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1、第2章集成器件物理基础第1页，共113页，编辑于2022年，星期一恩智浦与恩智浦与ThomsonThomson合并合并CANCAN调谐器模块业务调谐器模块业务 成立一家合资企业成立一家合资企业 20072007年年DRAMDRAM供货商营收表现远逊于前年供货商营收表现远逊于前年 预期今年市场规模也将缩预期今年市场规模也将缩减减 20082008年全球年全球DRAMDRAM厂全面调降资本支出计划厂全面调降资本支出计划 占营收比重跌至占营收比重跌至44%44%项目搁浅推迟项目搁浅推迟 20082008年晶圆厂设备支出将下滑年晶圆厂设备支出将下滑1515 美商美商First SolarFirst S
2、olar领军让薄膜太阳能再度反弹领军让薄膜太阳能再度反弹 台系薄膜厂受青睐台系薄膜厂受青睐 太阳能业务强劲增长太阳能业务强劲增长 应用材料劲升应用材料劲升7%7%以上以上日立逐渐退出半导体制造领域日立逐渐退出半导体制造领域 新加坡新加坡8 8英寸晶圆厂被收购英寸晶圆厂被收购 东芝计划投资数十亿发展东芝计划投资数十亿发展NANDNAND产业产业 在日本建立两座在日本建立两座NANDNAND芯片工厂芯片工厂 英特尔：闪存替代产品全新英特尔：闪存替代产品全新PCMPCM芯片将进入全面量产阶段芯片将进入全面量产阶段第2页，共113页，编辑于2022年，星期一第2章 集成器件物理基础2.1 2.1 半导
3、体及其能带模型半导体及其能带模型1、半导体及其共价键结构(1).半导体材料半导体材料 元素半导体 硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体:砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷(InGaAs)材料导体半导体绝缘体电阻率（.cm)100第3页，共113页，编辑于2022年，星期一室温下纯硅的电阻率为：室温下纯硅的电阻率为：2.14105 .cm半导体导电特性与导体和绝缘体相比半导体导电特性与导体和绝缘体相比,有其独特的性质。杂质原子的含量对半导体材料的导电性能起决定性作用。通过掺杂改变其导电能力,从而制成各种器件。(2)掺杂对半导体电导率的影响第4页，共113页，编辑于2022年，星期一
4、常用的半导体材料有元素半导体和化合物半导体两类：硅、锗、砷化镓、磷化铟等硅是人类迄今研究最深入、了解最清楚的物质。硅是人类迄今研究最深入、了解最清楚的物质。现在人类提取的最纯的材料是硅，人类制取的最大单晶材料也是硅。硅的生长采用直拉（硅的生长采用直拉（CZ，切克劳基）单晶或区熔单晶，前者占主导地位2.几种常用元素的原子结构第5页，共113页，编辑于2022年，星期一硅的原子结构Si +14第6页，共113页，编辑于2022年，星期一硅的晶体结构:具有金刚石晶格结构,由两个面心立方晶格套合而成由两个面心立方晶格套合而成.第7页，共113页，编辑于2022年，星期一3.硅晶体中的共价键第8页，共1
5、13页，编辑于2022年，星期一4 单晶和多晶第9页，共113页，编辑于2022年，星期一5 半导体的导电机构(1)热激发在一定温度下，晶体中的价电子虽然是处于共价键的束缚中，但同时也在键中不断做热运动。本征半导体硅导电能力很差，内部自由电子很少，但是本征半导体硅导电能力很差，内部自由电子很少，但是束缚力很弱。束缚力很弱。价电子存在热运动，一部分有较大能量，冲破束缚变成价电子存在热运动，一部分有较大能量，冲破束缚变成自由电子，并破坏共价键，留下一个电子空位，称热激自由电子，并破坏共价键，留下一个电子空位，称热激发过程。发过程。价电子所需的最小能量称为激活能。如有外加电场，热激发产生的自由电子会
6、形成定向运动，如有外加电场，热激发产生的自由电子会形成定向运动，形成电流。形成电流。第10页，共113页，编辑于2022年，星期一电子被激发成自由电子，破坏了电中性，相当于空位带电子被激发成自由电子，破坏了电中性，相当于空位带一个正电荷。一个正电荷。电子能量相近，邻近共价键上的电子可来填充，相当于电子能量相近，邻近共价键上的电子可来填充，相当于空位的反向移动。这个过程持续下去，相当于空位在晶空位的反向移动。这个过程持续下去，相当于空位在晶体中运动。体中运动。在有外电场时，价电子将逆电场方向填补空位，是定向运动，相当于带正电的空位沿电场运动，形成电流。带正电的空位可看成是带正电荷的粒子，称之为带
