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1、半导体器件的材料物理基础第1页，本讲稿共49页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介电常数载流子饱和速度Vs载流子迁移率载流子密度n(p)少数载流子寿命第2页，本讲稿共49页第一节第一节 迁移率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第3页，本讲稿共49页载流子迁移率的定义载流子迁移率的定义载流子迁移率:自由载流子在单位电场作用下的平均漂移速度。弱电场下，为常数；强电场下，随电场增加而减小第4页，本讲稿共49页载流子迁移率与器件特性载流子迁移率与器件特性载流子迁移率是决定半导体材料电阻率大小的两个重要参数之一。第5页，本讲稿共49页电流承受能力和载
2、流子迁移率有关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满足肖克莱方程第6页，本讲稿共49页载流子迁移率与扩散系数的关系 爱因斯坦关系在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定第7页，本讲稿共49页载流子迁移率与器件的工作频率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第8页，本讲稿共49页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第9页，本讲稿共49页晶格振动的散射晶格振动的散射 用电
3、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。第10页，本讲稿共49页两个常用的经验公式两个常用的经验公式 电子迁移率：空穴迁移率：第11页，本讲稿共49页电离杂质的散射电离杂质的散射 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第12页，本讲稿共49页载流子之间的散射载流子之间的散射 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。相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小。相
4、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：第13页，本讲稿共49页强电场作用下的载流子散射强电场作用下的载流子散射 弱电场下，为常数；强电场下，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：速度饱和效应 负微分迁移率现象第14页，本讲稿共49页迁移率与外场的关系迁移率与外场的关系为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，为热电子的迁移率，u为格波传播的速度，第15页，本讲稿共49页漂移速度的表示漂移速度的表示弱电场下：弱电场下：Vd=uE强电场下，以声学声子交换能量时：强电场下，以声学声子交换能量时：更强的电场下，以光学声子
5、交换能量时：更强的电场下，以光学声子交换能量时：第16页，本讲稿共49页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。第17页，本讲稿共49页负微分迁移效应 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。第18页，本讲稿共49页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19页，本讲稿共49页第二节 载流子密度和电阻率材料电阻率和
6、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20页，本讲稿共49页第二节 载流子密度和电阻率由上式可知，由上式可知，与掺杂浓度密切相关，可作为半导体纯度的反映；与掺杂浓度密切相关，可作为半导体纯度的反映；第21页，本讲稿共49页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。第22页，本讲稿共49页器件击穿雪崩击穿：高电压击穿；条件：足够高U和适当的WK第23页，本讲稿共49页器件穿通 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
7、称为穿通第24页，本讲稿共49页载流子统计第25页，本讲稿共49页简并半导体的载流子密度统计简并半导体的载流子密度统计第26页，本讲稿共49页载流子来源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；第27页，本讲稿共49页禁带窄化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；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；第28页，本讲稿共49
8、页问题讨论第29页，本讲稿共49页爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流子的扩散第30页，本讲稿共49页载流子饱和速度公式第31页，本讲稿共49页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32页，本讲稿共49页第三节第三节 少数载流子寿命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第33页，本讲稿共49页载流子寿命的概念载流子寿命的概念 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。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
9、要是少数载流子热平衡的恢复，所以总被称作少数载流子寿命。第34页，本讲稿共49页少子寿命与器件特性少子寿命与器件特性半导体器件工作过程中，同时存在载流子漂移、扩散、复合；漂移：电场力的作用，外加或内建电场；扩散：载流子浓度梯度；与少子寿命相关的器件特性：阻断特性、开关特性、导通特性等；第35页，本讲稿共49页少子寿命与阻断特性少子寿命与阻断特性耗尽近似的空间电荷区是阻断作用的主功能区，是不稳定的非平衡态，其恢复平衡态的趋势的强弱（用少子寿命衡量），影响阻断特性；由反向扩散电流：越大，反向扩散电流越小，阻断特性越好；第36页，本讲稿共49页少子寿命与导通特性少子寿命与导通特性少子寿命对导通特性的
10、影响，主要是双极器件；少子的电导调制使器件具有低的电阻和高的电流控制能力；由上式可知：越长，电导调制越强；第37页，本讲稿共49页少子寿命与开关特性少子寿命与开关特性主要是对于依靠少子输运的双极器件而言的；输运载流子的结区积聚效应；反抽作用；第38页，本讲稿共49页少子寿命与光电器件的特性少子寿命与光电器件的特性太阳能之类的光生器件靠光生载流子输运，故越长，光电特性越好；第39页，本讲稿共49页少子寿命优选少子寿命优选开关特性要求小，阻断特性、导通特性和光电池要求大；故应根据器件特性，进行优选；优选少子寿命，主要是是指选择合适的复合中心，即杂质或缺陷中心的能级；第40页，本讲稿共49页非平衡载
11、流子的复合机制非平衡载流子的复合机制直接复合：直接在导带与价带之间的复合；间接复合：通过禁带中的复合中心的复合；表面复合：发生在表面的复合；第41页，本讲稿共49页复合过程中的能量转移复合过程中的能量转移发射光子，即辐射复合；发射声子，能量传递给晶格振动。多声子复合；激发另外的电子或空穴，即俄歇复合；第42页，本讲稿共49页直接复合寿命直接复合寿命直接禁带复合快于间接禁带；直接禁带型半导体材料的价带顶空穴和导带底电子之间无动量差，它们越过禁带直接复合无需借助声子保持动量平衡，所以直接复合型半导体比间接禁带型半导体的直接复合系数B大得多第43页，本讲稿共49页直接复合寿命直接复合寿命寿命：其中，B为直接辐射复合系数：第44页，本讲稿共49页间接复合寿命间接复合寿命第45页，本讲稿共49页第46页，本讲稿共49页俄歇复合寿命俄歇复合寿命第47页，本讲稿共49页小注入的俄歇复合寿命小注入的俄歇复合寿命第48页，本讲稿共49页多种复合共同作用的寿命多种复合共同作用的寿命不可能只有一种机构独立作用，即使多种机构共存，往往只有一种其主要作用；第49页，本讲稿共49页