(施敏)半導(dǎo)體器件物理(詳盡版)ppt.ppt

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10-8m），絕緣體（電阻率大于106m）。,半導(dǎo)體,五種常見的晶格結(jié)構(gòu),簡單立方結(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（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(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）,族元素如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)和族元素如磷(P)、砷(As)、銻(Sb)合成的-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5.43。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ACCA平面內(nèi)有六個(gè)原子，在ADDA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)，然后約簡為三個(gè)沒有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡成最簡單的整數(shù)比；（3）將此結(jié)果以“（hkl）”表示，即為此平面的密勒指數(shù)。,如圖，晶面ACCA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ABBA用密勒指數(shù)表示為（）；晶面DAC用密勒指數(shù)表示為（）。,100,111,練習(xí),試求ADDA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，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2.14107m，若摻入百分之一的雜質(zhì)（如磷原子），其電阻就會(huì)降至20m。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。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、磁場及其他外界因素（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)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)場和其他大量電子的平均勢(shì)場中運(yùn)動(dòng)。這個(gè)平均勢(shì)場也是周期性變化的，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В聢D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：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,36eV,硅1.12eV鍺0.67eV砷化鎵1.42eV,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帶（相當(dāng)于半滿帶），在外電場作用下，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？,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，如鋰離子（Li+）的半徑為0.68，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、鍺是族元素，與、族元素的情況比較相近，所以、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，研究族元素雜質(zhì)的作用。當(dāng)一個(gè)磷原子占據(jù)了硅原子的位置，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ED表示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，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0.040.05eV，在鍺中電離能約為0.01eV，比硅、鍺的禁帶寬度小得多。,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ED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ED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ED，稱為施主能級(jí)，用ED表示。由于ED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),硅中摻入硼（B）為例，研究族元素雜質(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EA表示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，族元素原子在硅、鍺中的電離能很小（即多余空穴很容易掙脫原子的束縛成為導(dǎo)電空穴），在硅中約為0.0450.065eV，在鍺中約為0.01eV。,族元素雜質(zhì)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EA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，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EA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EA，稱為受主能級(jí)，用EA表示。由于EA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,族元素,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ED,受主能級(jí)：比價(jià)帶頂高EA,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？,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)NDNA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）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-NAND，半導(dǎo)體是N型的,情況一,情況二,當(dāng)NAND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-NDNA，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)NDNA時(shí)，則（ND-NA）為有效施主濃度；當(dāng)NAND時(shí)，則（NA-ND）為有效受主濃度。,利用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)淖饔?，就可以根?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)NDNA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、族元素?fù)饺牍?、鍺中也會(huì)在禁帶中引入能級(jí)。非、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：點(diǎn)缺陷：如空位，間隙原子，替位原子；線缺陷：如位錯(cuò)；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。,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),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？,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。