半导体器件原理ppt课件.ppt
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1、半导体器件原理,秦明东南大学MEMS教育部重点实验室Tel:025-83792632 ext.8809Email:,半导体器件原理,教材:半导体器件基础,Robert F. Pierret著,黄如等译,电子工业出版社参考书:半导体器件物理, 刘树林等编著,电子工业出版社微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理,电子工业出版社,曹培栋编著,半导体器件,半导体物理基础pn结BJTMOSFETJFET/MESFET简介,固态电子学分支之一,微电子学,光电子学,研究在固体(主要是半导体材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科,微电子学简介:,半导体物理基础,微电子学研究领域,半导体器件物理
2、集成电路工艺集成电路设计和测试,微电子学发展的特点,向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透,形成新的学科领域: 光电集成、MEMS、生物芯片,半导体物理基础,固体材料分成:超导体、导体、半导体、绝缘体,什么是半导体?,半导体及其基本特性,半导体材料的纯度和晶体结构,纯度极高,杂质1013cm-3结构,晶体结构,单胞对于任何给定的晶体,可以用来形成其晶体结构的最小单元三维立方单胞 简立方、 体心立方、 面立方,半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS,原子结合形式:共价键形成的晶体结构: 构成一个正四面体,具有
3、 金 刚 石 晶 体 结 构,半导体的结合和晶体结构,金刚石结构,密勒(Miller)指数,(111)晶面,原子面密度比(100)晶面稍高:7.8 x 1014 atoms / cm2,半导体中的缺陷,点缺陷弗仑克尔缺陷肖特基缺陷线缺陷位错,+14,半导体的能带与杂质能级,电子的能级是量子化的,n=3四个电子,n=28个电子,n=12个电子,Si,H,半导体模型,价键模型,空穴,电子,半导体的能带 (价带、导带和带隙,价带:0K条件下被电子填充的能量的能带导带:0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙: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,电子:带负电的导电载流子,
4、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: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,电子浓度,空穴浓度,其中NC、NV分别为等效态密度,Ef为费米能级,半导体中的载流子,半导体、绝缘体和导体,载流子的特性,电荷有效质量An electron moves with a certain characteristic mass (from F=ma) in vacuumIn a solid, F=ma changes, so we can model this change via an “effective” mass,有效质量,
5、在一个电场中,电子和空穴的加速度为:,施主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的电子, 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As 受主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的空穴, 并成为带正电的离子。如Si中的B,N型半导体 P型半导体,半导体的掺杂,施主和受主的相互补偿,施主能级 受主能级,态密度,根据量子力学,当电子能量为E,且距带边不远时,态密度为:,费米分布函数,在热平衡条件下,能量为E的有效状态被电子占据的几率为,平衡载流子分布,简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的乘积表示:,平衡载流子浓度,导带中的电子浓度:价带中的空穴浓度:,平衡载流子浓度,如果Ev+
6、3kT=EF=Ec-3kT,n和p的其他变换公式,本征半导体时,,本征载流子浓度,本征费米能级,本征载流子,杂质半导体的载流子浓度,对掺杂半导体,,举例,掺杂半导体,电中性条件:,特殊情况,举例,掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度?(b) 再掺杂 的Na又是多少?,载流子浓度与温度的关系,非平衡载流子的产生与复合,半导体中载流子的输运有三种形式:扩散漂移产生和复合,热运动,晶体中的碰撞和散射引起净速度为零平均自由时间为,热能和热速度,电子或空穴的平均动能,漂移电流,电流密度,迁移率,单位电场下的平均漂移速度为迁移率,影响迁移率的因素,与散射有关晶格散射电离杂质散射,漂移电流与电导
7、率,电导率电阻率,电阻率与掺杂的关系,N型半导体P型半导体,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,热探针测量原理,可以用来分辩硅片的导电类型,p-Si,n-Si,A,热探针,冷探针,电子扩散,空穴扩散,扩散电流,半导体内总电流,扩散+漂移,能带弯曲,当材料中存在电场时,能带能量变成位置的函数,场强势能,扩散系数和迁移率的关系,考虑非均匀半导体,爱因斯坦关系,在平衡态时,净电流为0,产生和复合,产生电子和空穴(载流子)被创建的过程复合电子和空穴(载流子)消失的过程产生和复合会改变载流子的浓度,从而间接地影响电流,复合,直接复合 间接复合 Auger复合,产生,直接产生 R-G中心产生 载流子产生
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