7、正电的空位可看成是带正电荷的粒子，称之为“空穴空穴”。（2）空穴第11页，共113页，编辑于2022年，星期一（3）半导体中的载流子电子和空穴统称为载流子对于本征半导体来说，产生一定数量的自由电子对于本征半导体来说，产生一定数量的自由电子-空穴对，它们的浓度必定相等，ni=pi。第12页，共113页，编辑于2022年，星期一1.1.能带和能级能带和能级能带和能级能带和能级原子能级：电子分层绕核运动，各层轨道上运动的电子具有一定能量，这些能量不连续，只能取某些固定数值，称为能级。n=3n=2n=1Si +142.1.2 半导体的能带模型第13页，共113页，编辑于2022年，星期一晶体中的能带：
8、当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的能级都要发生分裂：第14页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）.固体的能带能带也是一系列能级组成的，但由于如此多，间隔很小，能带也是一系列能级组成的，但由于如此多，间隔很小，因此可以认为是连续的。因此可以认为是连续的。绝缘体的绝缘体的Eg：510ev510evSi:1.12ev,Ge:0.67ev,GaAs:1.43evSiOSiO2:8ev（3）价带、禁带、导带第15页，共113页，编辑于2022年，星期一导带导带价带价带EcEvEg禁带禁带半半 导导 体体第16页，共113页，编辑于2022年，星期一导带导带价带价带EcEvEg禁带禁
9、带Eg导带导带价带价带EcEv禁带禁带EcEv绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体3 绝缘体、半导体的金属的能带第17页，共113页，编辑于2022年，星期一1eV=1.6010-19J一般绝缘体的禁带宽度Eg为610eV禁带宽度Eg随温度T而变：Si:Eg=1.205-0.2810-3TGe:Eg=0.785-2.23 10-4T砷化镓禁带宽度砷化镓禁带宽度 Ea(T)=Ea(0)-aT2 2/(b+T)式中，式中，Ea(0)=1.519eV，a=5.40510a=5.40510-4-4cVcVK，b=204K，T T为绝对温度。为绝对温度。第18页，共113页，编辑于2022年，星期一 T为绝
10、对温度，k为玻尔兹曼常数（其值为8.6210-6ev/k)当E-EF是KT的倍以上时，可以用玻尔兹曼分布代替费米分布2.1.3 费米分布函数第19页，共113页，编辑于2022年，星期一费米能级的含义第20页，共113页，编辑于2022年，星期一第21页，共113页，编辑于2022年，星期一2.2 半导体的导电性2.2.1 本征半导体首先讨论没有杂质和缺陷的纯净半导体材料，其导电特性取决于其本身固有特征，称为本征半导体。1.产生和复合的动态平衡产生：一定温度下，由于热激发在半导体中产生的一定数量的自由电子空穴对。复合：空穴是共价键盘上的空位，当自由电子在运动中复合：空穴是共价键盘上的空位，当自
11、由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子回到共价键的空位上，从而消与空穴相遇时，自由电子回到共价键的空位上，从而消失了一对电子空穴。失了一对电子空穴。动态平衡状态：自由电子和空穴数目越多，复合作用越强，在一定温度下直到达到一个稳定的浓度，这时的状态称为动态平衡状态。第22页，共113页，编辑于2022年，星期一2.本征载流子浓度与温度的关系 在本征半导体中，在一定温度下半导体中的自由电子和空穴在单位时间内产生和复合的载流子的数量相等，此时半导体中载流子的浓度不再增加或减少，而是保持一个确定的浓度，这时半导体所处的状态称为“动态平衡状态”，平衡时半导体内的载流子称为本征载流子。（1）本征载流子：平衡
12、时半导体内的载流子 ni和pi分别表示平衡时的本征半导体内的自由电子浓度和空穴浓度。由于电子空穴是成对产生，也成对复合，故有 Ni=Pi。第23页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）本征载流子浓度和温度的关系 随着温度的升高，本征载流子浓度呈指数增加室温下，硅、锗和砷化镓的本征载流子浓度呈指数增加：第24页，共113页，编辑于2022年，星期一NANDxpOPPnPnnxxn载流子浓度1018102xdXd为耗尽层宽度第25页，共113页，编辑于2022年，星期一在室温附近，对于纯硅材料，温度每升高11,载流子浓度增加一倍。第26页，共113页，编辑于2022年，星期一2.2.2 2.
