半导体物理与器件课件..

金属－半导体接触：
金－半接触的整流特 性（SBD结构—肖特基 二极管）
低掺杂的N型半导体与 金属接触，当金属的逸
出功较大时，就会形成
肖特基势垒，出现整流 特性。
欧姆接触定义：欧姆接触的概念:线 性和对称的伏安特性,接触电阻小于 材料体电阻.
获得方式：
低势垒接触:P型硅与金属的接触
影响扩散系数的因素：温度、掺杂浓 度等
：
扩散流密度与扩散定律 ：扩散流密 度与载流子的浓度梯度成正比。
扩散长度Lp：是描写非平衡少子在 边扩散边复合的过程中，能够扩散 的平均距离。其在数值上等于非平 衡少子浓度衰减到原来 的1/e（即37 ％）时两点之间的距离。
扩散长度的计算;
爱因斯坦方程
载流子在晶体管内 的传播
1．BJT内部的载流子传输过程
（1）因为发射结正偏，所以发
射区向基区注入电子 ，形成了扩
c
散电流IEN 。同时从基区向发射区
也有空穴的扩散运动，形成的电
N
流为IEP。但其数量小，可忽略。
所以发射极电流I E ≈ I EN 。
IB
RC
P
（2）发射区的电子注
b
入基区后，变成了少数载 R b
此时发射结正偏，集电结也正偏。
截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。
此时，发射结反偏，集电结反偏。
饱和区
放大区——
+
+
u CE
-
+
i
B
(uA)
80
u
CE
=0V
40
uCE ＞ 1V
0.2 0.4 0.6 0.8
uBE (V)
（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。硅 0.5V
硅 0.7V
（2）当uCE=1V时， 集电死结区已电进压入反偏状态，开始收导集通电压子降，所以基区复 合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小锗。特0.1性V曲线将向右稍微移动锗一0些.3。V
二． BJT的内部工作原理（NPN管）
三极管在工作时要 加上适当的直流偏 置电压。
＋
c
+
UCB
c区 N
若在放大工作状态：
－
发射结正偏：
由VBB保证 集电结反偏： 由VCC、 VBB保证
＋b
R b UBE V BB
－
b区 e区
e
RC
P UCE
VCC
N
－
UCB=UCE - UBE > 0
共发射极接法
2021/4/29
正 极引 线
P型 硅
铝 合金 小 球 N型 硅
底座 负 极引 线
(3) 平面型二极管
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
正 极引 线
SiO2
P型 硅 N型 硅
负 极引 线
PN结的形成： 合金法； 扩散法； 注入法
原理：是物理学中洛仑兹力引起 的载流子定向运动。
有关公式
霍尔系数RH
霍尔效应在半导体工艺中的应用： 1.可以测量载流子浓度。 2.可判断硅片的导电类型。 3.可测量载流子的迁移率。
霍尔电压测试示意
通过测出霍尔系数和电导，可求出 载流子迁移率
推导过程从略
<八>晶体管的直流特 性
载流子复合
电子空穴对的复合：电子空穴对在晶体中 相遇，就可能复合而消失，补好了一个完 整的共价键。
这也就是电子又从导带跳回了价带，多余 的能量以发光的形式或发热的形式释放出 来。 激发和复合可形成动态的平衡。 本征载流子浓度一般是很低的。
载流子复合
施主能级
N型半导体：硅中掺入5价元 素磷、砷、锑，产生非平衡 载流子电子。在能带图中， 在禁带中靠近导带的地方， 形成一个施主能级ED。
i IS
T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K）
则有UT=26 mV。
影响PN结伏安特性偏离理想方程的因素：
正向复合电流：当P区来的空穴和N区来 的电子在空间电荷区复合时，就形成该电 流，此电流在正向电流较小时比重较大， 由于它对三极管发射极注入无贡献，故小 电流时三极管放大倍数会下降。
半导体体内可能存在的4种电流
PN结与半导体二极管
1.2 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
符号
P
+
阳极
N
-
阴极
二极管按结构分三大类：
(1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。
正 极引 线
金 属触 丝
负 极引 线
外壳
N型 锗
(2) 面接触型二极管
（3）uCE ≥1V再增加时，曲线右移很不明显。
输出特性曲线
(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const
