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1、第二章 半导体物理和器件物理基础,主要内容 半导体材料基本特性 pn结 双极晶体管 金属-氧化物-半导体场效应管,半导体材料的基本特性,电导率： 超导体: 大于106(cm)-1 (conductivity ) 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1,？什么是半导体(semiconductor),半导体的结构,原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的主要特点,在纯净半导体材料中，电导率随温度的上升而指数地增加。 半导体中杂质（impurity）的种类和数量决定着半导体的电导率，
2、而且在掺杂（dope）的情况下，温度对电导率的影响较弱。 在半导体中可以实现非均匀掺杂。 光的辐照、高能电子等的注入（injection）可以影响半导体的电导率。,常见的半导体材料,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,半导体的掺杂,半导体就是靠电子和空穴的移动导电的，在半导体中，电子和空穴统称载流子（carrier）。,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电
3、性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,N型半导体，在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等。主要依靠电子导电。,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。主要依靠空穴导电。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As。依靠施主提供的电子导电的半导体称为n型半导体。 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并
4、成为带负电的离子。如Si中掺的B。依靠受主提供的空穴导电的半导体称为p型半导体。,在半导体中掺入杂质可以控制半导体的导电性。,实际上，半导体中通常含有施主和受主杂质，当施主数量大于受主时，半导体是 n 型的；反之，当受主数量大于施主时，则是 p 型的。,半导体的电导率和电阻率,均匀导电材料的导电能力通常采用电阻或电导来描述，满足欧姆定律。 半导体的导电性质可以通过掺杂杂质来实现，通过半导体的电流是不均匀的，因此采用微分形式的欧姆定律，并且利用电导率（conductivity） 和电阻率（resistivity） 描述半导体的导电性质。,半导体的电导率（电阻率）与载流子浓度(concentrat
5、ion )（掺杂浓度）和迁移率(mobility )有关。,半导体的迁移率（mobility）,迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。它是反映半导体导电能力的重要参数。 它对半导体器件的导电能力和工作速度有直接的影响。 同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。,迁移率满足方程：,载流子在电场中并不是不受阻力的，不断加速的。事实上，要与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，这种碰撞现象称为散射（scattering）。,散射主要包括两种： 晶格散射和电离杂质散射
6、。,单位电场作用下载流子获得平均速度。 反映了载流子在电场作用下输运能力。,晶格散射 晶格散射是由晶格振动，也就是热运动引起的载流子散射。因此，温度越高，晶格振动越剧烈，更加阻碍了载流子的运动，迁移率下降。,晶格原子热振动导致势场的周期性遭到破坏，相当于增加了一个附加势,理想晶格原子排列,以一定模式振动的晶格原子,电离杂质散射,电离杂质散射是由电离杂质形成的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用引起的。杂质越多，载流子和带点中心越多，它们相遇的机会也就越多，就更加阻碍载流子的运动。因此，掺杂浓度越高，迁移率越低。,电离杂质散射,影响迁移率的因素： 温度 掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制： 晶格散
7、射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射,半导体中的载流子,量子态和能级,用波函数描述电子的状态，也称为态函数，这个状态就称为量子态 （quantum state）。一个量子态上只有一个电子。 并且在一定条件下，电子从一个量子态转移到另一个量子态，称为量子跃迁（transition）。,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,施主能级,受主能级,杂质能级 杂质可以使电子在其周围运动形成量子态，通常杂质能级出现在禁带之中。,杂质能级,施主和受
8、主的电离能都很小，因此，基本上全部电离，形成自由导电的电子和空穴。 族受主能级和族施主能级分别距离价带和导带很近，电离能小，称为浅能级。如果杂质能级距导带和价带较远，称为深能级。 如果同时存在施主和受主时，将互相补偿，当施主数目大于受主数目时，发生n型补偿；反之，发生p型补偿。,多子：多数载流子(majority carrier) n型半导体：电子 p型半导体：空穴 少子：少数载流子(minority carrier) n型半导体：空穴 p型半导体：电子,多子和少子的热平衡,在半导体中，由于热运动，总是存在两种运动过程： 电子空穴对的产生 电子空穴对的复合（recombination）,这两个
9、过程是对立的，并且也是同时存在的。当无外界影响时，半导体中将在产生和复合这两个过程的基础上形成热平衡。从宏观上看，电子和空穴浓度不变。,热平衡时，本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2,本征（intrinsic）情况,本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子,电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p,电中性条件: 正负电荷之和为0,p + Nd n Na = 0,电子的平衡统计,电子满足费米狄拉克统计，在据对温度为T的物体内，电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率为：,为费米能级。它反映了电子的填充水平。,非本征半导体的载流子,在非本征情形:,热平衡时:,
10、N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n,n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na,过剩载流子,由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子称为过剩载流子。当外界因素撤除后，过剩载流子逐渐消失，称为过剩载流子的复合。,在外电场的作用下，半导体中的载流子会形成两种运动状态： 漂移(drift)运动 扩散(diffusion)运动,Pn结,pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在
