(施敏)半導(dǎo)體器件物理(詳盡版)ppt

1、第 1 章,半導(dǎo)體特性,,1.1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.3 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷1.5 載流子的運(yùn)動(dòng)1.6 非平衡載流子1.7 習(xí)題,? 半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)? 電子和空穴的概念? 半導(dǎo)體的電性能和導(dǎo)電機(jī)理? 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)? 非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合,,半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu),1.1,,電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間 。導(dǎo)體（電阻率小于10-8Ω·m

2、），絕緣體（電阻率大于106Ω·m）。,半導(dǎo)體,五種常見的晶格結(jié)構(gòu),●簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu) ●體心立方結(jié)構(gòu) ●面心立方結(jié)構(gòu) ●金剛石結(jié)構(gòu) ●閃鋅礦結(jié)構(gòu),,晶體,自然界中存在的固體材料，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可以分為晶體（如石英、金剛石、硫酸銅等）和非晶體（玻璃、松香、瀝青等）。,釙(Po),,,,,晶體的原子按一定規(guī)律在空間周期性排列，稱為晶格。,,體心立方結(jié)構(gòu),鈉（Na）鉬（Mo）鎢（W）,面心立方結(jié)構(gòu),鋁（Al）銅

3、（Cu）金（Au）銀（Ag）,金剛石結(jié)構(gòu),硅（Si）鍺（Ge）,由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)沿空間對(duì)角線錯(cuò)開四分之一的空間對(duì)角線長(zhǎng)度相互嵌套而成。,,大量的硅（Si）、鍺（Ge）原子靠共價(jià)鍵結(jié)合組合成晶體，每個(gè)原子周圍都有四個(gè)最鄰近的原子，組成正四面體結(jié)構(gòu)， 。這四個(gè)原子分別處在正四面體的四個(gè)頂角上，任一頂角上的原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)電子和中心原子的四個(gè)價(jià)電子分別組成電子對(duì)，作為兩個(gè)原子所共有的價(jià)電子對(duì)。,,閃鋅礦結(jié)構(gòu),砷化鎵（GaAs）磷化鎵

4、(GaP) 硫化鋅(ZnS) 硫化鎘(CdS),元素半導(dǎo)體,化合物半導(dǎo)體,硅（Si）鍺（Ge）,Ⅲ族元素[如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(As)、銻(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半導(dǎo)體材料,假使體心結(jié)構(gòu)的原子是剛性的小球，且中心原子與立方體八個(gè)角落的原子緊密接觸，試算出這些原子占此體心立方單胞的空間比率。,例1-1,,,,,,解,練習(xí),假使面心結(jié)構(gòu)的原子是剛性的小球，且面中心原子與面頂點(diǎn)四個(gè)角

5、落的原子緊密接觸，試算出這些原子占此面心立方單胞的空間比率。,,解,例1-2,硅（Si）在300K時(shí)的晶格常數(shù)為5.43Å。請(qǐng)計(jì)算出每立方厘米體積中硅原子數(shù)及常溫下的硅原子密度。（硅的摩爾質(zhì)量為28.09g/mol）,解,晶體的各向異性,沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理特性也不同 。 晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電

6、阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。,,,在ACC’A’平面內(nèi)有六個(gè)原子，在ADD’A’平面內(nèi)有五個(gè)原子，且這兩個(gè)平面內(nèi)原子的間距不同。,,晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）,常用密勒指數(shù)來標(biāo)志晶向的不同取向。密勒指數(shù)是這樣得到的：（1）確定某平面在直角坐標(biāo)系三個(gè)軸上的截點(diǎn)，并以晶格常數(shù)為單位測(cè)得相應(yīng)的截距；（2）取截距的倒數(shù)，然后約簡(jiǎn)為三個(gè)沒有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)單的整數(shù)比；（3）將此結(jié)果以“（hkl）”表示

7、，即為此平面的密勒指數(shù)。,,如圖，晶面ACC’A’在坐標(biāo)軸上的截距為1，1，∞，其倒數(shù)為1，1，0，此平面用密勒指數(shù)表示為（110），此晶面的晶向（晶列指數(shù)）即為[110]；晶面ABB’A’用密勒指數(shù)表示為（ ）；晶面D’AC用密勒指數(shù)表示為（ ）。,,100,111,練習(xí),試求ADD’A’的密勒指數(shù)。,晶列指數(shù)——晶向指數(shù),任何兩個(gè)原子之間的連線在空間有許多與它相同的平行線。一族平行線所指的方

8、向用晶列指數(shù)表示晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標(biāo)軸上的投影的比例取互質(zhì)數(shù)[111]、[100]、[110],,晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）,任何三個(gè)原子組成的晶面在空間有許多和它相同的平行晶面一族平行晶面用晶面指數(shù)來表示它是按晶面在坐標(biāo)軸上的截距的倒數(shù)的比例取互質(zhì)數(shù)(111)、(100)、(110)相同指數(shù)的晶面和晶列互相垂直。,,1.2,半導(dǎo)體的電性能,,溫度與半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而迅速增加。 金屬電阻率的溫

