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时间:2020-10-03
《微电子技术应用基础 第三章 半导体器件物理基础ppt课件.ppt》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第三章半导体器件物理基础第一节半导体的模型第二节半导体中载流子的浓度与运动第三节PN结第四节结型晶体管第五节 场效应晶体管第一节半导体的模型1半导体的共价键结合图1硅晶体中Si离子的示意图GaAs结构示意图2电子与空穴、本征激发电子空穴3杂质的作用图掺有V族元素的硅、锗等半导体中的载流子即以电子为主,电子称为多数载流子,简称多子;空穴称为少数载流子,简称少子。以电子为多子的半导体,称为N型半导体,给出电子的杂质,称为“施主”.4能带的形成图核外每个电子的能量都不是任意的,而是只能取一系列分立的确定值,不同的轨道,对应不同的能量。电子的能量只能取一系列分
2、立值的这种特征,叫做电子能量“量子化”。量子化的能量值也称为“能级”能带示意图①一种晶体的各个能带,其宽度(即所占的能量范围)是一定的,与晶体内所包含的原子总数无关。②能量高的能带较宽,能量低的则较窄。③每一个能带里所包含的能级数目,决定于晶体内所包含的原子数。5能带模型中的电子与空穴硅能带的示意图电子自价带跃迁到导带,留下空穴能带中的电子带电子运动所形成的电流密度,可以表示为电子与空穴相遇而同时消失的过程,这个过程就叫做载流子的“复合”。图能量图中,能级越高表示能量越大是针对电子来定的.图6杂质能级图7复合中心“复合中心”的作用示意图8多子、少子浓度间
3、的重要关系单位时间、单位体积内复合的电子空穴对的数目为复合率。再定义产生率为:单位时间、单位体积内产生的电子空穴对数,用G代表。9金属、半导体、绝缘体的区别图1半导体中平衡载流子浓度计算计算载流子浓度的基本方法具体的计算方法是:把导带从导带底到导带顶划分成各个不同的能量范围,先求出各个不同的能量范围内,能够容纳电子的状态数有多少,然后明确电子占据各状态的概率,二者的乘积即是在各能量范围内的电子数,最后,对各能量范围内的电子数求和,便得到导带内电子的总数。(2)函数S(E)和f(E)图T>0K时的费米分布函数T=0K时金属能带被电子填充的情况(3)电子浓度和空穴浓
4、度的计算第二节半导体中载流子的浓度与运动(4)费米能级的位置①本征激发的情况②杂质电离的情形载流子浓度与温度的关系图(5)关于费米能级的几点说明①费米能级到底标志着什么图②费米能级与掺杂浓度和温度的关系图③平衡状态下,整个体系的Ef应当处处相等。④“简并”半导体2半导体中载流子的运动(1)漂移电流和迁移率带电粒子的定向运动形成电流。在外电场的作用下,带电粒子获得的定向运动,称为漂移运动,所形成的电流称作漂移电流,导体中电子的漂移电流密度为迁移率可以定义为:在单位电场强度下,载流子的平均漂移速度。(2)影响迁移率的因素载流子在半导体内运动,将受到晶体原子、杂质、缺陷
5、等的影响,使其运动状态发生改变,把这种作用称作“散射”。①电离杂质散射图1图2②晶格散射图半导体晶体中原子规则排列成晶格,这些原子在其平衡位置不停地做热振动,称作晶格振动。由晶体振动引起的载流子运动状态的改变称作晶格散射。(3)迁移率与电场强度的关系硅中载流子漂移速度与电场强度的关系(4)载流子的扩散与扩散电流扩散流定义为:在单位时间内,通过某一垂直扩散方向的截面的粒子数.(5)爱因斯坦关系(6)漂移与扩散同时存在的情形在同一块半导体中,一部分呈P型,其余部分是N型,P型区与N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结。1PN结的电流电压关系及其定性解释硅二极
6、管的断面图PN结的电流电压关系示意图不加外电压的情形图(2)加上外电压的情形①外加正向电压②外加反向电压(3)接触电势差图第三节PN结2PN结的能带图及内建电势差PN结的内建电势差(接触电势差)的形成3PN结的电流电压关系的定量分析基本假设(2)注入少子浓度与外加电压的关系图4少子的复合与扩散非平衡少数载流子的复合图非平衡少数载流子在半导体内的扩散图5PN结的扩散电流PN结空间电荷区外两侧注入少子的分布图6对理想情况的几点修正(1)空间电荷区的复合电流与产生电流图正向情形每复合掉一对电子和空穴,就相当于一个电子电量流经PN结。显然,这一部分电流没
7、有包括在前面讨论的扩散电流之内,把这一部分正向电流称为复合电流。反向情形价带中电子经复合中心进入导带,产生了电子[CD2]空穴对,结果使反向电流加大,这部分电流称为“产生电流”。(2)大注入情形硅PN结的电流电压关系曲线图a段,即相当于小电压下,复合电流占优势,n=2b段,扩散作用加强,掩盖了复合作用,n=1。c段,相当于大注入情形,n又趋于2。d段,前面未讨论,对应极大电流,不能不考虑半导体本身电阻上的电压降的情形。各段之间的过渡阶段,n在1与2之间。7PN结的电容效应突变结与缓变结突变结的杂质分布示意图缓变结
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