现以iB=60uA一条加以说明。
（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。
（2） uCE ↑ → Ic ↑ 。
（3） 当uCE ＞1V后， 收集电子的能力足够强。 这时，发射到基区的电
度Eg。
导体、半导体、绝缘体的能 带的差异：禁带宽度极大的 不同。
<二>半导体中的杂质
本征半导体
本征半导体：纯净半导体，无杂质。
本征激发：在一定温度下，由于热运 动，一部分价带电子获得大于禁带宽 度的能量而跃迁到导带。（实质：共 价键上电子挣脱了出来，成为自由电 子；同时留下一个空穴。）这样形成 了空穴电子对。
N I EN I EP
VCC
流子。少部分遇到的空穴 V BB
复合掉，形成IBN。所以基 极电流I B ≈ I BN 。大部分到
e IE
达了集电区的边缘。
晶体管的输入特性 曲线
BJT的特性曲线（共发射极接法）
(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const
iB T
+
+
u BE -
+
iC
半导体表面：当别的物质是空气时，半导体界面 又称为半导体表面。
半导体界面态：半导体界面上的硅原子外层电子 不能象体内那样和另一个硅原子的外层电子形成 完整的共价键，称悬挂键，它很容易和其它原子 结合，就形成了界面态。
表面态：界面态的特殊形式。
表面复合：硅晶体的表面，一般和SIO2相 接，在相互作用下，由于界面态的存在， 会在禁带中形成一些新的能级；硅晶体表 面受水汽和脏物的影响，也会在禁带中产 生一些新的能级。 这些能级其实也属于
高复合接触：大量的缺陷能级提供 反向时的载流子
高掺杂接触：空间电荷区极薄，电 子可通过隧道效应穿过去
肖特基二极管与普通二极管的 比较：
1.正向压降较低：多子电流大， 故饱和电流大。
2.开关速度较快：空间电荷区 没有电荷存储效应。
肖特基二极管结构
<七>半导体的磁电效 应——霍尔效应
霍尔效应的现象：在半导体晶体 上，在x方向加以电场，流过一个 电流，在z方向施加一个磁场，则 在y方向将会产生一个横向电压， 称为霍尔电压。
电子共有化运动
电子共有化运动：能带形成
能带概念
半导体中能带的形成：电子的 共有化运动，引起能级的分裂， 受泡利不相容原理的影响，这 些能级将形成能量稍有不同的 “能带”
能带图
能带概念
空带，满带，价带，导带，禁带宽 度：
能带上没有电子，称空带。 能带上充满电子，称满带。 能量最高的满带称为价带EV。 能量最低的空带称为导带EC。 导带和价带之间的区域称为禁带宽
非平衡载流子的复合
载流子寿命的概念
非平衡载流子的寿命:在外界作用 因素停止后，其随时间逐渐减少 以至消失的过程称为衰减。其平 均存在时间称为非平衡载流子的 寿命。
非平衡少数载流子寿命的意义： 其浓度降低到原来的37％（1/e） 的时间。
非平衡载流子的复合机理：
直接复合：电子在导带和价带之间的直接 跃迁造成的电子和空穴的复合。
施主能级
受主能级
P型半导体：硅中掺入3价元素 硼，产生非平衡载流子空穴。 在能带图中，在禁带中靠近价 带的地方，形成一个受主能级 EA。
受主能级
施主杂质和受主杂质 的补偿作用。
半导体中杂质的补偿
费米能级EF ：衡量半导体掺 杂水平―――电子填充水平 高低的标志。
载流子运动方式
半导体中载流子的两种运动 方式：
雪崩击穿
影响雪崩电压大小因素：单 边突变结电压与轻掺杂一边 掺杂浓度有关，浓度大则电 压低。缓变结击穿电压高低 则与浓度梯度的大小有关， 梯度大则电压低，反之已然。
隧道击穿
隧道击穿：对于PN结两边掺 杂都较高的情况下，空间电 荷区比较窄，电场强度极大， 使得电子和空穴的能量极高， 快速穿越PN结，造成击穿。
复合中心能级的范畴。从而使晶体表面载 流子复合加剧，这样就使表面附近载流子 寿命减小。
非平衡载流子的扩散运动
非平衡载流子的扩散运 动：自然界任何物质都 有从浓度高处向浓度低 处运动的趋势。
非平衡载流子的扩散
扩散流与浓度差的关系：等式右边的 D表示扩散系数。 dn/dx表示浓度梯 度，即浓度差的大小。
两种不同杂质分布的PN结
突变结：P区和N区的杂质分 布界限分明。
缓变结：P区和N区的杂质分 布呈现此消彼涨的渐变模式。
PN结的空间电荷区 PN结的势垒 PN结的正向特性 PN结的反向特性
PN结两边的掺杂浓度
PN结两边未接触时的能带图
PN结能带图
少子在PN结两边的分布
PN结的正反向接法
间接复合：电子通过禁带中的各种复合中 心能级（杂质和缺陷形成）分两步进行的 电子和空穴的复合。