9、度系數(shù)是正的（即電阻率隨溫度升高而增加，且增加得很慢）； 半導(dǎo)體材料電阻率的溫度系數(shù)都是負(fù)的（即溫度升高電阻率減小，電導(dǎo)率增加，且增加得很快）。 對(duì)溫度敏感，體積又小，熱慣性也小，壽命又長(zhǎng)，因此在無線電技術(shù)、遠(yuǎn)距離控制與測(cè)量、自動(dòng)化等許多方面都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。,熱敏電阻,雜質(zhì)與半導(dǎo)體,雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的影響非常大。 例如，純凈硅在室溫下的電阻率為2.14×

10、;107Ω·m，若摻入百分之一的雜質(zhì)（如磷原子），其電阻就會(huì)降至20Ω·m。 雖然此時(shí)硅的純度仍舊很高，但電阻率卻降至原來的一百萬分之一左右，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都利用了半導(dǎo)體的這一特性。,,光照與半導(dǎo)體,光照對(duì)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力也有很大的影響。 例如，硫化鎘（CdS）薄膜的暗電阻為幾十兆歐，然而受光照后，電阻降為幾十千歐，阻值在受光照以后改變了幾百倍。

11、 成為自動(dòng)化控制中的一個(gè)重要元件。,光敏電阻,其他因素與半導(dǎo)體,除溫度、雜質(zhì)、光照外，電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他外界因素（如外應(yīng)力）的作用也會(huì)影響半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力。,,硅（Si）,在20世紀(jì)50年代初期，鍺曾經(jīng)是最主要的半導(dǎo)體材料，但自60年代初期以來，硅已取而代之成為半導(dǎo)體制造的主要材料。 現(xiàn)今我們使用硅的主要原因，是因?yàn)楣杵骷に嚨耐黄?，硅平面工藝中，二氧化硅的運(yùn)用在其中起著決定性的作用，經(jīng)濟(jì)上的考慮也

12、是原因之一，可用于制造器件等級(jí)的硅材料，遠(yuǎn)比其他半導(dǎo)體材料價(jià)格低廉，在二氧化硅及硅酸鹽中硅的含量占地球的25%，僅次于氧。 到目前為止，硅可以說是元素周期表中被研究最多且技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體元素。,,1.3,半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶,,單個(gè)原子的電子,電子,靜電引力（庫(kù)侖力），使電子只能在圍繞原子核的軌道上運(yùn)動(dòng)。量子力學(xué) 雖然在空間的所有范圍內(nèi)都有電子出現(xiàn)的幾率，但對(duì)單個(gè)原子中的電子而言，其幾率的最大值則局限在離原子核中心

13、很小的范圍內(nèi)（玻爾半徑數(shù)量級(jí)）。軌道 電子云在空間分布幾率最大值，即軌道上，電子出現(xiàn)的幾率最大。,,,電子受到原子核和其他電子的共同作用。,,-,,,,,,,,,,,E1,E2,E3,原子核,能級(jí),晶體中的電子,當(dāng)原子間距很小時(shí)，原子間的電子軌道將相遇而交疊，晶體中每個(gè)原子的電子同時(shí)受到多個(gè)原子核和電子（包括這個(gè)原子的電子和其他原子的電子）作用。電子不僅可以圍繞自身原子核旋轉(zhuǎn)，而且可以轉(zhuǎn)到另一個(gè)原子周圍，即同一個(gè)電子可以被多個(gè)

14、原子共有，電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)到相鄰原子，將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。,制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶體。單晶體是由原子按一定周期重復(fù)排列而成，且排列相當(dāng)緊密，相鄰原子間距只有零點(diǎn)幾個(gè)納米的數(shù)量級(jí)。,,,,,,共有化運(yùn)動(dòng),由于晶體中原子的周期性排列而使電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，稱為電子共有化。,在晶體中，不但外層價(jià)電子的軌道有交疊，內(nèi)層電子的軌道也可能有交疊，它們都會(huì)形成共有化運(yùn)動(dòng)；但內(nèi)層電子的軌道交

15、疊較少，共有化程度弱些，外層電子軌道交疊較多，共有化程度強(qiáng)些。,,,,,,,半導(dǎo)體中的電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的大量原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。這個(gè)平均勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的，且周期與晶格周期相同。,,當(dāng)原子之間距離逐步接近時(shí)，原子周圍電子的能級(jí)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒?，下圖是金剛石結(jié)構(gòu)能級(jí)向能帶演變的示意圖。,能級(jí),能帶,,,●允帶,● 禁帶,● 滿帶,● 空帶,允許電子存在的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài),禁止電子存在的一系

16、列能量狀態(tài),被電子填充滿的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài) 滿帶不導(dǎo)電,沒有電子填充的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài) 空帶也不導(dǎo)電,圖1-5 金剛石結(jié)構(gòu)價(jià)電子能帶圖（絕對(duì)零度）,,●導(dǎo)帶,●價(jià)帶,有電子能夠參與導(dǎo)電的能帶，但半導(dǎo)體材料價(jià)電子形成的高能級(jí)能帶通常稱為導(dǎo)帶。,由價(jià)電子形成的能帶，但半導(dǎo)體材料價(jià)電子形成的低能級(jí)能帶通常稱為價(jià)帶。,●禁帶寬度/Eg,導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能級(jí)寬度，單位是能量單位：

