半导体器件物理
半导体器件物理
半导体器件物理
• 教师
–赵宝瑛 –杜刚 理科2号楼2705 理科2号楼2628 理科2号楼2726
• 助教
–竺明达 –吉敏
半导体器件物理
教材及参考书
• 《半导体器件物理基础》第二版 曾树荣 北京大学出版社 • 《半导体器件基础》[美]Robert F. Pierret 黄如、王漪 等译 电子工业出版社 • 《半导体器件物理与工艺》第二版 [美]施敏 赵鹤鸣、 钱敏、黄秋萍译 苏州大学出版社 • 半导体物理与器件 Donald A.Neamen 清华大学出版社
− ( EF − Ei ) / k BT
np = N c N v e
− E g / k BT
=n
2 i
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费米能级
• 费米分布函数
f (E) =
• 费米能级
1 1+ e
( E − E F ) / k BT
– 对应电子占据几率为1/2 – N型掺杂半导体位于靠近导带底 – P型掺杂半导体位于靠近价带顶
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定性分析结果
半导体器件物理
中性区
• 电流以扩散电流为主
– 求解中性区载流子分布
• 多子浓度近似为平衡浓度 • 假定耗尽区宽度<载流子扩散长度，准费米能级 在耗尽区保持水平 • 耗尽区
E Fn − E Fp = V np = n e
2 V / k BT i
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1949年 Shockley p-n结 1939年 Schottky 双极晶体管（BJT〕 肖特基势垒
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结型场效应晶体管JFET 结型场效应晶体管JFET 第1个半导体场效应器件 第1个半导体场效应器件
1952年 Schockley 1952年 Schockley
进 进 入 入 成 成 长 长 期 期
n EF = Ec + k BT ln Nc
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电流连续性方程
J n = μ n i n i ∇E F ( r ) J p = μ p i p i ∇E F ( r )
• 平衡态费米能级与位置无关
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pn结二极管
• 重要特性：整流特性 • 应用：
– 电力电子器件：整流、可控硅器件 – 双极器件：放大、开关 – JFET器件、MOSFET器件、微波器件和光电 器件的基本组成部分
成为现代电子 工业的基础 NPN Ge 晶体管 1947年12月23日 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 获1956年诺贝尔物理奖
半导体器件物理
贝尔实验 室： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
1985年 1985年
Yokoyama, Imamura, Muto, Yokoyama, Imamura, Muto, Hiyamizu Nishi Hiyamizu ,,Nishi RHET RHET 共振隧穿热电子晶体管 共振隧穿热电子晶体管 1990
1980 1980年后出 1980年后出 现了大量的 现了大量的 异质结构器件 异质结构器件 和量子效应器件 和量子效应器件 128Mb Yano 单电子 存储器 SEM 纳米电 子学器 件
1984年 1984年
Capasso, Kiehl Capasso, Kiehl 共振隧穿双极晶体管 共振隧穿双极晶体管 RTBT RTBT
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器件物理研究内容
• 器件的电学特性
– 器件工作基本原理 – 器件电流模型
• 器件结构和工艺参数与器件特 性之间的联系
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电流即电子流动
1957年 Kroemer 1957年 Kroemer 异质结双极晶体管 异质结双极晶体管 HBT HBT 2000年诺贝尔奖 2000年诺贝尔奖
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1962年 1960年 Kahng,Atalla 1960年 Kahng,Atalla Wanlass、C. T. Sah 增强型MOSFET 增强型MOSFET CMOS技术
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1874年 F.Braun 半导体器件的第1项研究 金属－半导体接触 1907年 H.J.Round 发光二极管 LED
萌 芽 期
1947年 Shockley ，Bardeen, Brattain 晶体管 (transistor) 1956年诺贝尔奖
1870
1930
1940
1950
量子力学的发展 半导体材料制备技术 的成熟 半导体的光电导 光生伏特效应 整流效应
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平衡PN结能带图
• VBJ（或Vbi） ——PN结内建电势（接触 电势差）,N型区到P型区的电势差
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• 自建势