13、2.2 非本征载流子非本征载流子掺杂杂质：三五族，磷（P），锑（Sb）和砷（As)。1.n型半导体第27页，共113页，编辑于2022年，星期一参杂物质：硼（B），镓（Ga）和铟（In）2.P型半导体第28页，共113页，编辑于2022年，星期一施主：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 受主：受主：AcceptorAcceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如供导电的空穴，并成为带负电的离子。如SiSi中掺的中掺的B B施主和受主浓度：ND D、NA A第
14、29页，共113页，编辑于2022年，星期一施主能级施主能级受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杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态第30页，共113页，编辑于2022年，星期一3 补偿半导体中往往同时包含两种载流子。施主杂质提供的自由电子会通过复合与受主杂质提供的空穴相抵消，使总的载流子数量反而减少，这种现象称为补偿。补偿后的半导体性质取决于补偿后哪类杂质起主导作用。补偿后的半导体性质取决于补偿后哪类杂质起主导作用。若施主杂质浓度若施主杂质浓度Nd大于受主杂质浓度大于受主杂质浓度N NA，补偿后，施主杂质提供的自由电子起主导作用，半导体就是N N型，反之是
15、型，反之是P型。型。补偿型半导体材料的性质比本征半导体材料差。第31页，共113页，编辑于2022年，星期一（1 1）质量作用定律质量作用定律在热平衡时，半导体中电子浓度（n n）和空穴浓）和空穴浓度（度（P P）的乘积为一个常数。）的乘积为一个常数。4 多数载流子和少数载流子第32页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）多子和少子掺入杂质产半导体中，不仅提高了导电率，而且一种载掺入杂质产半导体中，不仅提高了导电率，而且一种载流子的浓度高于另一种载流子的浓度。如在流子的浓度高于另一种载流子的浓度。如在N型半导体 中，自由电子浓度明显大于空穴浓度在P P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度。通
16、常将浓度高的载流子称为多子多子，浓度低的载流子称，浓度低的载流子称为为少子少子。第33页，共113页，编辑于2022年，星期一（3）N型半导体中的载流子在n型半导体中，电子浓度与施主浓度基本相等，即：（4）P型半导体中的载流子在P型半导体中，空穴浓度与受主浓度基本相等，即：第34页，共113页，编辑于2022年，星期一（5）电中性条件 对于同时含有n型和P型掺杂的半导体，总的正电荷数应等于负电荷数目。ND+p=NA+n（6）掺杂水平的描述浓度浓度1010101919N型轻掺杂N-N重掺杂N+P型轻掺杂P-P重掺杂P+第35页，共113页，编辑于2022年，星期一在平衡状态下，半导体中的费米能级
17、E是一个常数，Ei为禁带中心能级的位置。显然有np=ni2本征半导体有 Ei=EF电子是多子，电子是多子，空穴是少子空穴是少子空穴是多子，空穴是多子，电子是少子电子是少子5.电子、空穴浓度的一般计算公式:第36页，共113页，编辑于2022年，星期一2.2.3 半导体中载流子的漂移1.1.热运动与漂移运动热运动与漂移运动（）热运动自由电子和空穴在一定温度下，作杂乱无章的运动，速度高达cm/scm/s。无电场运动第37页，共113页，编辑于2022年，星期一（）漂移运动 加一外加电场，载流子在热运动基础上叠加一个电场作用下的运动。有电场运动电场强度一定时，载流子具有一定的漂移速度，记为电场强度一
18、定时，载流子具有一定的漂移速度，记为 ，第38页，共113页，编辑于2022年，星期一2.迁移率迁移率 漂移速度与电场强度之比例因子称为载流子的迁移率。迁移率表示了载流子在半导体的运动难易程度，其单位为：cm2/V.s 迁移率越高，器件的工作速度也越高。几种半导体材料的迁移率SiGeGaAS电子迁移率150039008500空穴迁移率4501900400第39页，共113页，编辑于2022年，星期一影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格
19、散射（热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射第40页，共113页，编辑于2022年，星期一饱和漂移速度：电场增强时，由于其他色散作用的存在，漂移速度趋于一个常数。第41页，共113页，编辑于2022年，星期一3.漂移电流和电导率总的漂移电流：由此得到半导体的电导率为：对于p型半导体，pn，故：对于n型半导体，np，故：第42页，共113页，编辑于2022年，星期一2.2.4 半导体中的扩散电流金属中只有漂移电流，在半导体中，还有扩散电流。金属中只有漂移电流，在半导体中，还有扩散电流。1、载流子的寿命（1）非平衡载流子采用高能源进行瞬时激发，表面的电子空穴对急剧采用高能源进行瞬
20、时激发，表面的电子空穴对急剧增加，表面处浓度超出平衡态时浓度，称为非平衡增加，表面处浓度超出平衡态时浓度，称为非平衡态，超出平衡态的那部分载流子称为非平衡态载流态，超出平衡态的那部分载流子称为非平衡态载流子。子。第43页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）非平衡载流子的寿命（3）非平衡载流子复合机理 A.直接复合 b.体内间接复合 c.表面复合半导体材料中的非平衡载流子寿命与材料的种类、材料中的缺陷、起复合中心作用的杂质多少以及表面状态有非常密切的关系。（4）载流子的净产生和净复合平衡被破坏时，存在净产生或净复合第44页，共113页，编辑于2022年，星期一2、载流子的扩散运动1.1.