,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EE+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)場和外電場作用的綜合效果。但是要找出內(nèi)部勢(shì)場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)量后可使問題變得簡單，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)。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)T0K時(shí)，若E1/2若E=EF，則f（E）=1/2若EEF，則f（E）p0，費(fèi)米能級(jí)比較靠近導(dǎo)帶；P型半導(dǎo)體p0n0，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；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，而且也適用于非簡并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。,n0p0=ni2,式（1-12）,表1-1300K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（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）；P型半導(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?。?duì)于P型半導(dǎo)體，隨著受主雜質(zhì)濃度的增加，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作用下作漂移運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，載流子會(huì)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,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)體的長度l成正比，與截面積s成反比，為導(dǎo)體的電阻率。電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率，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,I：通過垂直于電流方向的面積元s的電流強(qiáng)度,歐姆定律的微分形式,一段長為l，截面積為s，電阻率為的均勻?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，電場強(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)率及電場強(qiáng)度直接聯(lián)系起來,漂移電流密度,導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場力的作用，沿著電場的反方向作定向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成電流。電子在電場力作用下的這種運(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強(qiáng)度成正比,則,：電子的遷移率，習(xí)慣取正值,表示單位場強(qiáng)下電子的平均漂移速度,比較上面兩個(gè)式子，可得和之間的關(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,電子帶負(fù)電，空穴帶正電，所以兩者漂移運(yùn)動(dòng)的方向不同，電子反電場方向漂移，空穴沿電場方向漂移。,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2.3105cm，本征鍺的電阻率約為47cm。,電阻率與雜質(zhì)濃度成簡單反比關(guān)系，雜質(zhì)濃度越高，電阻率越小。,P21圖1-17Si、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/(Vs)。,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，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，又有電場作用,若半導(dǎo)體中非平衡載流子濃度不均勻，同時(shí)又有外加電場的作用，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,（1-17）,（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的距離中從11018cm-3至71017cm-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),P309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n和p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n0p0，當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射該半導(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n，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴p，且n=p。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，n遠(yuǎn)小于n0，p遠(yuǎn)小于n0，滿足這個(gè)條件的注入稱為小注入。,例1cm的N型硅中，n05.51015cm-3，p03.1104cm-3，若注入非平衡載流子n=p=1010cm-3，n遠(yuǎn)小于n0，是小注入，但是p幾乎是p0的106倍，即p遠(yuǎn)大于p0。,說明即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大得多，它的影響就顯得十分重要了，而相對(duì)來說非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略。所以實(shí)際上往往是非平衡少數(shù)載流子起著重要作用，因此通常說的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子。,光注入必然導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，即引起附加電導(dǎo)率,除了光照，還可以用其他方法產(chǎn)生非平衡載流子，最常用的是用電的方法，稱為非平衡載流子的電注入。如以后講到的P-N結(jié)正向工作時(shí)，就是常遇到的電注入。,實(shí)驗(yàn)證明注入的非平衡載流子并不能一直存在下去，光照停止后，它們會(huì)逐漸消失，也就是原來激發(fā)到導(dǎo)帶的電子又回到價(jià)帶，電子和空穴又成對(duì)地消失了。最后載流子濃度恢復(fù)到平衡時(shí)的值，半導(dǎo)體又回到了平衡狀態(tài)。結(jié)論產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，過剩載流子逐漸消失。,非平衡載流子的復(fù)合,熱平衡并不是一種絕對(duì)靜止的狀態(tài)。就半導(dǎo)體中的載流子而言，任何時(shí)候電子和空穴總是不斷地產(chǎn)生和復(fù)合，在熱平衡狀態(tài)，產(chǎn)生和復(fù)合處于相對(duì)平衡，每秒鐘產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目與復(fù)合掉的數(shù)目相等，從而保持載流子濃度穩(wěn)定不變。當(dāng)用光照射半導(dǎo)體時(shí)，打破了產(chǎn)生和復(fù)合的相對(duì)平衡，產(chǎn)生超過了復(fù)合，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了非平衡載流子，半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)。光照停止初期，半導(dǎo)體中仍然存在非平衡載流子。