k BT N A N D ln Vbi = ψ n − ψ p = 2 q ni
– 为接触电势差 – 不能用电表测量
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• 突变结耗尽区
⎡ 2ε s ⎤ ND ⋅ xp = ⎢ Vbi ⎥ ⎣ q ( N A + ND ) N A ⎦ ⎡ 2ε s ⎤ NA ⋅ xn = ⎢ Vbi ⎥ ⎣ q ( N A + ND ) ND ⎦ ⎡ 2ε s N A + N D ⎤ ⋅ W =⎢ Vbi ⎥ N AN D ⎣ q ⎦
• 形成：扩散、离子注入
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pn结二极管
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理想突变结结构图及杂质分布图
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内建电场和内建电势
• 空间电荷区
– 势垒区； – 过渡区； – 耗尽区
• 内建电场 • 漂移流
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用Fermi 能级分析平衡PN 结
• P区和N区的Fermi 势不同，但当两者处于同一个系统中， 必须具有统一的Fermi 能级。 • P区和N区之间形成一个阻挡层以保持两边具有不同的电 势。
第一块单片集成电路， 1959， Noyce
Ge 衬底上的混合集成电路， 美国专利号3138743
在Ge 衬 底 用 键 合 的 方 法 制 备 了1T、3R、1C
在Si 衬 底 制 备 了 真 正 的集成电路 氧化物隔离，Al互联
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1970年 Boyle, Smith 1970年 Boyle, Smith CCD器件 CCD器件
1954年 1954年 Chapin, Fuller, Pearson Chapin, Fuller, Pearson 硅太阳电池，6％ 硅太阳电池，6％
1958年 1958年 Esaki Esaki 隧道二极管 隧道二极管 1973年诺贝尔奖 1973年诺贝尔奖
1950
1960
1952年Ebers 1952年Ebers 闸流管模型 闸流管模型 thyristor thyristor
1 2
1 2
1 2
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• 有偏压时用Vbi – V代替Vbi
⎡ 2ε s ⎤ ND ⋅ xp = ⎢ (Vbi − V ) ⎥ ⎣ q ( N A + ND ) N A ⎦ ⎡ 2ε s ⎤ NA ⋅ xn = ⎢ (Vbi − V ) ⎥ ⎣ q ( N A + ND ) ND ⎦ ⎡ 2ε s N A + N D ⎤ ⋅ W =⎢ (Vbi − V ) ⎥ N AN D ⎣ q ⎦
1962年 1962年 Hall, Nathan, Quist Hall, Nathan, Quist 半导体激光器 半导体激光器
1960
1967年 1967年 Kahng, Sze Kahng, Sze 非挥发存储器 非挥发存储器
1965年Johnston, 1965年Johnston,
1970 1968年 Dennard 单晶体管 DRAM
1 2 1 2
1 2半导体器件物理 Nhomakorabea• 作业1:
– 推导出耗尽近似下突变pn结耗尽区中任意一 点的电势和电场强度的表达式
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耗尽层电容
Cj =
突变结
εs
W
1 2
1 ⎡ qε s N A N D ⎤ − (Vbi − V ) 2 Cj = ⎢ ⎥ ⎣ 2( N A + ND ) ⎦
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qV / kBT
− 1) e
−( x − xn ) / L p
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• 电流
qD p d ( pn − pn 0 ) = J p = −qD p pn 0 ( e qV / kBT − 1) dx Lp xn
• 相应的P型一侧
Ln = Dnτ n
np − np0 = np0 ( e
N型一侧
• 空穴分布连续性方程
∂p ∂ 2 pn pn − pn 0 = Dp − 2 τp ∂t ∂x
• 边界条件
x= Wn, pn =pn0; x=xn, pn = pn 0 exp(qV / k BT )
• 空穴扩散长度 Lp = • 解(Wn >>Lp)
D pτ p
pn − pn 0 = pn 0 ( e
1980
1974年 1974年
Chang, Esaki, Tsu Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管 共振隧道二极管
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1984年 Luryi, Katalskys, 1984年 Luryi, Katalskys,
Gossard, Hendel Gossard, Hendel 电荷注入晶体管 电荷注入晶体管 CHINT CHINT
pn结二极管电流特性曲线
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准费米能级
• 载流子分布偏离平衡，存在 过剩载流子