17、eV（電子伏特）,,,圖1-6 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶示意圖,,能帶被電子部分占滿，在電場(chǎng)作用下這些電子可以導(dǎo)電,禁帶很寬，價(jià)帶電子常溫下不能被激發(fā)到空的導(dǎo)帶,禁帶比較窄，常溫下，部分價(jià)帶電子被激發(fā)到空的導(dǎo)帶，形成有少數(shù)電子填充的導(dǎo)帶和留有少數(shù)空穴的價(jià)帶，都能帶電,3~6eV,硅1.12eV鍺0.67 eV砷化鎵1.42 eV,●空穴,價(jià)帶中由于少了一些電子，在價(jià)帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，價(jià)帶即成了部分占滿的能

18、帶（相當(dāng)于半滿帶），在外電場(chǎng)作用下，仍留在價(jià)帶中的電子也能起導(dǎo)電作用。價(jià)帶電子的這種導(dǎo)電作用相當(dāng)于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的“準(zhǔn)粒子”的導(dǎo)電作用，常把這些滿帶中因失去了電子而留下的空位稱為空穴。所以，在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴均參與導(dǎo)電，這與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電有很大的區(qū)別。,,圖中“● ”表示價(jià)帶內(nèi)的電子 ;圖中“○ ”表示價(jià)帶內(nèi)的空穴。,思考,既然半導(dǎo)體電子和空穴都能導(dǎo)電，而導(dǎo)體只有電子導(dǎo)電，為什么半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力比導(dǎo)體差

19、？,圖1-7 一定溫度下半導(dǎo)體的能帶示意圖,,●導(dǎo)帶底EC,●價(jià)帶頂EV,●禁帶寬度 Eg,●本征激發(fā),導(dǎo)帶電子的最低能量,價(jià)帶電子的最高能量,Eg=Ec-Ev,由于溫度，價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子，亦即價(jià)帶電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子的過程 。,注意三個(gè)“準(zhǔn)”,準(zhǔn)連續(xù)準(zhǔn)粒子準(zhǔn)自由,練習(xí),整理空帶、滿帶、半滿帶、價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶、導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂、禁帶寬度的概念。簡(jiǎn)述空穴的概念。,1.4,半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷,,理想的半導(dǎo)體晶體,實(shí)際

20、應(yīng)用中的半導(dǎo)體材料,十分純凈不含任何雜質(zhì)晶格中的原子嚴(yán)格按周期排列的,,原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格的格點(diǎn)位置上，而是在其平衡位置附近振動(dòng)并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)，即在半導(dǎo)體晶格中存在著與組成半導(dǎo)體的元素不同的其他化學(xué)元素的原子晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷,,,極其微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響,在硅晶體中，若以105個(gè)硅原子中摻入一個(gè)雜質(zhì)原

21、子的比例摻入硼（B）原子，則硅晶體的導(dǎo)電率在室溫下將增加103倍。 用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，位錯(cuò)密度要求控制在103cm-2以下，若位錯(cuò)密度過高，則不可能生產(chǎn)出性能良好的器件。 （缺陷的一種）,例1,例2,理論分析認(rèn)為,由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會(huì)使嚴(yán)格按周期排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子存在的能量狀態(tài)（即能級(jí)），從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。,,雜質(zhì)來源,一）制備半導(dǎo)體的

22、原材料純度不夠高；二）半導(dǎo)體單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污；三）為了半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為地?fù)饺肽撤N化學(xué)元素的原子。,,金剛石結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),原子只占晶胞體積的34%，還有66%是空隙，這些空隙通常稱為間隙位置。,雜質(zhì)的填充方式,一）雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，間隙式雜質(zhì)/填充；二）雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，替位式雜質(zhì)/填充。,,,間隙式雜質(zhì),替位式雜質(zhì),兩種雜質(zhì)的特點(diǎn),間隙式雜質(zhì)原子半徑一般比較小，

23、如鋰離子（Li+）的半徑為0.68 Å，所以鋰離子進(jìn)入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質(zhì)的形式存在。替位式雜質(zhì)原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近，且它們的價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)也比較相近。如硅、鍺是Ⅳ族元素，與Ⅲ、Ⅴ族元素的情況比較相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)。,,雜質(zhì)濃度,單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，單位cm-3,,施主雜質(zhì)和施主能級(jí),硅中摻入磷（P）為例，研究Ⅴ族元素雜質(zhì)的作用。當(dāng)一個(gè)磷原子占據(jù)了硅原子

24、的位置，如圖所示，磷原子有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)價(jià)電子。磷原子成為一個(gè)帶有一個(gè)正電荷的磷離子（P+），稱為正電中心磷離子。其效果相當(dāng)于形成了一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的電子。,,,多余的電子束縛在正電中心周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余電子掙脫束縛，成為自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)，起到導(dǎo)電的作用。這時(shí)磷原子就成了一個(gè)少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子，它是一個(gè)不能移動(dòng)的正電中