由于電子和空穴的數(shù)目比熱平衡時(shí)增多了，它們?cè)跓徇\(yùn)動(dòng)中相遇而復(fù)合的機(jī)會(huì)也將增大。這時(shí)復(fù)合超過了產(chǎn)生而造成一定的凈復(fù)合，非平衡載流子逐漸消失，最后恢復(fù)到平衡值，半導(dǎo)體又回到了熱平衡狀態(tài)。,非平衡載流子的壽命,實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于N型半導(dǎo)體，光照停止后，p隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少。這說明非平衡載流子并不是立刻全部消失，而是有一個(gè)過程，即它們?cè)趯?dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間，有的長些，有的短些。非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命，用表示。,相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子而言，非平衡少數(shù)載流子的影響處于主導(dǎo)的、決定的地位，因而非平衡載流子的壽命通常指少數(shù)載流子的壽命。,當(dāng)t=，則p(t)=(p)0/e。壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原來數(shù)值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。壽命不同，非平衡載流子衰減的快慢不同，壽命越短，衰減越快。,通常壽命可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量直流光電導(dǎo)衰減法；高頻光電導(dǎo)衰減法；光磁電法；擴(kuò)散長度法；雙脈沖法；漂移法。,不同材料的壽命很不相同。一般來說，鍺比硅容易獲得較高的壽命，而砷化鎵的壽命要短得多。在比較完整的鍺單晶中，壽命可超過104s。純度和完整性特別好的硅材料，壽命可達(dá)103s以上。砷化鎵的壽命極短，約為10-810-9s或更低。即使是同種材料，在不同的條件下，壽命也可在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化。通常制造晶體管的鍺材料，壽命在幾十微秒到二百多微秒范圍內(nèi)。平面器件中的硅壽命一般在幾十微秒以上,復(fù)合理論,由于半導(dǎo)體內(nèi)部的相互作用，使得任何半導(dǎo)體在平衡態(tài)總有一定數(shù)目的電子和空穴。從微觀角度講，平衡態(tài)指的是由系統(tǒng)內(nèi)部一定的相互作用所引起的微觀過程之間的平衡。也正是這些微觀過程促使系統(tǒng)由非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡，引起非平衡載流子的復(fù)合，因此，復(fù)合過程是屬于統(tǒng)計(jì)性的過程。根據(jù)長期的研究結(jié)果，就復(fù)合過程的微觀機(jī)構(gòu)講，復(fù)合過程大致可以分為兩種：直接復(fù)合，即電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合；間接復(fù)合，即電子和空穴通過禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合。根據(jù)復(fù)合發(fā)生的位置，又可以將它分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。,直接復(fù)合,電子在導(dǎo)帶與價(jià)帶間直接躍遷而引起非平衡載流子的復(fù)合過程,對(duì)于N型半導(dǎo)體,r電子-空穴復(fù)合幾率,在小注入條件下，當(dāng)溫度和摻雜一定時(shí)，壽命是一個(gè)常數(shù)。壽命與多數(shù)載流子濃度成反比，或者說，半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高，壽命就越短。,一般來說，禁帶寬度越小，直接復(fù)合的幾率越大。,間接復(fù)合,半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級(jí)，它們除了影響半導(dǎo)體的電特性以外，對(duì)非平衡載流子的壽命也有很大的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體中雜質(zhì)越多，晶格缺陷越多，壽命就越短。這說明雜質(zhì)和缺陷有促進(jìn)復(fù)合的作用。這些促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。間接復(fù)合:非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合。,討論具有一種復(fù)合中心能級(jí)的簡單情況禁帶中有了復(fù)合中心能級(jí)，就好像多了一個(gè)臺(tái)階，電子-空穴的復(fù)合可分兩步走：第一步，導(dǎo)帶電子落入復(fù)合中心能級(jí)；第二步，這個(gè)電子再落入價(jià)帶與空穴復(fù)合。復(fù)合中心恢復(fù)到原來空著的狀態(tài)，又可以再去完成下一次的復(fù)合過程。,甲過程：俘獲電子過程。復(fù)合中心能級(jí)Et從導(dǎo)帶俘獲電子。乙過程：發(fā)射電子過程。復(fù)合中心能級(jí)Et上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶（甲的逆過程）。丙過程：俘獲空穴過程。電子由復(fù)合中心能級(jí)Et落入價(jià)帶與空穴復(fù)合。(復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲一個(gè)空穴)丁過程：發(fā)射空穴過程。價(jià)帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級(jí)Et上。(復(fù)合中心能級(jí)向價(jià)帶發(fā)射了一個(gè)空穴)（丙的逆過程）,研究發(fā)現(xiàn)非平衡載流子壽命與復(fù)合中心濃度成反比，即復(fù)合中心濃度越高，非平衡載流子復(fù)合得越快，復(fù)合中心濃度越小，非平衡載流子復(fù)合得越慢。實(shí)驗(yàn)證明在鍺中，錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、金（Au）、銅（Cu）、鎳（Ni）等可以形成復(fù)合中心；在硅中金（Au）、銅（Cu）、鐵（Fe）、錳（Mn）、銦（In）等可以形成復(fù)合中心。,表面復(fù)合,表面復(fù)合是指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過程。,少數(shù)載流子壽命值在很大程度上受半導(dǎo)體樣品的形狀和表面狀態(tài)的影響。例如，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過吹砂處理或用金剛砂粗磨的樣品，其壽命很短。而細(xì)磨后再經(jīng)過適當(dāng)化學(xué)腐蝕的樣品，壽命要長得多。實(shí)驗(yàn)還表明，對(duì)于同樣的表面情況，樣品越小，壽命越短。可見，半導(dǎo)體表面確實(shí)有促進(jìn)復(fù)合的作用。,表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心能級(jí)，因而，就復(fù)合機(jī)構(gòu)講，表面復(fù)合仍然是間接復(fù)合。間接復(fù)合理論完全可以用來處理表面復(fù)合問題。考慮了表面復(fù)合，實(shí)際測(cè)得的壽命應(yīng)該是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果。設(shè)這兩種復(fù)合是單獨(dú)平行地發(fā)生的。用v表示體內(nèi)復(fù)合壽命，則1/v就是體內(nèi)復(fù)合幾率。若用s表示表面復(fù)合壽命，則1/s就表示表面復(fù)合幾率?？