11、pn结基本结构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本性质。,pn结 (junction),pn结的基本结构,若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则会在P 型区和N 型区的交界面附近形成pn 结，它的行为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联。这种结构具有特殊的性质：单向导电性。PN 结是许多重要半导体器件的核心。,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层(depletion layer),P
12、N结及其单向导电性,1 . PN结的形成,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2. PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）(forward bias) 电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2) 加反向电压(反偏) (backward bias) 电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电
13、流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3. PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿(breakdown),热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,4. PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,
14、当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,PN结的应用 根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用正向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用
15、光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能 。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。,双极晶体管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。,双极型晶体管的几种常见外形 （a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组
16、成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射极 (emitter),收集极 (collector),基极 (base),双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,NPN晶体管的几种组态,共基极 共发射极 共收集极,晶体管中两个结的相互作用是通过载流子输运体现出来的，由于基区宽度远小于基区中少子的扩散长度，因此发射结注入基区的非平衡少子能够靠扩散通过基区，并被收集结电场拉向收集区，流出收集极，使得反向偏置收集结流过反向大电流。非平衡少子的扩散运动是晶体三级管的工作基础。,工作的基本条件： EB结正偏(forward bias)； CB结反偏(backward bias) 。
17、 VCCVBB VEE BJT的放大作用可表现为：用较小的基极电流控制较大的收集极电流，或将较小的电压按比例放大为较大的电压。,NPN晶体管的载流子输运,NPN晶体管的电流输运和电流转换,3. 晶体管的直流特性,3.1 共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，收集结反偏。,(2) 饱和区：发射结正偏，收集结正偏。,(3) 截止区： 发射结反偏， 收集结反偏。,晶体管的特性参数,晶体管的电流增益（放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、 ,反向漏电流,Icbo：发射极开路
18、时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一,晶体管的特性参数,晶体管的特性参数,晶体管的击穿电压,BVcbo 发射极开路 收集结反偏 BVceo 基极开路 收集极、发射极反偏 BVebo 收集极开路 发射结反偏,BVeeo晶体管的重要直流参数之一,MOS场效应晶体管,英文缩写：FET (field-effec-transistor) 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型： 第一类：结型场效应管（Junction FET） 第二类：绝缘栅型场效应管 （Insul
19、ated Gate FET） 又称：金属一氧化物一半导体型 （metal-oxide- semiconductor FET）; 简称 MOS型场效应管。,一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),MOS 场效应管,1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,MOSFET是一个四端器件。当漏源之间加偏压后，电位低的一端称为源，电位较高的一端称为漏。,2
20、. 工作原理,1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(阈值电压)时，GB 间的垂直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,反型层 (沟道 channel),2) uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断(pinch off)(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,非饱和区,饱和区,截止区 亚阀区,2、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线,MOS场效应管的分类,MOS管又分为 增强型(EMOS) (enhancement MOS) 耗尽型(DMOS) (depletion MOS ) 每一种又有 N沟道型 P沟道型 所以一共有四种： N沟道增强型（NEMOS） P沟道增强型（PEMOS） N沟道耗尽型（NDMOS） P沟道耗尽型（PDMOS）,P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,