25、心。多余電子脫離雜質(zhì)原子成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。使這個(gè)多余電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能，用ΔED表示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Ⅴ族元素原子在硅、鍺中的電離能很?。炊嘤嚯娮雍苋菀讙昝撛拥氖`成為導(dǎo)電電子），在硅中電離能約為0.04~0.05eV，在鍺中電離能約為0.01 eV，比硅、鍺的禁帶寬度小得多。,,Ⅴ族元素雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。施放電子的過程稱為施主電離。施

26、主雜質(zhì)在未電離時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。,施主雜質(zhì)/N型雜質(zhì),,,電子型半導(dǎo)體/N型半導(dǎo)體,純凈半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，施主雜質(zhì)電離，使導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，成為主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料。,,,施主能級(jí)用離導(dǎo)帶底Ec為ΔED處的短線段表示，施主能級(jí)上的小黑點(diǎn)表示被施主雜質(zhì)束縛的電子。箭頭表示被束縛的電子得到電離能后從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子

27、的電離過程。導(dǎo)帶中的小黑點(diǎn)表示進(jìn)入導(dǎo)帶中的電子，⊕表示施主雜質(zhì)電離后帶正電，成為不可移動(dòng)的正點(diǎn)中心。,電子得到能量ΔED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低ΔED，稱為施主能級(jí)，用ED表示。由于ΔED遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，所以施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中。由于施主雜質(zhì)相對(duì)較少，雜質(zhì)原子間的相互作用可以忽略，所以施主能級(jí)可以看作是一些具有相同能量的孤立能級(jí)，,,受主雜質(zhì)和受主能級(jí),硅中

28、摻入硼（B）為例，研究Ⅲ族元素雜質(zhì)的作用。當(dāng)一個(gè)硼原子占據(jù)了硅原子的位置，如圖所示，硼原子有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它和周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少一個(gè)電子，必須從別處的硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴。硼原子成為一個(gè)帶有一個(gè)負(fù)電荷的硼離子（B-），稱為負(fù)電中心硼離子。其效果相當(dāng)于形成了一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多余的空穴。,,,,多余的空穴束縛在負(fù)電中心周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可

29、以使多余空穴掙脫束縛，成為自由空穴在晶格中運(yùn)動(dòng)，起到導(dǎo)電的作用。這時(shí)硼原子就成了一個(gè)多了一個(gè)價(jià)電子的硼離子，它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。多余空穴脫離雜質(zhì)原子成為導(dǎo)電空穴的過程稱為雜質(zhì)電離。使這個(gè)多余空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能，用ΔEA表示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Ⅲ族元素原子在硅、鍺中的電離能很?。炊嘤嗫昭ê苋菀讙昝撛拥氖`成為導(dǎo)電空穴），在硅中約為0.045~0.065eV，在鍺中約為0.01 eV。,,Ⅲ族元素雜質(zhì)

30、在硅、鍺中能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心。,受主雜質(zhì)/P型雜質(zhì),,,空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。,空穴型半導(dǎo)體/P型半導(dǎo)體,純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，成為主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料。,,,受主能級(jí)用離價(jià)帶頂EV為ΔEA處的短線段表示，受主能級(jí)上的小圓圈表示被施主雜質(zhì)束縛的空穴。箭

31、頭表示被束縛的空穴得到電離能后從受主能級(jí)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴（即價(jià)帶頂?shù)碾娮榆S遷到受主能級(jí)上填充空位）的電離過程。價(jià)帶中的小圓圈表示進(jìn)入價(jià)帶中的空穴，Θ表示受主雜質(zhì)電離后帶負(fù)電，成為不可移動(dòng)的負(fù)點(diǎn)中心。,空穴得到能量ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的空穴的能量比價(jià)帶頂EV低ΔEA，稱為受主能級(jí)，用EA表示。由于ΔEA遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，所以受主能級(jí)位于價(jià)帶頂很近的禁帶中。由于受主雜質(zhì)相對(duì)較少，雜質(zhì)原子

32、間的相互作用可以忽略，所以受主能級(jí)可以看作是一些具有相同能量的孤立能級(jí)，,,,綜上所述,Ⅲ族元素,Ⅴ族元素,,摻入半導(dǎo)體，分別成為,受主雜質(zhì),施主雜質(zhì),,在禁帶中引入了新的能級(jí)，分別為,,,施主能級(jí)：比導(dǎo)帶底低ΔED,受主能級(jí)：比價(jià)帶頂高ΔEA,,,常溫下，雜質(zhì)都處于離化態(tài),,,施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行?受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴而成為負(fù)電中心,,分別成為,,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,施主 donor受主

33、 acceptor,關(guān)于能帶圖,電子能量，從下往上為升高的方向；空穴能量，從上往下為升高的方向；電子和空穴可以看作是兩種所帶電荷性質(zhì)相反，電荷數(shù)量相同，質(zhì)量相當(dāng)?shù)牧Ｗ?；施放電子的過程可以看作俘獲空穴的過程；施放空穴的過程也可以看作俘獲電子的過程。,,淺能級(jí),很靠近導(dǎo)帶底的施主能級(jí)、很靠近價(jià)帶頂?shù)氖苤髂芗?jí),,雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,問題,,假如在半導(dǎo)體材料中，同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，該如何判斷半導(dǎo)體究竟是N型還是P型

