半导体器件物理详尽

上一次课：半导体物理基础 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、多子、少子、平衡载流子、非平衡载流子掺杂、施主杂质、受主杂质能带、导带、价带、禁带、费米能级、准费米能级载流子浓度n，p；迁移率载流子输运："扩散、漂移、产生、复合电流连续性方程12服从玻尔兹曼分布的载流子浓度φF :体费米势φF)ln()ln(iD t i D F n N n N q kT φφ==)ln()ln(Ai t A i F N n N n q kT φφ==3电流连续方程()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G q tp p −+∇−=j 1∂∂电子：空穴•载流子输运影响载流子浓度随时间变化：漂移、扩散：电流变化间接或直接热复合、间接或直接产生4电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中nqD n q n n n ∇+=E j μpqD p q p p p ∇−=E j μ方程形式1方程形式2半导体器件物理基础5半导体器件据统计：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•MIS结构•异质结•超晶格和量子阱61907：发光二极管1947：第一个晶体管: 诺贝尔奖1949：PN结晶体管1952：JFET1954：太阳电池1957: HBT：2000年诺贝尔奖1958: 隧道二极管(稳压管)：诺贝尔奖1962: CMOS1967: 非挥发存储器196+: 微波器件(IMPATT, 渡越电子二极管)1970：CCD器件1971：Intel CPU1974: 共振隧穿二极管1980: MODFET198＋：异质结构和基于量子效应的器件：纳米电子学7PN结/PN结二极管PN结"双极晶体管"MOS场效应晶体管、JFET"光电器件"电力电子器件（如可控硅器件等）的基本组成部分本身作为二极管"开关、整流、稳压、变容等8PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述PN结二极管电流特性的定量描述(稳态响应)PN结二极管的击穿PN结二极管的小信号特性PN结二极管的瞬态响应基本电路应用910PN 结的结构突变结线性缓变结注入或扩散相反类型杂质＋退火冶金结11有代表性：•两种载流子•漂移、扩散、产生复合基本运动形式PN 结：二极管（diode ）PNiPN结的单向导电性（整流特性）：P区接正，N区接负"正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小"反向导电性差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大"反向击穿分析"平衡情况"非平衡情况¾正向¾反向1213自建电场P 型N 型准中性区准中性区空间电荷区x px n•假设P 区、N 区均匀掺杂•突变结自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反，直到两者相抵，达到动态平衡空间电荷区耗尽层:高阻区PN 结的形成14平衡的PN 结：没有外加扰动能带图平衡情况下，费米能级一致势垒、位垒P 区能带上移是自建场的影响，P 区静电势能高能带按电子能量定自建势qV biN 区和P 区的电势差：自建势、接触电势差V bi15静电势由本征费米能级Ei 的变化决定qE i−=ϕ能带向下弯，静电势增加16与掺杂浓度有关自建势Vbi正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加运动的是多子势垒须下降到一定程度：导通电压，电流指数增加171819PN 结的反向特性反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散20P 区N 区电子：扩散漂移反向偏置时，漂移大于扩散•N 区中空穴、P 区中的电子被反向抽取•少子运动：电流小•反向电流：产生电流(产生率大于复合率)•边界处少子变化量不超过平衡少子浓度：电流趋于饱和•边界少子注入很多•光照: 光电二极管（光电探测）+－空穴N 区P 区扩散漂移单向导电性•正向导通，多数载流子电流：大、陡边界少子浓度增加形成积累注入多子•反向截止，少数载流子电流：小边界少子浓度减少抽取少子21PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡PN结二极管电流特性的定量描述击穿小信号特性2223PN 结耗尽区中电场、电势分布出发点：泊松方程：半导体器件基本方程描述半导体中静电势的变化规律形式1()02x,εερϕs t −=∇形式2()∫=ss dx x x ρεεε01)(24平衡情况(不加外偏压)()np NNq AD−+−=−+ρ耗尽近似：在冶金结附近载流子浓度与净杂质浓度相比近似忽略不计为了获得解析解：耗尽近似25N区P区最大电场在x＝0处积分积分2627P 区积分n 区积分20)(2)(x x qN x p sA +=εεϕ20)(2)(x x qN V x n sD bi −−=εεϕ在x ＝0处电势连续突变结耗尽近似正负电荷28耗尽区宽度例：单边突变结：P＋/N结，NA>>N DP型N型x p 0x n掺杂浓度高，耗尽区宽度小29加外偏压后30•两边费米能级之差为外加电压qV•能带弯曲q(V bi－V)31加外偏压VP型xpx nP型x p x nN型N型加正压：w变小电荷减少场减弱加负压：w变大电荷增加场增强32PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性3334PN 结二极管的电流－电压特性：稳态响应 假设："无光照等"外偏压全部加在耗尽区上，耗尽区以外没有电场（仅考虑扩散电流）"小注入情况：注入的少子浓度远低于多子浓度"耗尽区中无产生复合"载流子分布服从玻尔兹曼分布P 型x px nN 型35xn n qD xn qD J p p np nN ∂−∂=∂∂=)(0xp p qD x p qD J n n pn p P ∂−∂−=∂∂−=)(0P 型x px nN 型假设耗尽区中无产生、复合：J ＝J N ＋J P ＝J N (－x p )＋J P (x n )扩散方程36()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G qt pp −+∇−=j 1∂∂从电流连续性方程出发求出少子分布无产生，G=0；稳态，上式左边＝0pn n pnp p p R ττ)(0−−=Δ−=np p npn n n R ττ)(0−−=Δ−=以求解空穴少子分布为例边界条件的推出：37平衡少子浓度P型x p x nN型ppp DLτ=边界条件Wn>>Lp情况下38394041反向饱和电流：与ni 有关，与浓度有关Is42与理想情况的偏差Log 坐标的斜率q/nkT ，斜率越陡越好 理想情况60mV/dec 低温下性能会好 高掺杂n ＝2•串联电阻压降•大注入电导调制P 型x px nN 型PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性43PN结的反向击穿：可恢复•反向击穿区反向击穿电压Vrb，PN结承受的反向偏压的上限击穿机制•雪崩击穿•齐纳击穿/隧穿击穿4445PN 结的击穿(1)雪崩击穿：电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，在耗尽区产生电子空穴对:碰撞电离产生的额外载流子被加速，又发生碰撞电离载流子倍增在平均自由程中可以获得足够大的能量，与电场相关。