半导体物理和器件物理基础.ppt

半导体物理和器件物理基础;固体材料：超导体: 大于106(?cm)-1 导 体: 106~104(?cm)-1 半导体: 104~10-10(?cm)-1 绝缘体: 小于10-10(?cm)-1;1. 半导体的结构;2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子;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;;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;本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关;5.半导体的掺杂;;6. 非本征半导体的载流子;7. 电中性条件: 正负电荷之和为0;举例;8. 过剩载流子;9. 载流子的输运;影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕;扩散电流;过剩载流子的扩散和复合;重 点;半导体器件物理基础;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 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格;PN结和晶体管;在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。 ;1）合金法制备pn结 把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n型硅衬底的交界面处即为pn结。;2）扩散法制备pn结 通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结 。;N;使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。;(1) 在浓度差的作用下，电子从 N区向P区扩散;(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散;;即PN结;形成内建电场;无外加电场：当扩散和漂移运动达到平衡后; 扩散电流 ID = 漂移电流 IT，方向相反; PN结中无电流通过; 形成一定的宽度的空间电荷层。;PN结形成过程动画演示;p-n结能带图;能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达p区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从p区到达n区，这一势能“高坡”通常称为p-n结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。 ;PN结及二极管的特性;;;内电场被削弱;PN结正偏动画演示;;;;PN结反偏动画演示;;当外部电压达到一定值时，反向电流几乎不随反偏电压变化，形成饱和电流——反向饱和电流（Is）;PN结单向导电特性;VT —热电压 VT=KT/q IS—PN结反向饱和电流;（1）当V=0时，I=0;;a 有死区（ID≈0的区域） 正向电压很小，对内建电场影响小， ID≈0 ——PN结不导通 ;b 呈现指数形式区域;(2)．反向特性 ; 当反向电压足够高时，PN结内电场较强，在空间电荷区作漂移运动的载流子不断被加速，以致获得足够能量，它们碰撞晶体原子，使得共价键中的电子激发形成电子－空穴对（碰撞电离现象），新产生的电子和空穴在电场作用下加速，也获得能量，又碰撞别的晶体原子，继续产生电子－空穴对，这就是载流子的倍增效应.;形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增， 向雪崩一样——雪崩击穿; ② 齐纳击穿（隧道击穿）;齐纳击穿：高掺杂，空间电荷层窄，低反向（击穿）电、 压，产生电子空穴对，反向电流增大。 雪崩击穿：低掺杂，空间电荷层宽，高反向（击穿）电 压，撞价电子（撞出），产生电子空穴对，多 次重复，反向电流增大。; 当p–n结上加反向电压 → 反向电流引起热损耗↑ →反向饱和电流↑ 如此反复循环下去，最后发生热电击穿。 ;正向区：温度升高，曲线左移;(4) 半导体二极管的主要电参数;d. 反向电流IR;f. 最高工作频率fM;半导体二极管的结构和符号;半导体二极管的外型;半导体二极管