21、扩散运动由于扩散运动，单位时间内通过垂直于由于扩散运动，单位时间内通过垂直于x方向单位面积的粒子数称为扩散流密度。记非平衡载流子扩散密度为F FD扩散流密度大小与粒子浓度梯度成正比，扩散流方向扩散流密度大小与粒子浓度梯度成正比，扩散流方向指向浓度减少方向指向浓度减少方向,对于非平衡载流子空穴的情况对于非平衡载流子空穴的情况,有有如下公式。如下公式。Dp为非平衡载流子空穴的扩散系数，单位为为非平衡载流子空穴的扩散系数，单位为cmcm2 2/s/s，它反映了扩散本领的强弱。它反映了扩散本领的强弱。第45页，共113页，编辑于2022年，星期一.扩散电流 电子和空穴的扩散运动形成扩散电流电子和空穴的
22、扩散流电子和空穴的扩散流分别是：分别是：相应的电子和空穴的扩散电流分别是：浓度梯度第46页，共113页，编辑于2022年，星期一2.2.5 半导体中的电流半导体中的电流为漂移电流和扩散电流之和总的电子电流为：总的电子电流为：总的空穴电流为：第47页，共113页，编辑于2022年，星期一1 爱因斯坦关系由于扩散和漂移都是统计热力学现象由于扩散和漂移都是统计热力学现象,反映了载流子反映了载流子伴随热运动的两种不同运动形式伴随热运动的两种不同运动形式,所以扩散系数所以扩散系数D D和和迁移率迁移率 有关系有关系.式中式中V VT T为热电势在室温在室温 k k时，时，V VT为为0.026V0.02
23、6V，即即2.2.6 半导体基本方程第48页，共113页，编辑于2022年，星期一描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增加第49页，共113页，编辑于2022年，星期一2 半导体基本方程半导体基本方程根据前面分析及半导体物理理论根据前面分析及半导体物理理论,得到下列决定半导体及其器件特性的5个方程。电流密度方程第50页，共113页，编辑于2022年，星期一电流连续性方程GGn n和Gp p分别为电子和空穴的净产生率分别为电子和空穴的净产生率该方程表示了漂移、扩散同时存在且非稳定状态下载流该方程表示
24、了漂移、扩散同时存在且非稳定状态下载流子所遵循的方程。子所遵循的方程。以第以第2 2式为例，表示在某一薄层式为例，表示在某一薄层x x中空穴浓度随时间的增中空穴浓度随时间的增加量（加量（p/p/t t）等于单位时间内净流进的空穴(-1/p)(Jp/t)和该空间中净产生的空穴(Gp)之和。第51页，共113页，编辑于2022年，星期一 泊松方程(x)(x)为电荷密度，为电荷密度，为介电常数，V(x)为半导体的电势上式是高斯定理的数学形式，即在任何静电场中，通过任上式是高斯定理的数学形式，即在任何静电场中，通过任一闭合曲面的电通量等于这闭个闭合曲面所包围的电荷的一闭合曲面的电通量等于这闭个闭合曲面
25、所包围的电荷的代数和。代数和。第52页，共113页，编辑于2022年，星期一方程的形式方程的形式1方程的形式方程的形式2电荷电荷密度密度(x)可动的可动的 载流子（载流子（n,p)固定的固定的 电离的施主、受主电离的施主、受主特例：特例：均匀均匀Si中，无外加中，无外加偏压时，偏压时，方程方程RHS0，静电势为常数静电势为常数第53页，共113页，编辑于2022年，星期一 电流连续方程电流连续方程 可动载流可动载流子的守恒子的守恒热平衡时：热平衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2电子：电子：空穴空穴第54页，共113页，编辑于2022年，星期一 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程
26、载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散项扩散项漂移项漂移项方程形式方程形式1第55页，共113页，编辑于2022年，星期一爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼关系波耳兹曼关系方程形式方程形式2电子和空穴的准费米势：电子和空穴的准费米势：费米势第56页，共113页，编辑于2022年，星期一(1)(1)求:1 300K时本征硅的电阻率(2)掺进施主型杂质后,电阻率减到电阻率减到9.69.6欧.厘米,计算计算每单位体积里施主原子与硅原子的比每单位体积里施主原子与硅原子的比.(3)(3)计算使硅中具有一个电子伏特平均能量所需要的电场.(4)确定确定300K300K时锗样件中自由电子和空穴的浓
