾斷MOSFET 的飽和區(qū)LeffLy(2) 當(dāng) VDS VDS sat 時夾斷點左移，有效溝道縮短IDSsat 不飽和，溝道長度調(diào)制效應(yīng)NMOS（增強(qiáng)型）NMOS（耗盡型）PMOS（增強(qiáng)型）PMOS（耗盡型）四種 MOSFET 的輸出特性溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度