微电子概论-半导体物理与器件.ppt

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1、微电子学概论,第二章 半导体物理与器件(Semiconductor Physics And Device),半导体物理学刘恩科等著 国防工业出版社半导体物理学叶良修 高等教育出版社半导体物理与器件(第3版)(美)Donald A.Neamen著，赵毅强等译半导体器件物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,参考书,第二章 半导体物理与器件,在微电子教学中的作用,桥梁,基础课（高等数学、普通物理）,专业课（集成电路设计、工艺）,集成电路（1958年）发明；研究半导体表面、界面等物理问题

2、；研究集成电路的稳定性、可靠性等；研究纳电子器件、量子器件等未来半导体器件。,理论支持,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,第二章 半导体物理与器件,半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,特性、晶格、材料、掺杂,载流子浓度、能带、费米能级，热平衡,能带图、I-V特性、击穿、电容,器件结构、I-V特性、放大原理、击穿,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,主要内容,电阻率、迁移率、过剩载流

3、子,结构、原理、阈值电压、特性、种类、电容,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,金属-半导体-绝缘体,固体材料：超导体:大于106(cm)-1 导 体:106104(cm)-1 半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体:小于10-10(cm)-1,半导体：电导率介于导体和绝缘体之间，电导率受温度、掺杂及光照等因素影响，跨度很大，简单可调。,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,晶体结构,硅晶体的立体结构,金刚石结构Si、Ge,硅晶体的平面结

4、构,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,半导体的掺杂,杂 质,？好/坏,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,与硅结合后，剩一个施主电子，可提供为载流子（donor）,与硅结合后少一个电子，从邻近原子中夺一个价电子（acceptor），硅晶体中产生了空穴载流子,P型半导体和N型半导体,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体

5、管MOS场效应晶体管,电子和空穴,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,室温下：GaAs Si Ge,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,小结半导体材料半导体特性半导体结构半导体掺杂电子与空穴施主与受主、P型与N型半导体,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应

6、晶体管,半导体中的能带,原子紧密结合在一起形成晶体时，由于相互作用，能级会交叉，展宽形成能带。,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,半导体中的能带（价带、导带、禁带）,导 带,价 带,Eg,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,禁 带,Ec,Ev,一般情况下T0K，电子被激发,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效

7、应晶体管,本征半导体中的载流子,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,杂质能级,施主能级,受主能级,Ec,Ev,ED,EA,Nd,Na,施主杂质浓度,受主杂质浓度,杂质电离能 本征激发能,电子载流子,空穴载流子,N型半导体,P型半导体,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,多子和少子的热平衡,N型半导体：n大于p,P型半导体：p大于n,热平衡时:,电子是多子，空穴是少子,空穴是多子，电子是少子,受外界因素如光、电的作用，

8、电子和空穴成对产生过剩载流子,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,电子的平衡统计规律,费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1/2,本征费米能级位于禁带中央,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,费米能级在能带中的位置,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,小结能带与能级（导带

9、、禁带、价带、杂质能级）热平衡状态多子与少子电中性方程费米分布函数费米能级,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,欧姆定律的微分表达形式：J=E,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,迁移率与漂移运动,漂移电流,？,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,影响迁移率的因素,有效质量平均弛豫时间（散射,体现在：温度和掺杂浓度,半导体中载流

10、子的散射机制：晶格散射（热 运 动 引起）电离杂质散射,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,扩散运动与爱因斯坦关系式,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,非平衡载流子（过剩载流子）(extra or excess carrier),光注入,电注入,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,热平衡状态与非平衡状态之间的关系,第二章 半导

11、体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,小结欧姆定律微分表达式迁移率 电阻率扩散运动漂移运动产生与复合爱因斯坦关系式非平衡载流子（过剩载流子）散射,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,作业,本征半导体、N型半导体、P型半导体载流子、电子、空穴、热平衡载流子、非平衡载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主漂移、扩散、产生、复合预习PN结部分,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运

12、PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结基本知识,据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种，所有这些器件都由少数基本模块构成：PN结,基本知识：PN结的形成、突变结与缓变结、PN结单向导电性,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,平衡PN结,空间电荷区,自建场和自建势,动态平衡，空间电荷区宽度一定，内部电场也一定,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,平衡PN结的能带图,自建势qVbi,回忆在热平衡下

13、，系统的费米能级相同,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结的正向特性,正向偏置时，扩散大于漂移,正向电流,N,P,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,正向PN结电流的传输与转换,PN结的正向特性,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结的反向特性,N,P,第二章 半导体物理与器件,反向偏置时，漂移大于扩散,反向电流,导论

14、半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内，产生了少子的扩散运动，所以反向电流又称为反向扩散电流。,PN结的反向特性,载流子在反向偏置PN结中的分布与输运,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,V0,正向偏置,V0,反向偏置,非平衡PN结的能带,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,单向导电性,

15、正向导通，多数载流子扩散电流，多子导电反向截止，少数载流子漂移电流，少子导电,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结的击穿,雪崩击穿,齐纳/隧穿击穿,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.势垒宽度:势垒宽度足够宽.,3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,4.温度:温度升高,击穿电压增大（雪崩击穿）击穿电压减小（齐纳击穿）,PN结的击穿,第二章 半导体物理与器件,导论

16、半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,2.掺杂浓度:掺杂浓度大,势垒宽度小，击穿电压减小（齐纳击穿）掺杂浓度小,势垒宽度大，击穿电压增大（雪崩击穿）,1.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,3.温度:温度升高,击穿电压增大（雪崩击穿）击穿电压减小（齐纳击穿）,PN结的击穿,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结的电容,空间电荷区势垒电容,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体