27、度.已知其施主浓度等于2 2101414个原子个原子/厘米厘米3,受受主浓度等于3 31014个原子个原子/厘米厘米3,这是这是P P型锗还是型锗还是n型锗.第57页，共113页，编辑于2022年，星期一第58页，共113页，编辑于2022年，星期一2.3 PN结和晶体二极管集成电路和半导体器件的许多特性都是集成电路和半导体器件的许多特性都是PNPN结相互作用结相互作用的结果，因此的结果，因此PNPN结是微电子器件的基础。IC中的中的PN结结PN结结第59页，共113页，编辑于2022年，星期一第60页，共113页，编辑于2022年，星期一2.3.1 平衡状态下的pn结PN结示意图及二极管表示
28、符号NPN+P-Si击穿电压反向饱和电流 二极管结构二极管结构 实际实际PNPN结剖面图结剖面图 二极管伏安特性二极管伏安特性IV第61页，共113页，编辑于2022年，星期一1.空间电荷区的形成多子少子两边的电子和空穴浓度存在较大的浓度差，相互扩散，离化杂质形成带电区域，称为空间电荷区少子多子空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电空间电荷区为荷区为高阻区，高阻区，因为缺因为缺少载流少载流子子第62页，共113页，编辑于2022年，星期一PNPN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子，空穴是少子，在P P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电
29、子是少子当形成当形成PNPN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度存在较结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度存在较大差异，这就导致大差异，这就导致P P型区的空穴向N N型区扩散，型区扩散，N型区型区的电子向的电子向P P型区扩散。P P区边界处因只剩下失去了空穴区边界处因只剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，的离化受主杂质而带负电，N N区边界处因只剩下失去了区边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带正电，这些离化的杂质位于晶电子的离化施主杂质而带正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动，它们就在格之中不能运动，它们就在P P 结附近形成了一个带电区域，称为空间电荷区。第63页，共113页，编
30、辑于2022年，星期一PN结空间电荷区（耗尽区）形成的原因：载流子的漂移和扩散运动形成的原因：载流子的漂移和扩散运动耗尽区耗尽区载流子载流子分布分布第64页，共113页，编辑于2022年，星期一由空间电荷区形成的电场称为自建电场，方向由N区指向P区。载流子进行漂移运动，方向与扩散运动方向相反，随着不断扩散，两个运动都增强，直到完全相互抵消，达到平衡状态。此时的载流子分布如图所示。第65页，共113页，编辑于2022年，星期一NANDxpOPPnPnnxxn载流子浓度1018102xdXd为耗尽层宽度pn第66页，共113页，编辑于2022年，星期一2.势垒区 自建场的建立,必然形成相应的电位分
31、布,电位分布与位置有关,在空间电荷区两侧的中性区,电位是常数.取P区电位为参考点,则N区将呈现正电位。OxVDN区P区第67页，共113页，编辑于2022年，星期一2.平衡的平衡的PN结：结：没有外加偏压没有外加偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势，形成自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势第68页，共113页，编辑于2022年，星期一 两边电位差VD称为接触电势差。ND为空间电荷区N型一侧边界处施主杂质浓度，NA为空间电荷区P型一侧边界处受主杂质浓度，因此接触电势差的大小与PN结两
32、侧掺杂浓度有关。一般硅PN结的VD为0.6V，锗PN结的VD为0.3V。第69页，共113页，编辑于2022年，星期一由于在PNPN结中形成了电位分布，导带中的电子在不同的电位处有不同的能量(-qV)。与此相对应的是导带将不再水平，而是在原来的基础上叠加一个(-qV(x)，这就使能带发生了弯曲，如下图所示。P区中导带电子比区中导带电子比N N区中电子势能高qVqVD，也就是说势能，也就是说势能低的低的N区电子必须克服这个势垒才能到达势能高的区电子必须克服这个势垒才能到达势能高的P区，因此空间电荷区又称为势垒区.PNqVqVD DEcEvEF第70页，共113页，编辑于2022年，星期一能带结构