34、？,答,,應(yīng)該比較兩者濃度的大小，由濃度大的雜質(zhì)來決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型,施主和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用,,ND 施主雜質(zhì)濃度 NA 受主雜質(zhì)濃度n 導(dǎo)帶中的電子濃度 p 價(jià)帶中的空穴濃度假設(shè)施主和受主雜質(zhì)全部電離時(shí)，分情況討論雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。,,當(dāng)ND»NA時(shí)，因?yàn)槭苤髂芗?jí)低于施主能級(jí)，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到受主能級(jí)上，填滿NA個(gè)受主能級(jí)，還剩（ND-NA）

35、個(gè)電子在施主能級(jí)上，在雜質(zhì)全部電離的條件下，它們躍遷到導(dǎo)帶中成為導(dǎo)電電子，這時(shí)，n=ND-NA≈ND，半導(dǎo)體是N型的,情況一,,情況二,當(dāng)NA»ND時(shí)，施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主能級(jí)上后，受主能級(jí)還有(NA-ND)個(gè)空穴，它們可以躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，所以，p=NA-ND≈NA，半導(dǎo)體是P型的,,有效雜質(zhì)濃度,經(jīng)過補(bǔ)償之后，半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度,,當(dāng)ND > NA時(shí)，則（ND-NA）為有效施主濃度；當(dāng)NA &g

36、t;ND時(shí)，則（NA-ND）為有效受主濃度。,,利用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)淖饔茫涂梢愿鶕?jù)需要用擴(kuò)散或離子注入等方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制備各種器件。,,若控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)ND≈NA的現(xiàn)象，這時(shí)，施主電子剛好填充受主能級(jí)，雖然晶體中雜質(zhì)可以很多，但不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，（雜質(zhì)的高度補(bǔ)償）。這種材料容易被誤認(rèn)為是高純度的半導(dǎo)體，實(shí)際上卻含有很多雜質(zhì)，性能很差。,,深能級(jí)雜質(zhì),非Ⅲ、Ⅴ族元素?fù)饺牍琛㈡N中也會(huì)在禁帶中引入能級(jí)。

37、非Ⅲ、Ⅴ族元素產(chǎn)生的能級(jí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級(jí)距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)。稱為深能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)；（2）這些深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。因此，這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往引入若干個(gè)能級(jí)。而且，有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。,,半導(dǎo)體中的缺陷和缺陷能級(jí),當(dāng)半導(dǎo)體中的某些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞時(shí)就形成了各種缺陷。 缺陷分為三類：

38、①點(diǎn)缺陷：如空位，間隙原子，替位原子； ②線缺陷：如位錯(cuò)； ③面缺陷：如層錯(cuò)等。,,點(diǎn)缺陷,在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近作振動(dòng)運(yùn)動(dòng)（通常稱之為熱振動(dòng)），而且有一部分原子會(huì)獲得足夠的能量，克服周圍原子對(duì)它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子，原來的位置就成為空位。,,弗侖克耳缺陷,肖特基缺陷,間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的缺陷,只在晶格內(nèi)形成空位而無間隙原子的缺陷,均由溫度引起，又稱之為熱缺陷，它們總是同時(shí)存在的。,,

39、動(dòng)態(tài)平衡,間隙原子和空位一方面不斷地產(chǎn)生，另一方面兩者又不斷地復(fù)合，達(dá)到一個(gè)平衡濃度值。,,由于原子須具有較大的能量才能擠入間隙位置，而且遷移時(shí)激活能很小，所以晶體中空位比間隙原子多得多，空位成了常見的點(diǎn)缺陷。,,在元素半導(dǎo)體硅、鍺中存在的空位最鄰近有四個(gè)原子，每個(gè)原子各有一個(gè)不成對(duì)的價(jià)電子，成為不飽和的共價(jià)鍵，這些鍵傾向于接受電子，因此空位表現(xiàn)出受主作用。而每一個(gè)間隙原子有四個(gè)可以失去的未形成共價(jià)鍵的價(jià)電子，表現(xiàn)出施主作用。,,位錯(cuò)

40、,位錯(cuò)也是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 在硅、鍺晶體中位錯(cuò)的情況相當(dāng)復(fù)雜。由位錯(cuò)引入禁帶的能級(jí)也十分復(fù)雜。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，位錯(cuò)能級(jí)都是深受主能級(jí)。當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，能使含有淺施主雜質(zhì)的N型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對(duì)P型硅、鍺卻沒有這種影響。,,練習(xí),寫出常見缺陷的種類并舉例。試述弗侖克耳缺陷和肖特基缺陷的特點(diǎn)、共同點(diǎn)和關(guān)系。位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體材料和器件有什么影響？

41、,1.5,載流子的運(yùn)動(dòng),載流子,參與導(dǎo)電的電子和空穴統(tǒng)稱為半導(dǎo)體的載流子。,,載流子的產(chǎn)生,本征激發(fā) 電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴雜質(zhì)電離 當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子； 當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴,,載流子數(shù)目增加,載流子的復(fù)合,在導(dǎo)電電子和空穴產(chǎn)生的同時(shí)，還存在與之相反的過程，即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并向晶格放出一定的能量

