半导体材料的基本特性参数培训资料

vsat
hv0 m*
其中m*
h/
d2E
dk2
▪ 速度饱和效应的物理解释：
当电场足够强时，电子在单位时间内能量高， 和晶格进行能量交换时发射光学声子，这样载流 子能量因发射声子而使其漂移速度趋于饱和。
▪ 负微分迁移效应
由于电子的不等价能谷间转移形成的。热电子 有主能谷跃迁到能量较高的自能谷，子能谷的迁 移率较低，如果迁移电子数量较多，平均的漂移 速度会降低。
一般情况下额外载流子的注入和抽取对少数载流子的密度影 响很大，热平衡的恢复主要是少数载流子热平衡的恢复， 所以τ总被称作少数载流子寿命。
少子寿命与器件特性
▪ 半导体器件工作过程中，同时存在载流子漂移、 扩散、复合；
▪ 漂移：电场力的作用，外加或内建电场；
▪ 扩散：载流子浓度梯度；
▪ 与少子寿命相关的器件特性：阻断特性、开关特 性、导通特性等；
自由载流子在单位电场作用下的平均 漂移速度。
弱电场下，μ为常数； 强电场下，μ随电场增加而减小
载流子迁移率与器件特性
▪ 载流子迁移率μ是决定半导体材料电阻率
ρ大小的两个重要参数之一。
ρ=
1
q(nun pup )
▪ 电流承受能力和载流子迁移率有关
双极器件pn 结二极管为例，在外加电压U 作用下，电流密度j满足肖克莱方程
半导体的杂质，电离后以静电力对运动于附近的电 子和空穴产生散射作用。低温重掺杂时起主要作用
完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大小时，迁 移率与温度和电离杂质的浓度呈下列关系
uI Ni1T1.5
▪ 载流子之间的散射
载流子对载流子的散射是运动着的多个电荷环绕其公 共质心的相互散射。
相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小。
速度饱和效应 负微分迁移率现象
▪ 迁移率与外场的关系
μμ 0[1212
13(μ 0 E)2]1/2
8u
μ 0 为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，μ为热
电子的迁移率，u为格波传播的速度，
漂移速度的表示
▪ 弱电场下：Vd=uE ▪ 强电场下，以声学声子交换能量时：
Vd32/31/4 u0uE
▪ 更强的电场下，以光学声子交换能量时：
少子寿命与阻断特性
▪ 耗尽近似的空间电荷区是阻断作用的主功能区， 是不稳定的非平衡态，其恢复平衡态的趋势的强 弱（用少子寿命τ衡量），影响阻断特性；
▪ 由反向扩散电流：
▪ τ越大，反向扩散电流越小，阻断特性越好
▪ 对单边突变结反向扩散电流
J RD
qni2 ND
DP
P
少子寿命与导通特性
▪ 少子寿命对导通特性的影响，主要是双极器件；
▪ 少子的电导调制使器件具有低的电阻和高的电流 控制能力；
▪ 器件的通态压降
UF
KT q
8b
1b2
W2
Da eff
由上式可知：τ越长，电导调制越强；
少子寿命与开关特性
▪ 主要是对于依靠少子输运的双极器件而言的； ▪ 输运载流子的结区积聚效应； ▪ 反抽作用；
toff
p
IF 2IR
少子寿命与光电器件的特性
▪ ▪ 重掺杂（杂质原子百分比≥1/1000）时，会出现
禁带窄化效应；
▪ 杂质原子近距减小，相互作用增强，能带出现杂 化，能级分裂成能带；
问题讨论
ρ=
1
q(nun pup )
D KT uq
爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流 子的扩散
载流子饱和速度公式
vsat
hv0 m*
其中m*h/
d2E
Ap
1
p
2 0
1
h
A
p
1
h
A n h
其 中 注 入 比 h= n p0
小注入的俄歇复合寿命
小注入，即h<<1时，
对n型半导体： A
An0
1 Ann02
；
对n型半导体： A
Ap0
1 App02
多种复合共同作用的寿命
▪ 不可能只有一种机构独立作用，即使多种机构共 存，往往只有一种其主要作用；
1 1 1 1
T rad SRH A
dk2
电阻率与击穿电压的关系
雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的 电阻率关系
UB mρn
其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略 有些变化。
第三节 少数载流子寿命
▪ 载流子寿命的概念 ▪ 少数载流子寿命与器件特性 ▪ 载流子的复合及复合寿命
▪ 载流子寿命的概念
是半导体从载流子密度不平衡状态恢复到热平衡状态的弛豫 过程所需时间的量度。
半导体材料的基本特性参数
基本特性参数