33、能带结构能带结构能带结构第71页，共113页，编辑于2022年，星期一3 耗尽层由于在空间电荷区中,载流子非常少,大多数是已电离的杂质原子,可以认为空间电荷区中载流子已完全耗尽,故形象地称为耗尽层.空间电荷区=势垒区=耗尽区第72页，共113页，编辑于2022年，星期一自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直平衡时的能带结构平衡时的能带结构第73页，共113页，编辑于2022年，星期一有一个硅二极管P区和N区的掺杂浓度均为11016个原子/cm3,求接触电势差如果是锗第74页，共113页，编辑于2022年，星期一1.正向偏压作用P P区接外加电源正极区接外加电源正极,N,N区加外接电源的负
34、极区加外接电源的负极由于耗尽区中载流子已完全耗尽,因此该区域为高阻区,外加电压基本全落在空间电荷区上.外加电场与自建电场方向相反,使空间电荷区中的自建电场减小,空间电荷区中形成电场的电荷总量相应减少其结果是势垒区高度从qVD降至q(VD-V),-V),势垒区宽度也相势垒区宽度也相应变窄应变窄.+-2.3.2 pn结的单向导电性第75页，共113页，编辑于2022年，星期一空间电荷区中电场减小后空间电荷区中电场减小后,就削弱了漂移运动就削弱了漂移运动,从而破坏了载流子原来扩散运动和漂移运动的平衡,使扩散电流大于漂移电流.在外正向电压作用下在外正向电压作用下,电子从N N区向区向P P区区,空穴从
35、空穴从P P区向N N区分别形成净扩散流.此时进入此时进入P区的电子流和进入区的电子流和进入N区的空穴流都是相应区域中的少数载流子,使区域中的少数载流子高于平衡使区域中的少数载流子高于平衡时的数值时的数值,它们是非平衡少数载流子.由于现在进入半导体中的非平衡载流子是外加电压作用由于现在进入半导体中的非平衡载流子是外加电压作用的结果的结果,因此称为电注入因此称为电注入.第76页，共113页，编辑于2022年，星期一2.反向偏压作用外加偏压几乎全落在空间电外加偏压几乎全落在空间电荷区上荷区上.方向与空间电荷区内方向与空间电荷区内建电场一致建电场一致,使空间电荷区变使空间电荷区变宽，相应势垒高度也由
36、宽，相应势垒高度也由qVD增至q(VD D+V)。由于电场增强，加强了载流由于电场增强，加强了载流子的漂移运动，打破了原先子的漂移运动，打破了原先已达成的扩散电流和漂移运已达成的扩散电流和漂移运动之间的平衡。动之间的平衡。第77页，共113页，编辑于2022年，星期一这样空间电荷区中这样空间电荷区中NN区一侧边界区一侧边界xn处的空穴被强电场驱处的空穴被强电场驱向向P P区，使该处少子空穴浓度低于区，使该处少子空穴浓度低于N区内部少子空穴浓度，形成浓度差，因此NN区内部空穴就会通过扩散运动区内部空穴就会通过扩散运动前来补充，前来补充，但一旦扩散到x xn n处又处又立即被强电场拉到P P区。如
37、同该处少子被不断抽出，又称为少数载流子的抽出或吸出。P区中的电子情况与此类似第78页，共113页，编辑于2022年，星期一由于少子浓度很低，扩散长度为一定值，所以当反偏时由于少子浓度很低，扩散长度为一定值，所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度较小，相应的反向电流也小。空间电荷区边界处少子梯度较小，相应的反向电流也小。当反向电压很大时，空间电荷区边界处少子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度梯度趋于常数，电流就基本保持不变。所以所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随外加电压的结反偏时表现为电流较小，而且随外加电压的增加电流趋于饱和。增加电流趋于饱和。第79页，共113页，编辑于2022年，星期一1
38、.理想pn结模型（1）小注入（2）耗尽层近似）耗尽层近似（3）不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用（4）耗尽层边界处载流子浓度满足玻尔兹曼分布。）耗尽层边界处载流子浓度满足玻尔兹曼分布。2.3.3 理想pn结模型及其伏-安特性第80页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）理想伏安特性 在理想PN结模型下，解半导体方程，可得到下面的公式：IS为为pnpn结饱和电流结饱和电流Np0p0和pn0n0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和少子空穴浓度。Ln 和 Lp p分别为电子和空穴的扩散长度。Dn n和和D Dp：扩散系数，n和和p：载流子寿命：载流子寿命第81页，共113页，编辑于2022