17、管MOS场效应晶体管,PN结的电容,扩散电容（Diffusion Capacitance）,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,PN结的电容,p-n结的总电容为两者之和：,正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD（扩散电容）反向偏置p-n结时，以CT为主，CjCT（势垒电容）,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,小结PN结基本知识PN结的能带PN结的导电性PN结击穿特性PN结电容特性,第二章 半导体物理与器件,导论半

18、导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,作业,试述平衡pn结形成的物理过程，它有什么特点?画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向。试比较平衡pn结,正向偏置pn结,反向偏置pn结的特点.说明其单向导电性能。pn结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因和条件.影响它们的因素有哪些?,第二章 半导体物理与器件,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,双极晶体管的基本结构,第二章 半导体物理与器件,由两个相距很近的PN结组成：,发射区,收集区,基区,发射结,收集结,发射极,收集极,

19、基极,正向小电压正向偏置,反向大电压反向偏置,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺杂浓度较高,集电区：面积较大，重掺杂实现欧姆接触,双极晶体管的基本结构,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,双极晶体管的外形,第二章 半导体物理与器件,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,双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT。根据功率的不同具有不同的外形结构。,导论半导体及

20、其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,双极晶体管的两种形式,第二章 半导体物理与器件,(a)PNP型结构与符号(b)NPN型结构与符号,制成晶体管的材料可以为Si或Ge。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,双极晶体管的工作模式,第二章 半导体物理与器件,基极,发射极,BJT是非线性元件，其工作特性与其工作模式有关：,当EB结和CB结均加正偏时,BJT处于饱和模式;当EB结加零偏或反偏、CB结加反偏时,BJT处于截止模式。,当EB结加正偏,CB结加反偏时,BJT处于放大模式;,BJ

21、T主要用途是对变化的电流、电压信号进行放大，饱和模式和截止模式主要用于数字电路中。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,晶体管的电流传输,第二章 半导体物理与器件,正常工作时的载流子输运,相应的载流子分布,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,注：对于一个合格的晶体管，Ic和Ie十分接近，而Ib很小，一般只有Ic的百分之一二。,NPN晶体管的电流转换,晶体管的电流传输,NPN晶体管的电流输运,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率

22、和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,NPN晶体管的几种组态,晶体管的共集电极接法,晶体管的共基极接法,晶体管的共发射极接法,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,晶体管的电流放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数0、，非常接近于1,两者的关系,共发射极直流放大系数和交流放大系数0、,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,晶体管的直流特性曲线,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗

23、管UBE0.20.4V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,晶体管的直流特性曲线,共发射极,III区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,I区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱和区。,II区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,

24、晶体管的反向电流与击穿电压,EB,RB,EC,ICBO：发射极开路时集电结反向饱和电流 ICEO：基极开路时集电极与发射极在VCC 反偏作用下的电流，称为穿透电流。分析时可忽略，但可反映BJT的质量。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,晶体管的反向电流与击穿电压,反向击穿电压：UCBO:大小可从几十至上千伏 UCEO:与ICEO相关，UCEO UCBO UEBO:大小从1/1010V,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶

25、体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,晶体管的反向电流与击穿电压,截止频率 f：共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率f：,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,BJT工作在交流状态下，由于结电容的作用，信号频率增大使下降并产生相移，应尽量选用特征频率较高的BJT。,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,BJT特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整

26、个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压Vbe与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,BJT特点,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,缺点,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,当代BJT,

27、特点：深槽隔离，多晶硅发射极,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,小结晶体管结构电流传输特性工作模式 电流放大倍数直流特性击穿特性频率特性BJT特点,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,场效应管分类,场效应晶体管,结型场效应晶体管（JFET）,金属半导体场效应晶体管（MESFET）,MOS 场效应 晶体管（MOSFET）,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体

28、管,第二章 半导体物理与器件,MIS结构,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,场效应管工作原理,漏区D，高电位端,源区S，低电位端,栅区G，一定正电压,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,MOS场效应晶体管的基本结构,N沟道增强型（常闭）,N 沟道耗尽型（常开）,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物

29、理与器件,P 沟道增强型（常闭）,P 沟道耗尽型(常开）,MOS场效应晶体管的基本结构,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,MOS管不同VDS下沟道导电情形,线性工作区：,正常的工作条件较小VDS VGSVTIDS随VDS线性增加,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,饱和工作区：,当VDS=VGS-VT 漏极附近夹断，成为高阻区，但有很强电场把电子拉入漏区,继续增加VDS，漏压主要加在高阻区上IDS不随VDS增加，饱

30、和电流值。但沟道变窄，漏电流略有增加,MOS管不同VDS下沟道导电情形,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,场效应管分类,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,场效应管分类,反映了栅对源漏沟道电流的调控能力,亚阈值区直线越陡说明栅控能力越强,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,短沟道效应,栅控能力降低，关不断,导论半导体及其基本特

31、性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,MOS管的电容效应,平行板电容器,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,Q,V,C斜率,直流和交流时均成立,Q,V,C（V斜率,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,MOS管的电容效应,栅氧化层电容,提高MOS速度,短沟道效应,应变硅技术,薄栅、高K,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,当代的场效应管结构,Tri

32、-Gate,Double-Gate,Surround-Gate,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,小结MIS结构MOS场效应管工作原理MOS场效应管分类不同VDS下沟道导电情形MOS场效应管传输特性MOS场效应管转移特性MOS场效应管电容,导论半导体及其基本特性半导体中的载流子半导体的电导率和载流子输运PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,第二章 半导体物理与器件,作业1、简述MIS结构施加偏压后的不同状态2、MOS场效应管剖面图3、MOS场效应管工作原理4、MOS场效应管传输特性曲线中饱和区、线性区及截至区的位置,