大二物理下-專(zhuān)題講座半導(dǎo)體

一、半導(dǎo)體的物理基礎(chǔ)1、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)孤立原子電子繞核運(yùn)動(dòng)晶體電子共有化運(yùn)動(dòng)原子能級(jí)分裂成能帶

電子能量（自由態(tài)；孤立原子；晶體）能帶對(duì)應(yīng)孤立原子的每個(gè)能量狀態(tài)開(kāi)始分裂，擴(kuò)展成幾乎連續(xù)的帶狀而形成能帶。允帶和禁帶導(dǎo)帶和價(jià)帶空帶禁帶成因布喇格條件：2asinθ＝nλ

入射角θ＝π／2

得λ＝2a／n

即k＝nπ／a

一維晶格中電子波exp(ikx)的布喇格反射相反方向傳播的波疊加起來(lái)形成駐波正弦波態(tài)和余弦波態(tài)之間產(chǎn)生能量差入射波與反射波疊加：均勻勢(shì)場(chǎng)中，電子能量：當(dāng)k＝π／a，電子能量：一維晶體的勢(shì)場(chǎng)和對(duì)應(yīng)k＝±π／a的波函數(shù)及其幾率密度

在波數(shù)k滿(mǎn)足布喇格條件處出現(xiàn)能隙一維晶體在k＝±π／a處出現(xiàn)帶隙

電子按能量分布單位體積傳導(dǎo)電子數(shù)dn：?jiǎn)误w體積，E到E+dE中量子態(tài)被電子占據(jù)的數(shù)目。

dn=f(E)g(E)dE上式：態(tài)密度g(E)：?jiǎn)误w體積、單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。費(fèi)米–狄拉克分布f(E)：能量為E的一個(gè)量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率。費(fèi)米–狄拉克分布函數(shù)費(fèi)米能級(jí)EF：在任何溫度下，電子占據(jù)幾率為1/2所對(duì)應(yīng)的能級(jí)。

導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶固體的電學(xué)性質(zhì)由原子最外層的價(jià)電子決定空穴：價(jià)帶中未被電子占據(jù)或空著的量子態(tài)。帶正電荷對(duì)電導(dǎo)有貢獻(xiàn)具有正有效質(zhì)量 晶體的導(dǎo)電性取決于電子在能帶中的填充情況。半導(dǎo)體：兩種載流子兩種獨(dú)立的導(dǎo)電機(jī)制電導(dǎo)率2、電子和空穴固體能帶本征半導(dǎo)體 因熱激發(fā)在導(dǎo)帶和價(jià)帶中分別產(chǎn)生數(shù)量相等的電子和空穴，起導(dǎo)電作用。雜質(zhì)半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體：主要依靠空穴導(dǎo)電Si晶體中的B原子3、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體受主能級(jí)和受主電離Si晶體中的P原子n型半導(dǎo)體：主要依靠電子導(dǎo)電施主能級(jí)和施主電離雜質(zhì)補(bǔ)償作用

有效雜質(zhì)濃度二、半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)1、半導(dǎo)體的光吸收2、半導(dǎo)體的光發(fā)射3、光電導(dǎo)光躍遷本征吸收：電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間躍遷所形成的光吸收過(guò)程條件：兩種形式直接躍遷略去光子動(dòng)量，得1、半導(dǎo)體的光吸收電子的直接躍遷間接躍遷略去光子動(dòng)量，得光吸收與原子中電子躍遷的區(qū)別： 光吸收：連續(xù)的吸收帶 原子中電子躍遷：吸收線電子的間接躍遷2、半導(dǎo)體的光發(fā)射電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷過(guò)程中伴隨著可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光的電磁波的發(fā)射本征躍遷直接躍遷間接躍遷光照引起半導(dǎo)體光電導(dǎo)率改變的現(xiàn)象電導(dǎo)率 無(wú)光照時(shí) 光照下，產(chǎn)生電子，產(chǎn)生空穴 附加光電導(dǎo)率 光照下電導(dǎo)率 上式中:

半導(dǎo)體中光電導(dǎo)效應(yīng)顯著3、光電導(dǎo)P–n結(jié)勢(shì)壘和空間電荷區(qū)三、pn結(jié)PN結(jié)：根據(jù)雜質(zhì)補(bǔ)償原理，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒〒诫s，使單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類(lèi)型，在二者的交界面處就形成了所謂的p–n結(jié)。特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?、pn結(jié)能帶圖擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電勢(shì)差由載流子濃度梯度導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)p–n結(jié)附近的電離施主和電離受主所帶電荷存在的區(qū)域空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)平衡p–n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢(shì)差平衡、非平衡pn結(jié)能帶圖2、pn結(jié)的伏安特性單向?qū)щ娦曰蛘魈匦哉驅(qū)ó?dāng)pn結(jié)的p區(qū)接電源正極，n區(qū)接負(fù)極時(shí)，有較大電流通過(guò)，稱(chēng)正向?qū)?。反向截止?dāng)p區(qū)接電源負(fù)極，n區(qū)接正極時(shí)，有極小電流通過(guò)，稱(chēng)反向截止。