偟膹?fù)合幾率,:有效壽命,俄歇復(fù)合,載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子-空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳遞給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級(jí)上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量以聲子的形式放出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。俄歇復(fù)合又可分為帶間俄歇復(fù)合和與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)的俄歇復(fù)合。一般來說，帶間俄歇復(fù)合在窄禁帶半導(dǎo)體中及高溫情況下起著重要作用，而與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)的俄歇復(fù)合過程，常常會(huì)影響半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率。,影響非平衡載流子壽命的因素,材料的種類雜質(zhì)的含量（特別是深能級(jí)雜質(zhì)）表面狀態(tài)缺陷的密度外部條件（外界氣氛）,很大程度上反映了晶格的完整性，可以衡量材料的質(zhì)量，故常被稱作“結(jié)構(gòu)靈敏”的參數(shù)。,P-N結(jié)的能帶圖平衡P-N結(jié)的特點(diǎn)P-N結(jié)的直流特性,P-N結(jié),采用合金、擴(kuò)散、離子注入等制造工藝，可以在一塊半導(dǎo)體中獲得不同摻雜的兩個(gè)區(qū)域，這種P型和N型區(qū)之間的冶金學(xué)界面稱為P-N結(jié)。,雙極型及MOS型半導(dǎo)體器件是由一個(gè)或幾個(gè)P-N結(jié)組成的，P-N結(jié)是很多半導(dǎo)體器件的心臟，所以研究P-N結(jié)的交、直流特性，是搞清器件機(jī)理的基礎(chǔ)。,2.1,P-N結(jié)及其能帶圖,P-N結(jié)的形成,在一塊N型(或P型)半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚕ㄈ绾辖鸱?、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等）把P型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊半導(dǎo)體單晶的不同區(qū)域分別具有N型和P型的導(dǎo)電類型，在兩者的交界面處就形成了P-N結(jié)。,制作方法,合金法,把一小粒鋁放在一塊N型單晶硅片上，加熱到一定溫度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在N型硅片上形成一含有高濃度鋁的P型硅薄層，它和N型硅襯底的交界面即為P-N結(jié)（稱之為鋁硅合金結(jié)）。,擴(kuò)散法,在N型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得P-N結(jié)。其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。如圖所示在N型硅單晶上，生長一層SiO2，通過光刻、擴(kuò)散將P型雜質(zhì)擴(kuò)散入N型硅單晶中，形成P-N結(jié)（亦稱之為擴(kuò)散結(jié)）。,P-N結(jié)能帶圖,擴(kuò)散,當(dāng)半導(dǎo)體形成P-N結(jié)時(shí)，由于結(jié)兩邊存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從P區(qū)到N區(qū)，電子從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,空間電荷/空間電荷區(qū),對(duì)于P區(qū)空穴離開后，留下了不可移動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主，這些電離受主沒有正電荷與之保持電中性，因此，在P-N結(jié)附近P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同理，在P-N結(jié)附近N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個(gè)正電荷區(qū)，通常把在P-N結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷，它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)（也稱之為勢(shì)壘區(qū)）,內(nèi)建電場,空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從N區(qū)指向P區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場，稱之為內(nèi)建電場（自建電場）。,漂移,在內(nèi)建電場作用下，載流子作漂移運(yùn)動(dòng)。電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。因此，內(nèi)建電場起到阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。,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,電子帶負(fù)電，空穴帶正電，所以兩者漂移運(yùn)動(dòng)的方向不同，電子反電場方向漂移，空穴沿電場方向漂移。,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。,隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷逐漸增多，空間電荷區(qū)逐漸擴(kuò)展；同時(shí)，內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng)，在沒有外加電壓的情況下，載流子的擴(kuò)散和漂移最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散過去多少電子，同時(shí)就有同樣多的電子在內(nèi)建電場作用下返回N區(qū)。因而電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等，方向相反，從而相互抵消。對(duì)于空穴，情況完全相似。因此沒有凈電流流過P-N結(jié)，即凈電流為零。這時(shí)空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展，保持一定的寬度，同時(shí)存在一定的內(nèi)建電場。一般在這種情況下的P-N結(jié)稱為熱平衡狀態(tài)下的P-N結(jié)（簡稱平衡P-N結(jié)）。,2.2,平衡P-N結(jié),平衡P-N結(jié)的能帶圖,N型、P型半導(dǎo)體的能帶圖，圖中EFn和EFp分別表示N型和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。,當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成P-N結(jié)時(shí)，按照費(fèi)米能級(jí)的意義，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的N區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)。因而EFn不斷下移，而EFp不斷上移，直至EFn=EFp。,這時(shí)，P-N結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF，P-N結(jié)處于平衡狀態(tài)，其能帶圖如圖所示。能帶相對(duì)移動(dòng)的原因是P-N結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。,P區(qū)能帶相對(duì)于N區(qū)能帶上移的原因,能帶圖是按照電子能量從高到低來畫的。由于內(nèi)建電場使得P區(qū)電子能量在原來能級(jí)基礎(chǔ)上疊加上一個(gè)由電場引起的附加勢(shì)能。,半導(dǎo)體中有電場存在的地方，能帶發(fā)生彎曲，朝電場所指方向上移，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，能帶彎曲越厲害，電場為零或很弱