42、。,,載流子數(shù)目減少,在一定溫度下，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的過程建立起動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)等于復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù)，稱為熱平衡狀態(tài)。 這時(shí)，半導(dǎo)體中的 導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子。,熱平衡狀態(tài),,實(shí)踐表明，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度密切相關(guān)。實(shí)際上，這主要是由于半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度劇烈變化所造成的。 所以，要深入了解半導(dǎo)體

43、的導(dǎo)電性，必須研究半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度變化的規(guī)律。 因此，解決如何計(jì)算一定溫度下，半導(dǎo)體中熱平衡載流子濃度的問題成了本節(jié)的中心問題。,,能量在E→E+dE范圍內(nèi)的電子數(shù)（統(tǒng)計(jì)方法）,電子填充能級(jí)E的幾率,N(E) 單位體積晶體中在能量E處的電子能級(jí)密度,能量為E的狀態(tài)密度,能量無限小量,,,,,能量為E的電子狀態(tài)密度（測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系）,EC 導(dǎo)帶底,h 普朗克常數(shù),mn* 電子的有效質(zhì)量,,能量為E

44、的空穴狀態(tài)密度,mp* 空穴的有效質(zhì)量EV 價(jià)帶頂,,有效質(zhì)量,晶體中的電子除了受到外力作用外，還受到晶格原子和其他電子的作用，為了把這些作用等效為晶體中的電子質(zhì)量，所以引入有效質(zhì)量的概念。（當(dāng)電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，它一方面受到外電場(chǎng)力的作用，同時(shí)還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子、電子相互作用著，電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效果。但是要找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式并且求出加速度遇到一定的困難，引進(jìn)有效質(zhì)量后可使

45、問題變得簡(jiǎn)單，直接把外力和電子的加速度聯(lián)系起來，而內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用則由有效質(zhì)量加以概括。特別是有效質(zhì)量可以直接由試驗(yàn)測(cè)定，因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。）,,費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù),量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率,E 電子能量 k0 玻耳茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度EF 費(fèi)米能級(jí) 常數(shù)，大多數(shù)情況下，它的數(shù)值在半導(dǎo)體能帶的禁帶范圍內(nèi)，和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)

46、。只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。,,費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)的特性,當(dāng)T=0K時(shí)，若EEF，則f（E）=0,絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。,當(dāng)T>0K時(shí)，若E1/2若E= EF，則f（E）=1/2若E> EF，則f（E）<1/2,當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)

47、的能量比費(fèi)米能級(jí)高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。因此，費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志。,,導(dǎo)帶電子濃度,能量在E~E+dE范圍內(nèi)的導(dǎo)帶電子濃度,導(dǎo)帶范圍內(nèi)積分，就可以得到導(dǎo)帶電子濃度n0。積分上限擴(kuò)展到∞，（導(dǎo)帶電子主要集中在導(dǎo)帶底附近，在導(dǎo)帶頂或能量更高的區(qū)域，電子的分布幾率已減小到接近于零）。,,常溫時(shí)k0T=0.026eV，Eg在1 eV 左右，EF在禁帶中，所以E-EF遠(yuǎn)大于k0T,導(dǎo)

48、帶電子濃度,導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度,式（1-6）,價(jià)帶空穴濃度（同理）,價(jià)帶的有效能級(jí)密度,式（1-7）,n0、p0和EF 的關(guān)系,,導(dǎo)帶中電子濃度n0和價(jià)帶中空穴濃度p0隨著溫度T和費(fèi)米能級(jí)EF的不同而變化。,◆在一定溫度下，由于半導(dǎo)體中所含雜質(zhì)的類型和數(shù)量的不同，電子濃度n0及空穴濃度p0也將隨之變化?！粼跍囟纫欢〞r(shí)，NC和NV是常數(shù)，且它們的值很接近，公式中的指數(shù)因子是造成n0和p0差別很大的主要原因。,,n0、p0和EF 的關(guān)

49、系,,本征半導(dǎo)體（一塊沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體），n0=p0，費(fèi)米能級(jí)大致在禁帶的中央； N型半導(dǎo)體 n0>p0，費(fèi)米能級(jí)比較靠近導(dǎo)帶； P型半導(dǎo)體 p0>n0，費(fèi)米能級(jí)比較靠近價(jià)帶； 摻雜濃度越高，費(fèi)米能級(jí)離導(dǎo)帶或價(jià)帶越近。,本征半導(dǎo)體的載流子濃度,當(dāng)半導(dǎo)體的溫度大于絕對(duì)零度時(shí)，就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶去，同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，這就是本征激發(fā)。由于電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等

50、于價(jià)帶中的空穴濃度,n0=p0,,式（1-8）,將式（1-6）、（1-7）代入（1-8），可以求得本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF，并用符號(hào)Ei表示，稱為本征費(fèi)米能級(jí),式（1-9）,式（1-9）,等式右邊第二項(xiàng)近似為零，可忽略，所以本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)Ei基本上在禁帶中線處。,將式（1-9）分別代入式（1-6）、（1-7），可得本征半導(dǎo)體載流子濃度ni,式（1-11）,式（1-11）,一定的半導(dǎo)體材料，其本征載流子濃度ni隨溫度上而迅速增加