pn結(jié)的特性對(duì)溫度十分敏感整流特性機(jī)理正向電流 勢(shì)壘降低，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)，多子電流反向電流 勢(shì)壘增高，漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，少子電流反向飽和電流隨反偏電壓增大，反向電流將趨于一個(gè)恒定值擊穿電壓 反向電流密度突然開(kāi)始迅速增大時(shí)對(duì)應(yīng)的反向偏壓影響pn結(jié)特性的主要因素溫度 溫度升高，反向飽和電流增大頻率 頻率增高，整流變壞工作電壓

p–n結(jié)擊穿：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿禁帶寬度 禁帶寬度越小，反向電流越大四、半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體特性電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間電導(dǎo)率與雜質(zhì)有關(guān)系電導(dǎo)率與外界條件密切相關(guān)具有比較高的溫差電動(dòng)勢(shì)半導(dǎo)體器件雙極晶體管太陽(yáng)能電池MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管其它元器件 二極管、激光器、發(fā)光二極管、各種敏感元件等1、雙極晶體管晶體三極管 兩個(gè)互有影響，背靠背的p–n結(jié)組成的一種有源三端器件晶體管種類(lèi)

p﹣n﹣p型

n﹣p﹣n型基本功能 放大和開(kāi)關(guān)作用（a）電路聯(lián)接(b)電流–電壓特性(c)能帶圖n﹣p﹣n型晶體管的放大作用n﹣p﹣n型晶體管的放大機(jī)理發(fā)射極電流Ie

發(fā)射結(jié)正向偏壓，p–n結(jié)勢(shì)壘降低，電子電流?；鶚O電流Ib

電子向集電區(qū)擴(kuò)散，小部分與基區(qū)中的空穴復(fù)合，形成基極電流Ib。集電極電流Ic

集電結(jié)反向偏置，將從基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子拉入集電區(qū)，形成集電極電流Ic。2、太陽(yáng)能電池光生伏特效應(yīng) 當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射具有p–n結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體表面時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。Pn結(jié)光生伏特效應(yīng)能帶圖入射光hυ≥Eg

電子–空穴對(duì)在空間上分開(kāi)光生載流子要有一定的壽命太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能轉(zhuǎn)換的光電子器件硅太陽(yáng)能電池示意圖短路的情況下，在p–n結(jié)內(nèi)部形成自n區(qū)向p區(qū)的光生電流開(kāi)路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，p–n結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差，即光電池的開(kāi)路電壓光電池的工作原理開(kāi)路電壓的最大值將受到結(jié)的自建勢(shì)的限制太陽(yáng)能電池效率與禁帶寬度關(guān)系密切3、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（英文縮寫(xiě)為FET）是一種電壓控制器件，其導(dǎo)電過(guò)程主要涉及一種載流子，故也稱(chēng)為“單極”晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管種類(lèi)

nMOSFET：電子導(dǎo)電型

pMOSFET：空穴導(dǎo)電型nMOSFET工作過(guò)程?hào)烹妷篤G＝0時(shí)，不論漏源之間是否加電壓VGS，漏和源之間也沒(méi)有明顯電流柵電壓VG＞0時(shí)，漏源之間加電壓，就會(huì)有明顯電流流過(guò)。MIS結(jié)構(gòu)中，即使在柵與半導(dǎo)體襯底之間施加電壓也沒(méi)有電流流過(guò)pMOSFET工作原理積累狀態(tài)VG＜0時(shí)，在半導(dǎo)體表面形成多子（空穴）的積累耗盡狀態(tài)VG＞0，多子被排斥,在半導(dǎo)體表面形成耗盡層反型狀態(tài)VG>>0，在表面形成一個(gè)電子導(dǎo)電層nMOSFET在各種柵壓下的能帶及電荷分布4、其它元器件1960年，TheodoreMalman和他的人造紅寶石激光器。半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程1833年英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)氧化銀的電阻率隨溫度升高而增高光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和半導(dǎo)體整流效應(yīng)1931年，英國(guó)物理學(xué)家威爾遜（H.A.Wilson）提出能帶理論1939年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家達(dá)維多夫、英國(guó)物理學(xué)家莫特、德國(guó)物理學(xué)家肖特基各自提出并建立了解釋金屬－半導(dǎo)體接觸整流作用的理論普渡大學(xué)和康乃爾大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了純凈晶體的生長(zhǎng)技術(shù)和摻雜技術(shù)1946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立相關(guān)的研究小組1947年12月誕生第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管1950