39、年，星期一（3）PN结的单向导电性在室温下，(kT/qkT/q)=0.026V0.026V，若外加正向偏压，若外加正向偏压V比比(kT/q)大很多时，电流和电压有近似指数关系。大很多时，电流和电压有近似指数关系。当V V为反偏时，为反偏时，V为负值，若外加反向偏压绝对值为负值，若外加反向偏压绝对值V V比(kT/qkT/q)大很多时，有I I-I-IS S说说明明电电流近似流近似为为常数，呈常数，呈饱饱和状和状态态，因此，因此Is Is称称为饱为饱和和电电流。流。即即PNPN结结具有具有单单向向导电导电性。性。第82页，共113页，编辑于2022年，星期一(4)单边突变PN结 单边突变PN结：
40、一边的掺杂浓度远大于另一边的掺杂浓度。如NPN三极晶体管中，发射极的掺杂浓度远大于作为基区的P区的掺杂浓度，记作N+P。在这种情况下，N区中的多子nn0远大于P区多子空穴浓度pp0，因此N区中的平衡少子pn0远小于P区平衡少子浓度np0，则有第83页，共113页，编辑于2022年，星期一2 实际的伏安特性N N称为发射系数，N=12N=12硅二极管的反向饱和电流为nAnA级（室温）级（室温）锗二极管的反向饱和电流为锗二极管的反向饱和电流为uA级（室温）I IS S随温度变化而变化，成正比随温度变化而变化，成正比每上升每上升10,增加一倍电流增加一倍电流第84页，共113页，编辑于2022年，星
41、期一2.3.4 pn结电容PNPN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN结结的高频应用。的高频应用。1.pn结势垒电容（1 1）pnpn结势垒电容定性分析随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充放电。这种与存入和取出，此现象相当于一个电容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为C CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关，是一个可变电容。第85页，共113页，编辑于2022年，星期一突变结电容的定量计算突变PN结势垒区中电荷和电场的分布突变结指突变结指P
42、 P区和区和N N区内杂质分布区内杂质分布均匀均匀,在结处发生突变。在结处发生突变。在耗尽层近似下可得到由下式表在耗尽层近似下可得到由下式表示的空间电荷区电荷密度分布。示的空间电荷区电荷密度分布。第86页，共113页，编辑于2022年，星期一突变结电场分布：-xpx0 0 xxn势垒电容第87页，共113页，编辑于2022年，星期一势垒电容CT为：上式表明，势垒区电容相当于一个平板电容器。该平板电容器极板之间的距离就是势垒区宽度。第88页，共113页，编辑于2022年，星期一对于P+N单边突变结，单边突变结，xd d和和C CT为：对于PN+结，将上式中的N ND改为改为N NA可见，势垒区宽
43、度和电容主要由轻掺杂一边的杂质浓度和外加电压决定。第89页，共113页，编辑于2022年，星期一 反偏情况下势垒电容的一般形式 将外加电压为0时的势垒电容称为零偏电容记为CT0,则突变PN结的零偏势垒电容为第90页，共113页，编辑于2022年，星期一（3）势垒电容的一般形式线性缓变结线性缓变结势垒电容的一般形式第91页，共113页，编辑于2022年，星期一一个硅二极管ND为1015/cm3,NA远大于ND，VD为0.5V，若外加偏置电压为10V，求空间电荷区的宽度和势垒电容第92页，共113页，编辑于2022年，星期一正偏时的势垒电容正偏时,势垒区宽度xd减小,导致势垒区电容增大.但这里有大
44、量载流子通过势垒区,对势垒电容也有影响 VVD/2 VVD/2第93页，共113页，编辑于2022年，星期一2、扩散电容（1）扩散电容的定性分析由于扩散区中存储电荷的数量随外加电压变化的作由于扩散区中存储电荷的数量随外加电压变化的作用相当于是一种电容效应，称之为扩散电容。用相当于是一种电容效应，称之为扩散电容。第94页，共113页，编辑于2022年，星期一（2）扩散电容的计算公式单位面积扩散电容为：第95页，共113页，编辑于2022年，星期一总的扩散电容对于对于p+n结：结：对照结电流的表达式，令对照结电流的表达式，令J JD D=I/A=I/A，则CD为：为：第96页，共113页，编辑于2