51、； 不同的半導(dǎo)體材料在同一溫度下，禁帶寬度越大，本征載流子濃度ni就越小。,,由（1-6）（1-7）得載流子濃度乘積，并與（1-11）比較，可得,n0p0=ni2,,式（1-12）,在一定溫度下，任何非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（電子或空穴的濃度分別遠(yuǎn)低于導(dǎo)帶或價(jià)帶的有效能級(jí)密度）的熱平衡載流子濃度的乘積n0p0等于該溫度下的本征半導(dǎo)體載流子濃度ni的平方，與所含雜質(zhì)無關(guān)。 式（1-12）不僅適用于本征半導(dǎo)體，而且也

52、適用于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。,,n0p0=ni2,式（1-12）,,表1-1 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度,雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度,一般來說，在室溫下所有的雜質(zhì)都已電離，一個(gè)雜質(zhì)原子可以提供一個(gè)載流子；假設(shè)摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的載流子濃度 。,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,(ND為施主雜質(zhì)濃度),(NA為受主雜質(zhì)濃度),,,N型半導(dǎo)體中，電子為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）；P型半

53、導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。,,,式（1-12）,n0p0=ni2,由式（1-12），可以確定少數(shù)載流子的濃度,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,,,由于ND（或NA）遠(yuǎn)大于ni，因此在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少數(shù)載流子比本征半導(dǎo)體的載流子濃度ni小得多。,本征激發(fā)時(shí),式（1-6）,式（1-6）可改寫如下,★式,★式代入式（1-6）可得,★式,當(dāng)一塊半導(dǎo)體中同時(shí)摻入P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)時(shí)，考慮室溫下，雜質(zhì)全部電離，以及雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，載流子濃度

54、為|ND-NA| 。,多子濃度計(jì)算,少子濃度計(jì)算,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,,,對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨著溫度的升高，載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程。相應(yīng)地，費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近逐漸移近到禁帶中線處。 當(dāng)溫度一定時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的位置由雜質(zhì)濃度所決定，例如N型半導(dǎo)體，隨著施主濃度的增加，費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向?qū)У追较颉?對(duì)于P型半導(dǎo)體，隨著受主雜質(zhì)濃度的增加，

55、費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向價(jià)帶頂附近。,,雜質(zhì)濃度與費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系,,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)的位置不但反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，而且還反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。 對(duì)于N型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以上，ND越大，費(fèi)米能級(jí)位置越高。 對(duì)于P型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以下，NA越大，費(fèi)米能級(jí)位置越低。如圖1-15所示。,,載流子的漂移運(yùn)動(dòng),半導(dǎo)體中的載流子在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，載流子會(huì)

56、與晶格原子、雜質(zhì)原子或其他散射中心 碰撞，速度和運(yùn)動(dòng)方向?qū)?huì)發(fā)生改變，可能從晶格中獲得能量，速度變大，也有可能把能量交給晶格，速度變小。,,平均自由程,大量載流子在兩次碰撞之間路程的平均值,平均自由時(shí)間,大量載流子在兩次碰撞之間時(shí)間的平均值,λ,τ,歐姆定律,以金屬導(dǎo)體為例，在導(dǎo)體兩端加以電壓V時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)形成電流，電流強(qiáng)度為,R為導(dǎo)體的電阻，且阻值與導(dǎo)體的長(zhǎng)度l成正比，與截面積s成反比，ρ為導(dǎo)體的電阻率。電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率

57、σ ，即,電流密度,在半導(dǎo)體中，通常電流分布是不均勻的，即流過不同截面的電流強(qiáng)度不一定相同。我們引入電流密度的概念，它定義為通過垂直于電流方向的單位面積的電流，用J表示，即,ΔI：通過垂直于電流方向的面積元Δs的電流強(qiáng)度,歐姆定律的微分形式,一段長(zhǎng)為l，截面積為s，電阻率為ρ的均勻?qū)w，若兩端外加電壓V，則導(dǎo)體內(nèi)部各處均建立起電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小,電流密度,歐姆定律的微分形式,電流密度和該處的電導(dǎo)率及電場(chǎng)強(qiáng)度直接聯(lián)系起來,漂移電流

58、密度,導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用，沿著電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成電流。電子在電場(chǎng)力作用下的這種運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度。,電子的平均漂移速度,一秒種內(nèi)通過導(dǎo)體某一截面的電子電量就是電流強(qiáng)度,n：電子的濃度,平均漂移速度的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,則,μ：電子的遷移率，習(xí)慣取正值,表示單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度,比較上面兩個(gè)式子，可得σ和μ之間的關(guān)系,一塊均勻半導(dǎo)體，兩端加以電壓，在半導(dǎo)體內(nèi)部就形成電場(chǎng),電子帶

59、負(fù)電，空穴帶正電，所以兩者漂移運(yùn)動(dòng)的方向不同，電子反電場(chǎng)方向漂移，空穴沿電場(chǎng)方向漂移。,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用應(yīng)該是電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和。,un：電子遷移率 up：空穴遷移率 Jn：電子電流密度 Jp: 空穴電流密度 n：電子濃度 p：空穴濃度,總電流密度J,兩式相比可以得到半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,對(duì)于兩種載

