《微電子學(xué)概論》02 半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ).ppt

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1、第二章半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體的載流子輸運(yùn)PN節(jié)與二極管BJT雙極晶體管MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管固體材料：超導(dǎo)體:大于106(?cm)-1導(dǎo)體:106~104(?cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(?cm)-1絕緣體:小于10-10(?cm)-1什么是半導(dǎo)體？從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)1、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS2.半導(dǎo)體中的載流子本征半導(dǎo)體：n=p=

2、ni電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位3.半導(dǎo)體的能帶(價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級(jí)能帶共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級(jí)反成鍵態(tài)成鍵態(tài)價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶Eg4.半導(dǎo)體的摻雜BAs受主摻雜施主摻雜施主和受主濃度：ND、NA

3、施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度：電子濃度n,空穴濃度p6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子7.電中性條件:正負(fù)電荷之和為0

4、p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補(bǔ)償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導(dǎo)體：電子n?Nd空穴p?ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴p?Na電子n?ni2/Na8.過剩載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合9.載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率?電阻率?單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)引入遷移率的概念影響遷移率的因素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間

5、（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：晶格散射（熱運(yùn)動(dòng)引起）電離雜質(zhì)散射擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個(gè)相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)1.PN結(jié)的形成NPXNXP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因?yàn)槿鄙佥d流子自建電場(chǎng)E2.平衡的PN結(jié)：沒有外加偏壓載流子漂移(電流)和擴(kuò)散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場(chǎng)和自建勢(shì)3.正向偏置的PN結(jié)正向偏置時(shí)，擴(kuò)散大于漂移正向電流N

6、區(qū)P區(qū)電子：擴(kuò)散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運(yùn)過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過程〕4.PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)電子：擴(kuò)散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于擴(kuò)散NP5.PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǚ聪蚪刂琳驅(qū)ǎ鄶?shù)載流子擴(kuò)散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷海篤bi≈0.7V(Si)6.PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿隧道擊穿反向擊穿電壓Vrb7.PN結(jié)電容8.二極管的特性參數(shù)正向壓降VF正向電流IF擊穿電壓VBR反向（漏）電流IR結(jié)電容CD反向恢復(fù)時(shí)間trr二極管特性參數(shù)的應(yīng)用正向電壓VF正向電流IF擊穿電壓VBRABC1.00.720

7、.8513304080現(xiàn)要設(shè)計(jì)一個(gè)全橋整流電路，整流橋輸入電壓24VAC，負(fù)載最大功率40W，應(yīng)選擇上面的那種型號(hào)的二極管？并說明理由。雙極晶體管雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNP雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbecbePNPNPN晶體管工作時(shí)的偏置情況NPN晶體