第二章半導體及其本征特征

第二章半導體物理和器件物理基礎Recap:主要知識點和閱讀章節(jié)1、半導體材料基本特性2、pn結3、雙極晶體管4、場效應管閱讀教材第二章閱讀康華光《電子技術基礎-模擬部分（第五版）》第1、2、3、4、5章.參考教材：[1]童詩白,華成英(著).模擬電子技術基礎(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[2]康華光(著).電子技術基礎:模擬部分(第五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.第一講半導體物理基礎2.1半導體及其基本性質2.2半導體中的載流子2.3半導體的電導率（電阻率的倒數）和載流子輸運固體材料：超導體:大于106(cm)-1

導體:106~104(cm)-1

半導體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導體從導電特性和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制1.半導體的結構原子結合形式：共價鍵形成的晶體結構：構成一個正四面體，具有金剛石晶體結構半導體的結合和晶體結構金剛石結構

半導體有元素半導體，如：Si、Ge

化合物半導體，如：GaAs、InSb、GaP、InP2.半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子本征半導體：n=p=ni一、本征半導體導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。1、什么是半導體？什么是本征半導體？導體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。半導體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質穩(wěn)定的結構2、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡兩種載流子

外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度0K時不導電。電子：Electron，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應于導帶中占據的電子空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位4、本征半導體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:

n=p=2.38×1013/cm3本征激發(fā)復合動態(tài)平衡1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，稱為電子-空穴對。

3.本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni

和pi

表示，顯然ni

=pi。

4.由于物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又不斷的復合。在一定的溫度下，產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數規(guī)律增加。小結：3.半導體的能帶(價帶、導帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結構原子能級能帶能帶禁帶共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級反成鍵態(tài)成鍵態(tài)價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構導帶價帶Eg半導體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質量可正、可負，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質量m*4.半導體的摻雜BAs

受主摻雜

施主摻雜二、雜質半導體

1.N型半導體磷（P）雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。多數載流子空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？2.P型半導體硼（B）多數載流子

P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強。

在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？說明：

1.摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。3.雜質半導體總體上保持電中性。

4.雜質半導體的表示方法如下圖所示。

2.雜質半導體載流子的數目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N型半導體(b)P型半導體圖雜質半導體的的簡化表示法施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如

Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如

Si中摻的B施主能級受主能級雜質能級：雜質可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)施主能級導帶電離能受主能級價帶本征載流子濃度：n=p=ni

np=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關5.本征載流子本征半導體：沒有摻雜的半導體本征載流子：本征半導體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,

空穴濃度p6.非本征半導體的載流子在非本征情形:熱平衡時:N型半導體：n大于pP型半導體：p大于n多子：多數載流子

n型半導體：電子

p型半導體：空穴少子：少數載流子

n型半導體：空穴

p型半導體：電子7.電中性條件:正負電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導體：電子nNd

空穴pni2/Ndp型半導體：空穴pNa

電子

nni2/Na8.過剩載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子公式不成立載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產生或復合9.載流子的輸運漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力

載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動

引入遷移率的概念影響遷移率的因素影響遷移率的因素：有效質量平均弛豫時間（散射〕體現在：溫度和摻雜濃度半導體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質散射擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關系:載流子的擴散運動：載流子在化學勢作用下運動過剩載流子的擴散和復合過剩載流子的復合機制：直接復合、間接復合、表面復合、俄歇復合過剩載流子的擴散過程擴散長度Ln和Lp:L=(D)1/2描述半導體器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半導體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米能級Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢增加方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無外加偏壓時，方程RHS＝0，靜電勢為常數電流連續(xù)方程可動載流子的守恒熱平衡時：產生率＝復合率np=ni2電子：空穴電流密度方程載流子的輸運方程在漂移－擴散模型中擴散項漂移項方程形式1愛因