▪ 禁带宽度Eg ▪ 临界雪崩击穿电场强
度Et ▪ 介电常数ε ▪ 载流子饱和速度Vs
▪ 载流子迁移率μ ▪ 载流子密度n(p) ▪ 少数载流子寿命τ
第一节 迁移率
▪ 迁移率的定义 ▪ 载流子迁移率与器件特性 ▪ 载流子迁移率的影响因素
载流子迁移率的定义
▪ 载流子迁移率μ:
相反极性的载流子之间的散射可以使双方动量的弛豫， 使迁移率下降。
只考虑载流子散射作用的载流子迁移率：
ucc
1.428*1020 np.ln[14.54*1011(np)1/3]
▪ 强电场作用下的载流子散射
弱电场下，μ为常数； 强电场下，μ随电场增加而减小 强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律， 主要有两种表现：
j q (p n 0D P / τ p n p 0D n / τ n ) ( e q u /k t 1 )
▪ 载流子迁移率与扩散系数的关系
爱因斯坦关系
D KT
u
q
在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定
▪ 载流子迁移率与器件的工作频率
双极晶体管频率响应特性最重要的限制， 是少数载流子渡越基区的时间
uLn,pu0n,p(T/300)α n,p
▪ 两个常用的经验公式
电子迁移率：
uLn
[ (T
/ 300)1.5 4195
(T
/ 300)3.13 2153
]1(cm2
/
(V .S ))
空穴迁移率：
uLp
[
(T
/ 300)1.5 2502
(T
/
300)3.25 591
]1(cm2
/
(V
.S ))
▪ 电离杂质的散射
▪ 表面散射及表面迁移率
表面散射：各种与表面相关联的因素对载流子迁移 率的附加影响；
越靠近表面，影响越大，对电子影响大于空穴；
第二节 载流子密度和电阻率
▪ 材料电阻率和器件特性 ▪ 载流子数量统计和来源 ▪ 载流子密度的决定因素 ▪ 禁带窄化
第二节 载流子密度和电阻率
1
nqu
由上式可知，ρ与掺杂浓度密切相关，可作为半导体 纯度的反映；
▪ 优选少子寿命，主要是是指选择合适的复合中心， 即杂质或缺陷中心的能级；
非平衡载流子的复合机制
▪ 直接复合：直接在导带与价带之间的复合； ▪ 间接复合：通过禁带中的复合中心的复合； ▪ 表面复合：发生在表面的复合；
复合过程中的能量转移
▪ 发射光子，即辐射复合； ▪ 发射声子，能量传递给晶格振动。多声子复合； ▪ 激发另外的电子或空穴，即俄歇复合；
载流子来源
▪ 本征载流子：
是指把价带中的一个电子激发到导带，同时产生 一个电子和一个空穴 本征激发主要有热激发和光激发
▪ 掺杂载流子：
在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质原子。
n型掺杂和p型掺杂； ▪ 注入载流子：光注入和电注入；
禁带窄化
▪ 本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁带之间 界限清晰；
▪ 太阳能之类的光生器件靠光生载流子输运， ▪ 故τ越长，光电特性越好；
短路电流密度：Jsc qG Ln Lp W
Ln
τ n
Dn
Lp
τ p
DP
开路电压：UOC
kT q
ln
J sc J0
1
少子寿命优选
▪ 开关特性要求τ小，阻断特性、导通特性和光电池 要求τ大；
▪ 故应根据器件特性，进行优选；
载流子统计
n N e
EC E KT
F
0
C
p N e
E
F EV KT
0
V
其
中
：
NC
2 2 m nkT
h3
3/2
T 3/2
N V 2
2 m pkT
h3
3/2
T 3/2
m
、
n
m
为
p
态
密
度
有
效
质
量
。
简并半导体的载流子密度统计
n0 2NCF1/2EFKTEC
p0
2NVF1/2EVKTEF
材料电阻率与器件击穿电压
▪ 功率器件的击穿电压主要决定于本底材料 电阻率。
▪ 功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结 的雪崩击穿。
器件击穿
▪ 雪崩击穿： ▪ 条件：
高电压击穿； 足够高U和适当的WK
▪ 器件穿通
若pn结轻参杂层设计的不够宽，以至雪崩击穿尚 未发生而空间电荷区已扩展到与电极相接，则器 件先于击穿的发生而失去阻断能力。这种现象称 为穿通
直接复合寿命
▪ 直接禁带复合快于间接禁带；
▪ 直接禁带型半导体材料的价带顶空穴和导带底电 子之间无动量差，它们越过禁带直接复合无需借 助声子保持动量平衡，所以直接复合型半导体比 间接禁带型半导体的直接复合系数B大得多
直接复合寿命
▪ 寿命：
rad
Bn0