45、022年，星期一3 PN3 PN结电容结电容PN结电容等于势垒电容和扩散电容之和.正向偏置时,由于正向电流JD较大,使扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的饱和电流,扩散电容很小,主要是势垒电容起作用.第97页，共113页，编辑于2022年，星期一击穿现象:加在加在PNPN结上的电压增大到一定程度时，出现反向电流突然变得很大。1.雪崩击穿由于反向偏压，势垒中的电场很强以致电子和空穴由于反向偏压，势垒中的电场很强以致电子和空穴在电场的加速下能把价键上的电子碰撞出来产生新在电场的加速下能把价键上的电子碰撞出来产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场的加速下又的电子空穴对。新的电子空穴对
46、在电场的加速下又能把价键上的电子碰撞出来能把价键上的电子碰撞出来如此连锁反应好比雪崩一样，导致电流迅速增加。2.3.5 pn结击穿第98页，共113页，编辑于2022年，星期一掺杂浓度越低，击穿电压越高第99页，共113页，编辑于2022年，星期一2.隧道击穿（齐纳击穿）在较高的反向偏压的作用下，pn结p区价带顶附近电子的能量可升高到超过n区导带底电子能量的程度，使p区中的价带的电子可以借助量子力学中的隧道效应穿过禁带而直接到达n区导带，从而构成很大的反向电流。第100页，共113页，编辑于2022年，星期一3 热击穿功率器件中的PN结，由于反向功率损耗发热，会引起PN结温度升高，温升又引起载
47、流子本征激发增强,促使反向电流增大。电流增大的结果使温升继续上升，如果器件散热不良，这种连锁反应会形成电流的急剧增加，导致PN结损坏。第101页，共113页，编辑于2022年，星期一2.3.6 二极管等效电路模型和二极管应用二极管等效电路模型和二极管应用器件模型和模型参数器件模型和模型参数二极管、三极管、MOSMOS管是非线性器件，描述器件特管是非线性器件，描述器件特性的端电压和端电流之间的关系比较复杂。性的端电压和端电流之间的关系比较复杂。为了对包含这种器件的电路进行定量分析，为了对包含这种器件的电路进行定量分析，一般都用一般都用一个等效电路代替相应的器件。这种等效电路称为一个等效电路代替相
48、应的器件。这种等效电路称为器件器件模型模型，等效电路中各个元件值所用的参数称为器件器件模型参数模型参数。一般通过器件物理分析确定不同类型器件的等效电路模一般通过器件物理分析确定不同类型器件的等效电路模型的具体形式，再根据器件特性测试数据撮出该器件特型的具体形式，再根据器件特性测试数据撮出该器件特性的模型参数。性的模型参数。目前，电路模拟软件都包括有模型参数库。目前，电路模拟软件都包括有模型参数库。第102页，共113页，编辑于2022年，星期一根据前面所述的根据前面所述的PN结直流特性、电容效应和击穿，可得下结直流特性、电容效应和击穿，可得下面的二极管等效电路模型面的二极管等效电路模型2.二极
49、管等效电路模型和模型参数第103页，共113页，编辑于2022年，星期一（1）伏）伏-安特性安特性（2 2）端电压V Vd与结电压与结电压V VJ关系 V VJ J=Vd-IDRS S(3)电容表达式电容表达式 （势垒电容）（扩散电容）（扩散电容）第104页，共113页，编辑于2022年，星期一3 二极管模型参数第105页，共113页，编辑于2022年，星期一整流、钳位、检波、稳压、电平位移等功能。特殊作用：特殊作用：PNPN结隔离，结隔离，PN结电容2.3.7 pn结及其应用第106页，共113页，编辑于2022年，星期一1.1.肖特基二极管（肖特基二极管（SBDSBD）2.3.8 其他半导
50、体二极管第107页，共113页，编辑于2022年，星期一肖特基二极管是利用金属和半导体的功函数的不同而形肖特基二极管是利用金属和半导体的功函数的不同而形成的一种整流接触二极管。是多数载流子工作的一种单成的一种整流接触二极管。是多数载流子工作的一种单极型器件，响应速度快。极型器件，响应速度快。金属和半导体接触时有势垒，称为接触电势差，该势垒金属和半导体接触时有势垒，称为接触电势差，该势垒只允许载流子往一个方向流动，反之则不行，这种接触只允许载流子往一个方向流动，反之则不行，这种接触有单向导电性，故称为整流接触。有单向导电性，故称为整流接触。第108页，共113页，编辑于2022年，星期一 均匀掺