第4章半导体器件

第四章半导体中载流子的输运现象在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。

我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。

半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。

由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。

其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。

载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体內形成电流。

此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。

载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流一电压特性。

因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。

4.1漂移电流密度如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。

载流子电荷的净如果电荷密度为P的正方体以速度4运动，则它形成的电流密度为^drf = P U d（°」）其中°的单伎为C»cm~3, J drf的单位是Acm~2或C/cnr»s。

若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度p = ep , e为电荷电量^=1.6X10-,9C（^仑），〃为载流子空穴浓度，单位为⑵尸。

则空穴的漂移电流密度打场可以写成：丿"爾=⑷）％（4.2）%表示空穴的漂移速度。

空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为F = ma = eE（4.3）p£代表电荷电量，d代表在电场力F作用下空穴的加速度，加;代表空穴的有效质量。

如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。

但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。

第四章 金属-半导体结4-1． 一硅肖脱基势垒二极管有0.01 cm 2的接触面积，半导体中施主浓度为1016 cm 3−。

设V 7.00=ψ，V V R 3.10=。

计算 （a ）耗尽层厚度，（b ）势垒电容，（c ）在表面处的电场4-2． （a ）从示于图4-3的GaAs 肖脱基二极管电容-电压曲线求出它的施主浓度、自建电势势垒高度。

(b) 从图4-7计算势垒高度并与（a ）的结果作比较。

4-3． 画出金属在P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a ）s m φφ>和（b ）s m φφ<两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。

4-4． 自由硅表面的施主浓度为15310cm −，均匀分布的表面态密度为122110ss D cm eV −−=，电中性级为0.3V E eV +，向该表面的表面势应为若干？提示：首先求出费米能级与电中性能级之间的能量差，存在于这些表面态中的电荷必定与表面势所承受的耗尽层电荷相等。

4-5． 已知肖脱基二极管的下列参数：V m 0.5=φ，eV s 05.4=χ，31910−=cm N c ，31510−=cm N d ，以及k=11.8。

假设界面态密度是可以忽略的，在300K 计算： （a ）零偏压时势垒高度，自建电势，以及耗尽层宽度。

(b)在0.3v 的正偏压时的热离子发射电流密度。

4-6．在一金属-硅的接触中，势垒高度为eV q b 8.0=φ,有效理查逊常数为222/10*K cm A R ⋅=，eV E g 1.1=，31610−=cm N d ，以及31910−==cm N N v c 。

（a ）计算在300K 零偏压时半导体的体电势n V和自建电势。

（b ）假设s cm D p /152=和um L p 10=，计算多数载流子电流对少数载流子电流的注入比。

4-7． 计算室温时金-nGaAs 肖脱基势垒的多数载流子电流对少数载流子电流的比例。

第4章：常用半导体器件-复习要点基本概念：了解半导体基本知识和PN结的形成及其单向导电性；掌握二极管的伏安特性以及单向导电性特点，理解二极管的主要参数及意义，掌握二极管电路符号；理解硅稳压管的结构和主要参数，掌握稳压管的电路符号；了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三极管的特性曲线及工作在放大区、饱和区和截止区特点，理解三极管的主要参数，掌握NPN型和PNP型三极管的电路符号。

分析依据和方法：二极管承受正向电压（正偏）二极管导通，承受反向电压（反偏）二极管截止。

稳压管在限流电阻作用下承受反向击穿电流时，稳压管两端电压稳定不变（施加反向电压大于稳定电压，否者，稳压管反向截止）；若稳压管承受正向电压，稳压管导通（与二极管相同）。

理想二极管和理想稳压管：作理想化处理即正向导通电压为零，反向截止电阻无穷大。

三极管工作在放大区：发射结承受正偏电压；集电结承受反偏电压；三极管工作在饱和区：发射结承受正偏电压；集电结承受正偏电压；三极管工作在截止区：发射结承受反偏电压；集电结承受反偏电压；难点：含二极管和稳压管电路分析，三极管三种工作状态判断以及三极管类型、极性和材料的判断。

一、填空题1.本征半导体中价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，留下一个空位称为空穴，它们分别带负电和正电，称为载流子。

2.在本征半导体中掺微量的五价元素，就称为N型半导体，其多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴，它主要依靠多数载流子导电。

3.在本征半导体中掺微量的三价元素，就称为P型半导体，其多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，它主要依靠多数载流子导电。

