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第一章半导体器件物理基础白雪飞中国科学技术大学电子科学与技术系•半导体•PN结与二极管•双极型晶体管•MOS晶体管•JFET晶体管提纲2半导体元素周期表4•碳–非金属–金刚石具有最强的共价键，绝缘体•硅、锗–半导体–中等强度的共价键，导电能力适中•锡、铅–金属–金属键晶体，导电能力强第IV主族元素比较5晶格和晶胞•晶格(Lattice)–原子在晶体中排列的空间格子–晶体材料具有特定的晶格结构•晶胞(UnitCell)–组成晶格的最基本单元–晶胞在晶体内部各个方向重复立方晶体中的晶胞简单立方体心立方面心立方立方晶体中的晶胞多晶和单晶•多晶(Polycrystal)–由许多小晶粒聚合组成的晶体–每个晶粒内部的原子有规则的整齐排列–各个晶粒的取向不同，杂乱无章–用多晶制造的半导体性能很差•单晶(SingleCrystal)–由单个晶体构成–内部所有晶胞呈相同的方向–现代集成电路工艺使用单晶以优化性能–表现出各向异性晶面和晶向•密勒指数(MillerIndices)–一组小整数，用来表示特定的晶面或晶向•晶面(CrystalPlane)–晶面指数用晶面在x、y和z轴上截距的倒数表示，如(100)–等价的晶面称为晶面族，如(100)、(010)和(001)晶面等价，表示为{100}晶面族•晶向(CrystalOrientation)–晶向指数用晶向方向上格点坐标值表示，如[100]–等价的晶向称为晶向族，如[100]、[010]和[001]晶向等价，表示为100晶向族立方晶格的晶面和晶向立方晶格的晶面和晶向硅晶体的金刚石结构金刚石结构是由两个在x、y和z轴方向位移a/4的面心立方体组合而成硅晶体的金刚石结构硅晶体的二维结构简图12本征半导体中的载流子13非本征半导体中的载流子14N型半导体P型半导体载流子的扩散和漂移15(A)扩散；(B)叠加在扩散上的漂移PN结与二极管PN结17(A)结形成前；(B)结形成后耗尽区18PN结二极管19•零偏–二极管两极电压为零–保持PN结平衡状态，没有电流通过•反偏–二极管阴极电压高于阳极电压–N型区电压进一步升高，耗尽区展宽–只有非常小的电流通过•正偏–二极管阳极电压高于阴极电压–结电压减小，耗尽区变窄，更多的载流子能够穿越耗尽区–会有很大的电流通过二极管的偏置状态20正偏PN结中的载流子流动21二极管导电特性22肖特基二极管23齐纳二极管24•整流接触–轻掺杂硅与金属形成整流接触•欧姆接触–重掺杂硅与金属形成欧姆接触–在两个方向都具有很好的导电性能–接触电阻较小整流接触和欧姆接触25双极型晶体管双极型晶体管的结构27NPN晶体管的工作方式28截止区正向放大区正向放大区的NPN晶体管29NPN晶体管的I-V特性30MOS晶体管MOS电容32MOS晶体管33•阈值电压Vt–背栅与源极相连的情况下，形成沟道所需的栅-源偏压•影响阈值电压的因素–背栅掺杂：阈值电压调整注入–介质层厚度：厚介质层增加阈值电压，薄介质层减小阈值电压–栅极材料：纯二氧化硅–介质层中的过量电荷：电离的杂质原子、被捕获的载流子、晶格缺陷阈值电压34MOS管的I-V特性35MOS管在不同偏压下的特性36JFET晶体管JFET晶体管结构38JFET晶体管I-V特性39本章结束