03微电子概论半导体分立器件.ppt

半导体器件物理（分立器件） （半导体器件） 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 前言 我们将讲解半导体器件-二极管，三极管（晶体管），MOS管的物理学原理和电学的基本特性，实际上这些特性和这些器件的物理学结构息息相关。我们还要学习半导体器件的工艺步骤、工艺流程和工艺原理，这也将加深我们对半导体器件的理解。 第一章.半导体器件基础 半导体及其基本特性 什么是半导体？ 金属：电导率106～104(W?cm-1)； 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： 电导率随温度上升而指数上升； 杂质的种类和数量决定其电导率； 可以实现非均匀掺杂； 光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率； 1. 常见半导体材料及其结构 单一元素半导体(IV族)：硅（Si）、锗(Ge) 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； 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。 2.硅半导体的结构 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 金 刚 石 晶 体 结 构； 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。 3.半导体掺杂 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。 施主(Donor)掺杂 掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提 供导电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂质称为施主杂质。如 在Si中掺入V族的P 和As。 受主(Acceptor)掺杂 掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为受主杂质。如在 Si中掺入III族的硼(B)元素。 半导体掺杂 4. 半导体电阻率和迁移率 电阻率/电导率定义： r --- 电阻率(W?cm)；s --- 电导率(S, W-1?cm-1); 微分形式：由 ? 或者 迁移率 迁移率 迁移率是反映半导体中的载流子导电能力的重要参数，它决定了半导体器件的工作速度。 电导率 s = nqm 5. 半导体的能带 电子的微观运动服从量子力学规律。 其基本特点包含以下两种运动形式： 电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。 这种稳恒的运动状态称为量子态。 相应的能量称为能级。 在一定条件下，电于可以发生从一个量子志转移到另一个量子态的突变。这种突变称为量子跃迁。 半导体的能带 杂质能级 杂质补偿 由于导带和施主能级高于价带和受主能级，导带和施主能级上的电子总是先填充能量低的空能级，即空的受主或价带能级； 当同时存在施主掺杂和受主掺杂时，半导体的载流子个数是施主掺杂浓度和受主掺杂浓度之差： ND – NA (NDNA) 或者 NA- ND(NAND) 6.半导体中的载流子 载流子：能够自由移动的电子和空穴； 如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子。 这时在原来的共价键上就留下了一个缺位，因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个缺位，从而使缺位转移到邻键上去，所以，缺位也是可以移动的。这种可以自由移动的空位被称为空穴。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的。 电子和空穴统称为载流子。 电子：Electron 空穴：Hole 半导体中的载流子 本征半导体：没有掺杂的半导体； 本征载流子：本征半导体中的载流子，完全依靠电子-空穴对的产生； 本征载流子浓度： 电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p 热平衡状态： n=p=ni 且 n?p=ni2 ni与禁带宽度和温度有关，温度一定时为常数。 半导体中的载流子 半导体中的载流子 非本征半导体载流子 3. 平衡PN结 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，费米能级处处相等 4. PN结的正向特性 6. PN结击穿 PN结击穿 雪崩击穿: PN结反偏电压增大时，