4.PN结加正向电压时，有较大的电流通过，其电阻较小，加反向电压时处于截止状态，这就是PN结的单向导电性。

5.在半导体二极管中，与P区相连的电极称为正极或阳极，与N区相连的电极称为负极或阴极。

6.晶体管工作在截止区的条件是：发射结反向偏置，集电结反向偏置。

7.晶体管工作在放大区的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。

半导体器件物理进展第四章CMOS的等比例缩小、优化设计及性能因子CMOS Scaling, Design Optimization, and Performance FactorsPart 1 MOSFET模型及小尺寸效应内容提要：MOSFET结构及其偏置条件MOSFET的漏极电流模型MOSFET的亚阈区特性与温度特性 MOSFET的小尺寸效应MOSFET的缩比特征长度MOSFET的速度饱和效应1. MOSFET结构及其偏置条件MOSFET在实际集成电路中的剖面结构如下图所示。

横向：源-沟道-漏;纵向：M-O-S；几何参数L：沟道长度；W：沟道宽度；t ox：栅氧化层厚度；x j：源漏结深；MOSFET的发展简史：早期：主要采用铝栅电极，栅介质采用热氧化二氧化硅，扩散形成源、漏区，其与栅电极之间采用非自对准结构，场区采用厚氧化层隔离；中期：栅极采用N型掺杂的多晶硅栅，源、漏区与栅极之间采用自对准离子注入结构，场区采用硅的局部氧化工艺（LOCOS）实现器件隔离；后期：栅极采用互补双掺杂（N型和P型）的多晶硅栅，源漏区与栅极之间采用LDD（轻掺杂漏）结构和金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离（STI）技术。

近期：栅极采用难熔金属栅极（例如W、Mo等），栅介质采用高K介质材料（例如氧化铪等），源、漏区与栅极之间采用自对准金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离或其它介质隔离技术。

一个自对准MOSFET的工艺制造过程以NMOS器件为例，包含四个结构化的光刻掩模：（1）场区光刻掩模：利用氮化硅掩蔽的LOCOS局部氧化工艺，在P型掺杂的硅单晶衬底上定义出器件有源区和场氧化层隔离区；（2）栅极光刻掩模：通过多晶硅的淀积、光刻和刻蚀工艺，定义出器件的多晶硅栅电极；（3）接触孔光刻掩模：通过对源漏有源区及多晶硅栅电极上二氧化硅绝缘层的光刻和刻蚀工艺，定义出相应的欧姆接触窗口；（4）铝引线光刻掩模：通过铝布线金属的溅射、光刻和刻蚀工艺，定义出器件各引出端的铝引线电极；对于包含PMOS器件的CMOS工艺，则还需要增加一步N阱区的掩模及其光刻定义。

