半導(dǎo)體及其根本特性固體資料：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(lái)分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制1.半導(dǎo)體的構(gòu)造原子結(jié)合方式：共價(jià)鍵構(gòu)成的晶體構(gòu)造：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體構(gòu)造金剛石構(gòu)造半導(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：可以導(dǎo)電的自在粒子本征半導(dǎo)體：n=p=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構(gòu)成的自在電子，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構(gòu)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)固體的能帶構(gòu)造原子能級(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)體的能帶構(gòu)造導(dǎo)帶價(jià)帶Eg半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自在粒子，但與真空中的自在粒子不同，思索了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.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施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)構(gòu)成量子態(tài)本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2 ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒(méi)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0p+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nNd 空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa 電子nni2/Na8.過(guò)剩載流子由于受外界要素如光、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(guò)剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴添加和消逝的過(guò)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)才干載流子的漂移運(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要素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間〔散射〕表達(dá)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)散射分散電流電子分散電流：空穴分散電流：愛(ài)因斯坦關(guān)系:載流子的分散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)過(guò)剩載流子的分散和復(fù)合過(guò)剩載流子的復(fù)合機(jī)制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、外表復(fù)合、俄歇復(fù)合過(guò)剩載流子的分散過(guò)程分散長(zhǎng)度Ln和Lp:L=(D)1/2描畫(huà)半導(dǎo)體器件任務(wù)的根本方程泊松方程高斯定律描畫(huà)半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化決議能帶向下彎，靜電勢(shì)添加方程的方式1方程的方式2電荷密度(x)可動(dòng)的－載流子〔n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無(wú)外加偏壓時(shí)，方程RHS＝0，靜電勢(shì)為常數(shù)電流延續(xù)方程可動(dòng)載流子的守恒熱平衡時(shí)：產(chǎn)生率＝復(fù)合率np=ni2電子：空穴電流密度方程載流子的輸運(yùn)方程在漂移－分散模型中分散項(xiàng)漂移項(xiàng)方程方式1愛(ài)因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程方式2電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)：費(fèi)米勢(shì)重點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過(guò)剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、分散、產(chǎn)生、復(fù)合作業(yè)

載流子的輸運(yùn)有哪些方式，對(duì)這些輸運(yùn)方式進(jìn)展簡(jiǎn)單的描畫(huà)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體器件物理根底重點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過(guò)剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、分散、產(chǎn)生、復(fù)合據(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)的變種一切這些器件都由少數(shù)根本模塊構(gòu)成：pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸MOS構(gòu)造異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件物理根底PN結(jié)的構(gòu)造1.PN結(jié)的構(gòu)成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層X(jué)NXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，由于短少載流子2.平衡的PN結(jié)：沒(méi)有外加偏壓能帶構(gòu)造載流子漂移(電流)和分散(電流)過(guò)程堅(jiān)持平衡(相等)，構(gòu)成自建場(chǎng)和自建勢(shì)自建場(chǎng)和自建勢(shì)費(fèi)米能級(jí)EF：反映了電子的填充程度某一個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時(shí)，能級(jí)被占據(jù)的幾率為1/2本征費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央自建勢(shì)qVbi費(fèi)米能級(jí)平直平衡時(shí)的能帶構(gòu)造3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時(shí)，分散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)分散分散漂移漂移NP正向的PN結(jié)電流輸運(yùn)過(guò)程電流傳輸與轉(zhuǎn)換〔載流子的分散和復(fù)合過(guò)程〕4.PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)分散分散漂移漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于分散NPN區(qū)P區(qū)電子：分散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)分散漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于分散5.PN結(jié)的特性單導(dǎo)游電性：正向偏置反向偏置正導(dǎo)游通，多數(shù)載流子分散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正導(dǎo)游通電壓Vbi~0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb6.PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7.PN結(jié)電容§2.4雙極晶體管1.雙極晶體管的構(gòu)造由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種方式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子分散長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)搜集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)搜集結(jié)發(fā)射極搜集極基極雙極晶體管的兩種方式：NPN和PNPNPNcbecbePNP雙極晶體管的構(gòu)造和幅員表示圖2.3NPN晶體管的電流輸運(yùn)機(jī)制正常任務(wù)時(shí)的載流子輸運(yùn)相應(yīng)的載流子分布NPN晶體管的電流輸運(yùn)NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換電子流空穴流2.3NPN晶體管的幾種組態(tài)共基極共發(fā)射極共搜集極共基極共發(fā)射極共搜集極NNP晶體管的共搜集極接法cbe3.晶體管的直流特性3.1共發(fā)射極的直流特性曲線三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)3.2共基極的直流特性曲線4.晶體管的特性參數(shù)4.1晶體管的電流增益〔放大系數(shù)〕共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)0、兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)0、4.2晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，搜集結(jié)的反向漏電流Iebo：搜集極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開(kāi)路時(shí)，搜集極－發(fā)射極的反向漏電流

晶體管的主要參數(shù)之一4.3晶體管的擊穿電壓BVcboBvceoBVeboBVeeo晶體管的重要直流參數(shù)之一4.4晶體管的頻率特性截止頻率f：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的所對(duì)應(yīng)的頻率值截止頻率f：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的任務(wù)頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率5.BJT的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直構(gòu)造與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決議，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速運(yùn)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流流過(guò)可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率運(yùn)用開(kāi)態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無(wú)關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號(hào)運(yùn)用模擬電路輸入電容由分散電容決議隨任務(wù)電流的減小而減小可同時(shí)在大或小的電流下任務(wù)而無(wú)需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)缺陷：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開(kāi)關(guān)速度慢開(kāi)態(tài)電壓無(wú)法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡能夠大的IC和盡能夠小的IB當(dāng)代BJT構(gòu)造特點(diǎn)：深槽隔離多晶硅發(fā)射極§2.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS電容構(gòu)造MOSFET器件1.MOS電容電容的含義MOS構(gòu)造理想的MOS電容特性非理想的MOS電容特性關(guān)于電容平行板電容器+Q-QEd+-V面積A電容C定義為：QVC＝斜率直流和交流時(shí)均成立一MOS構(gòu)造交流電容交流電容C定義為：+Q-QEd+-V面積A+Q-QVQVC〔V〕＝斜率對(duì)于理想的交流電容，C與頻率無(wú)關(guān)這里理想指電容中沒(méi)有能量的耗散：1、忽略金屬引線的電阻〔超導(dǎo)線〕2、介質(zhì)層不吸收能量非理想的電容：CidealRpRS半導(dǎo)體中的電容通常是交流電容例如：突變PN結(jié)電容和平行板電容器形式一樣+-VP+Nxd偏壓改動(dòng)V未加偏壓時(shí)的MOS構(gòu)造MOS電容的構(gòu)造MOS電容中三個(gè)分別系統(tǒng)的能帶圖功函數(shù)無(wú)偏壓時(shí)MOS構(gòu)造中由于功函數(shù)差引起的外表能帶彎曲平帶電壓平帶電壓－－使外表勢(shì)為0，所需在柵上加的偏壓。施加偏壓后的不同形狀：積累、耗盡、反型施加偏壓后的不同形狀：積累、耗盡、反型施加偏壓后的不同形狀：積累、耗盡、反型施加偏壓后的不同形狀：積累、耗盡、反型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)