《微电子学_概论》--Chap02.ppt

第二章 半导体物理和器件物理基础 * 半导体及其基本特性 * 半导体中的载流子 * PN结 * 双极晶体管 * MOS场效应晶体管 什么是半导体？ 金属：电导率106～104(W?cm-1)，不含禁带； 半导体：电导率104~10-10(W?cm-1)，含禁带； 绝缘体：电导率10-10(W?cm-1)，禁带较宽； 半导体的特点： （1）电导率随温度上升而指数上升； （2）杂质的种类和数量决定其电导率； （3）可以实现非均匀掺杂； （4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其 电导率； 。硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。 。化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物，如，GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用于光电器件、半导体激光器和微波器件。 半导体的能带 电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况下，是靠晶体内部原子本身的热运动提供的。常温下，硅里面由于热运动激发价健上电子而产生的电子和空穴很少，它们对硅的导电性的影响是十分微小的。 室温下半导体的导电性主要由掺入半导体中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，这是半导体能够制造各种器件的重要原因。 杂质能级中施主和受主能级的区分方法： * 如果能级在有电子占据时是电中性，失去电子后成为正电中心的杂质能级则为施主能级。 * 如果能级在有电子占据时是负电中心，而没有电子占据时是电中性的杂质能级则为受主能级。 迁移率 重 点 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 作 业 载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。 半导体器件物理基础 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 如果没有外加偏压，费米能级Ef处处相等（形成PN结时）（见前2页图） P型区能带上移，原因是pn结空间电荷区存在自建场，方向是n区指向p区（即p区的电势比n区低），而能带是按电子能量的高低确定，所以电子的静电势能（-q*静电势V）在p区比n区高，正是这个附加的静电势能，使p区的能带比n区上移。 在空间电荷区（势垒区），能带发生弯曲，反映了空间电荷区中电子静电势能的变化。电子从n区运动到p区必须越过一个能量势垒。 pn结存在接触电势差。 6. PN结击穿 雪崩击穿: PN结反偏电压增大时，空间电荷区电场增强，通过空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得足够大的能量，当与晶格原子碰撞时可以使满带的电子激发到导带，形成电子-空穴对，这种现象成为“碰撞电离”。新的电子-空穴对又在电场作用下获得足够的能量，通过碰撞电离又产生更多的电子-空穴对，当反偏电压大到一定值后，载流子碰撞电离的倍增象雪崩一样，非常猛烈，使电流急剧增加，从而发生击穿。这种击穿是不可恢复的。 PN结特性总结 晶体管中两个结的相互作用是通过载流子输运体现出来。 非平衡少子的扩散运动是晶体三极管的工作基础。 处于正常工作的晶体管，发射结加正向偏压，收集结加反向偏压。 在基区中存在少子（电子）的浓度梯度，发射结注入基区的电子将由边界X2向X3扩散，到X3后被收集结电场拉向收集区，并漂移通过收集区流出收集极（见b图） 。同时基区向发射区注入空穴，在扩散过程中不断与电子复合而转换为电子漂移电流。 由基极流入的空穴一部分注入发射区；另一部分与注入基区的电子复合（见a图）。 正向发射结把电子注入到P型基区，基区宽度远远小于电子的扩散长度，注入到基区的电子来不及复合就扩散到反向收集结的边界，被反向收集结的抽取作用拉向收集区。正是由于发射结的正向注入作用和收集结的反向抽取作用，使得有一股电子流由 发射区流向收集区。 一、MOSFET结构 如图，当施加在栅极上的电压为0时，源区和漏区被中间的P型区隔开，源和漏之间相当于两个背靠背的pn结，在这种情况下，即使在源和漏之间加一定的电压，也没有明显的电流，只有少量的pn结反向电流(为什么？）。当在栅极上加有一定的正电压VG0后，会形成电子导电沟道,如果在源和漏之间加一定的电压，就会有明显的电流流过。由于器件的电流是由电场控制的,因此这种器件为场效应晶体管. 二、