第四章平衡半导体4.0本章概要在上一章中，我们讨论了一般晶体，运用量子力学的概念对其进行了研究，确定了单晶晶格中电子的一些重要特性。

在这一章中，我们将运用这些概念来专门研究半导体材料。

我们将利用导带与价带中的量子态密度函数以及费米-狄拉克分布函数确定导带与价带中电子与空穴的浓度。

另外，我们将在半导体材料中引入费米能级的概念。

注意，本章中所涉及的半导体均处于平衡状态。

所谓平衡状态或者热平衡状态，是指没有外界影响（如电压、电场、磁场或者温度梯度等）作用于半导体上的状态。

在这种状态下，材料的所有特性均与时间无关。

本章目标：（1）推导半导体中热平衡电子浓度和空穴浓度关于费米能级的表达式。

（2）讨论通过在半导体中添加特定杂质原子来改变半导体材料性质的过程。

（3）推导半导体材料中热平衡电子浓度和空穴浓度关于添加到半导体中的掺杂原子浓度的表达式。

（4）求出费米能级的位置，其为添加到半导体中的掺杂原子浓度的函数。

简单说来，本章讨论的重点是：在不掺杂和掺杂的情况下，分别求平衡半导体中电子和空穴的浓度值，以及费米能级位置。

4.1半导体中的载流子我们知道：电流从本质上来说是电荷移动的速率。

在半导体中有两种载流子——电子和空穴——有能力产生电流。

载流子的定义：在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。

如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等。

既然半导体中的电流很大程度上取决于导带中电子与价带中空穴的数量，那么我们关心的半导体的一个重要参数就是这些载流子的密度。

联想我们之前学习的知识，我们不难知道电子和空穴的密度与态密度函数、费米-狄拉克分布函数都有关。

在接下来的章节中，我们会从更严谨的数学推导出发，导出电子与空穴的热平衡浓度，定性地讨论这些关系。

4.1.1电子与空穴的热平衡分布导带中电子关于能量的分布，我们可以从允带量子态密度函数乘以量子态被电子占据的概率函数（分布函数）得出。

第4章常用半导体器件-选择复习题1．半导体的特性不包括。

A. 遗传性B.光敏性C.掺杂性D. 热敏性2．半导体中少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为。

A.漂移运动B. 扩散运动C.有序运动D.同步运动3．N型半导体中的多数载流子是。

A.自由电子B.电子C.空穴D.光子4．P型半导体中的多数载流子是。

A.空穴B.电子C. 自由电子D.光子5．本征半导体中掺微量三价元素后成为半导体。

A.P型B.N型C.复合型D.导电型6．本征半导体中掺微量五价元素后成为半导体。

A. N型B. P型C.复合型D.导电型7．在PN结中由于浓度的差异，空穴和电子都要从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这就是。

A.扩散运动B.漂移运动C.有序运动D.同步运动8．将一个PN结两端各加一条引线，再封装起来，就成为一只。

A.二极管B. 三极管C.电子管D.晶闸管9．当外电场与内电场方向相同时，阻挡层，电子不容易通过。

A.变厚B.变薄C. 消失D.变为导流层10．当外电场与内电场方向相反时，阻挡层，电子容易通过。

A.变薄B. 变厚C. 消失D.变为导流层11．PN结的基本特性是。

A.单向导电性B. 半导性C.电流放大性D.绝缘性12．晶体三极管内部结构可以分为三个区，以下那个区不属于三极管的结构。

A.截止区B. 发射区C.基区D.集电区13．稳压二极管一般要串进行工作，以限制过大的电流。

A 电阻 B电容 C电感 D电源14．下图电路中，设硅二极管管的正向压降为0V，则Y= 。

A．0V B．3V C．10V D．1.5V15．下图电路中，设硅二极管管的正向压降为0V，则Y= 。

A．0V B．3V C．10V D．1.5V16．下图电路中，设硅二极管管的正向压降为0V，则Y= 。

A． 3V B．0 V C．10V D．1.5V17．下图电路中，设硅二极管管的正向压降为0V，则Y= 。

A．0V B．3V C．10V D．1.5V18．下图电路中，设硅二极管管的正向压降为0V，则Y= 。

第4章半导体器件习题解答习题4.1计算题4.1图所示电路的电位U Y 。

（1）U A =U B =0时。

（2）U A =E ，U B =0时。

（3）U A =U B =E 时。

解：此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。

假设图中二极管为理想二极管，可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。

当A 、B 两点的电位同时为0时，D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极（U Y ）两端电位同时为0，因此均不能导通；当U A ＝E ，U B ＝0时，D A 的阳极电位为E ，阴极电位为0（接地），根据二极管的导通条件，D A 此时承受正压而导通，一旦D A 导通，则U Y ＞0，从而使D B 承受反压（U B ＝0）而截止；当U A ＝U B ＝E 时，即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位，所以两管同时导通，两个1k Ω的电阻为并联关系。

本题解答如下：（1）由于U A ＝U B ＝0，D A 和D B 均处于截止状态，所以U Y ＝0；（2）由U A ＝E ，U B ＝0可知，D A 导通，D B 截止，所以U Y ＝Ω+Ω⋅Ωk k E k 919＝109E ；（3）由于U A ＝U B ＝E ，D A 和D B 同时导通，因此U Y ＝Ω+Ω×⋅Ω×k k E k 19292＝1918E 。

4.2在题4.2图所示电路中，设VD 为理想二极管，已知输入电压u I 的波形。

试画出输出电压u O 的波形图。

题4.1图题4.2图解：此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。

首先从（b）图可以看出，当二极管D 导通时，电阻为零，所以u o ＝u i ；当D 截止时，电第4章半导体器件习题解答阻为无穷大，相当于断路，因此u o ＝5V，即是说，只要判断出D导通与否，就可以判断出输出电压的波形。

要判断D 是否导通，可以以接地为参考点（电位零点），判断出D 两端电位的高低，从而得知是否导通。