60、流子濃度相差很懸殊而遷移率差別不太大的雜質(zhì)半導(dǎo)體來說，它的電導(dǎo)率主要取決于多數(shù)載流子。,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,電導(dǎo)率與載流子濃度和遷移率之間的關(guān)系,本征半導(dǎo)體n0=p0=ni,半導(dǎo)體的電阻率可以用四探針直接測(cè)量讀出，比較方便，所以實(shí)際工作中常習(xí)慣用電阻率來討論問題。,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體n0=p0=ni,在300K時(shí)，本征硅的電阻率約為 2.3×105Ω·cm，本征鍺的電阻率約

61、為 47Ω·cm。,,電阻率與雜質(zhì)濃度成簡(jiǎn)單反比關(guān)系，雜質(zhì)濃度越高，電阻率越小。,P21 圖1-17 Si、Ge和GaAs的電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系,,例1-4,一塊每立方厘米摻入1016個(gè)磷原子的N型硅，求其在室溫下的電導(dǎo)率和電阻率。已知，電子的遷移率為1300cm2/(V·s)。,解 在室溫下，假設(shè)所有的施主雜質(zhì)皆被電離，因此,電導(dǎo)率,電阻率,,載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),分子、原子、電子等微觀粒子

62、，在氣體、液體、固體中都可以產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 只要微觀粒子在各處的濃度不均勻，由于無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，就可以引起粒子由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)完全是由粒子濃度不均勻所引起，它是粒子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，但它與粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。 對(duì)于一塊均勻摻雜的半導(dǎo)體，例如N型半導(dǎo)體，電離施主帶正電，電子帶負(fù)電，由于電中性的要求，各處電荷密度為零，所以載流子分布也是均勻的，即沒有濃度差異，因而均勻材料中不會(huì)發(fā)生載流子的

63、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,,擴(kuò)散流密度,t1時(shí)刻在晶體內(nèi)的某一平面上引入一些載流子，由于載流子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在x=0處原來高密度的載流子要向外擴(kuò)散，直至載流子均勻分布于整個(gè)區(qū)域內(nèi)。,單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的載流子數(shù)目。,,,費(fèi)克第一定律,擴(kuò)散流服從費(fèi)克第一定律。,F 擴(kuò)散流密度 D 擴(kuò)散系數(shù)N 載流子密度,,擴(kuò)散電流密度,電子,空穴,穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程,電子,空穴,P22，推導(dǎo)略,既有濃度梯度，又有電場(chǎng)作用,若半導(dǎo)

64、體中非平衡載流子濃度不均勻，同時(shí)又有外加電場(chǎng)的作用，那么除了非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，載流子還要作漂移運(yùn)動(dòng)。這時(shí)擴(kuò)散電流和漂移電流疊加在一起構(gòu)成半導(dǎo)體的總電流。,電子電流密度,空穴電流密度,愛因斯坦關(guān)系,遷移率：反映載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)難易程度；擴(kuò)散系數(shù)：反映存在濃度梯度時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度。,,在平衡條件下，不存在宏觀電流，因此電場(chǎng)的方向必須是反抗擴(kuò)散電流，使平衡時(shí)電子的總電流和空穴的總電流分布等于零，即,以電子電流為例,（1-

65、17）,（1-18）,（1-19）,將式（1-18）、（1-19）代入式（1-17）得,同理，對(duì)于空穴可得,,愛因斯坦關(guān)系,表明了載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。 雖然是針對(duì)平衡載流子推導(dǎo)出來的，但實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)關(guān)系可直接應(yīng)用于非平衡載流子。,,由于載流子的遷移率與半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度有關(guān)系，故載流子的擴(kuò)散系數(shù)也與半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度有關(guān)。,Si,GaAs,例1-5,假設(shè)T=300K，一個(gè)N型半導(dǎo)體中，電子濃度在0.1cm的距離中

66、從1×1018cm-3至7×1017cm-3作線性變化，計(jì)算擴(kuò)散電流密度。假設(shè)電子擴(kuò)散系數(shù)Dn=22.5cm2/s。,解,擴(kuò)散電流密度為,練習(xí),P30 9寫出歐姆定律的一般形式和微分形式。電子和空穴的漂移方向如何判斷？擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)又如何？為什么說平衡態(tài)下電場(chǎng)的方向必須是反抗擴(kuò)散電流？,,1.6 非平衡載流子,半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外加作用，破壞了熱平衡狀態(tài)的條件，這就迫使它處

67、于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。,,用n0和p0分別表示平衡時(shí)的電子濃度和空穴濃度，它們的乘積滿足,處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度將不再是n0和p0，可以比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子，有時(shí)也稱過剩載流子，用Δn 和Δp 分別表示非平衡電子和非平衡空穴。,,例如在一定溫度下，當(dāng)沒有光照時(shí)，一塊半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度分別為n0和p0，假設(shè)是N型半導(dǎo)體，則n0>p0，當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)

68、的光照射該半導(dǎo)體時(shí)，只要光子的能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度，那么光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子Δn，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴 Δp，且Δn=Δp 。 在一般情況下，注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小得多。對(duì)于N型半導(dǎo)體，Δn遠(yuǎn)小于n0，Δp遠(yuǎn)小于n0，滿足這個(gè)條件的注入稱為小注入。,,例 1Ω·cm的N型硅中，n0≈5.5×1015