半導體物理與器件總結(jié)的

2023/5/1311、晶面表示方法：(1)平面截距：3，2，1(2)倒數(shù)：1/3，1/2，1/1(3)倒數(shù)乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)標記，這些整數(shù)稱為密勒指數(shù)。晶面可用密勒指數(shù)（截距的倒數(shù)）來表示：(hkl)Si和鍺是元素半導體，GaAs是化合物半導體求晶體中的原子體密度體密度=(等效原子個數(shù))/(晶胞體積)金剛石等效為8個原子；原則：頂點算八分之一，面上算二分之一，體內(nèi)算為一個。第1頁，共69頁。2023/5/132簡立方晶體的三種晶面(100)

(110)

(111)

1.3空間晶格1.3.3晶面與密勒指數(shù)第2頁，共69頁。1.5.1固體中的缺陷晶體缺陷指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構發(fā)生偏差的區(qū)域。幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學計量缺陷等。晶體缺陷的含義晶體缺陷的分類硅(Si)和鍺(Ge)都具有金剛石結(jié)構。GaAs是閃(鉛)鋅礦結(jié)構2023/5/133第3頁，共69頁。熱缺陷是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點（原子或離子），是所有晶體都有的一類缺陷。隨溫度升高，熱缺陷濃度指數(shù)增加。熱缺陷（晶格振動缺陷）1.5.1固體中的缺陷點缺陷（空位缺陷和填隙缺陷）對于實際的晶體，某特定晶格格點的原子可能缺失，這種缺陷稱為空位。在其他位置，原子可能嵌于格點之間，這種缺陷稱為填隙。2023/5/134第4頁，共69頁。

摻雜為了改變導電性而向半導體材料中加入雜質(zhì)的技術稱為摻雜。兩種摻雜方式為填(間)隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì)

通常有兩種摻雜方法：雜質(zhì)擴散和離子注入。第V族元素和第Ⅲ族元素摻雜一般為替位式摻雜？一般半導體為Si或Ge元素形成的半導體，而他們位于第Ⅳ族，所以第V族元素和第Ⅲ族元素與第Ⅳ族元素的原子大小接近，所以一般為替位式摻雜。如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當寬的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)幾乎全部離化，此情況為輕摻雜2023/5/135第5頁，共69頁。2023/5/136間隙式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)雜質(zhì)進入半導體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。也可以取代晶格原子而位于格點上，稱為替（代）位式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構也相似。圖

替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)

Ⅲ、Ⅴ族元素摻入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式雜質(zhì)，用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3

。非本征半導體：摻雜半導體4.2摻雜原子與能級4.2.1定性描述第6頁，共69頁。三個基本原理能量量子化原理（普朗克提出）波粒二相性原理（德布羅意提出）不確定原理（測不準原理）(海森堡提出)2.1量子力學的基本原理概率密度函數(shù)是一個與坐標無關的常量。具有明確動量意義的自由粒子在空間任意位置出現(xiàn)的概率相等，這個結(jié)論與海森堡的不確定原理是一致的，即準確的動量對應不確定的位置。粒子的能量是不連續(xù)的，其能量是各個分立的能量確定值，稱為能級，其值由主量子數(shù)n決定。！??！2023/5/137第7頁，共69頁。2023/5/138三個對半導體材料分析有用的結(jié)論第一個結(jié)論是對應簡單勢函數(shù)的薛定諤波動方程解引出的電子概率函數(shù)；第二個結(jié)論是束縛態(tài)電子能級的量子化；第三個結(jié)論是由分離變量引出的量子數(shù)和量子態(tài)的概念。（１）主量子數(shù)n：決定體系能量E或電子離核遠近距離r。（2）角量子數(shù)l:確定原子軌道的形狀并在多電子原子中和主量子數(shù)一起決定電子的能級。（3）磁量子數(shù)m:決定原子軌道在空間的取向的個數(shù)。（4）自旋量子數(shù)：只決定電子運動狀態(tài)與薛定諤方程無關。nlms四個量子數(shù)第8頁，共69頁。本征激發(fā)：導帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子-空穴對因此導帶電子濃度就等于價帶空穴濃度。本征激發(fā)的特點：成對的產(chǎn)生導帶電子和價帶空穴。允帶(允許電子存在的能帶)是準連續(xù)的禁帶寬度：價帶頂和導帶底之間的帶隙能量Eg即為禁帶寬度。3.2固體中電的傳導3.2.1能帶和鍵模型激發(fā)過程受電子躍遷過程和能量最低原理制約，半導體中真正對導電有貢獻的是那些導帶底部附近的電子和價帶頂部附近電子躍遷后留下的空態(tài)(等效為空穴)。換言之，半導體中真正起作用的是那些能量狀態(tài)位于能帶極值附近的電子和空穴。2023/5/139第9頁，共69頁。在圖(a)中，A點的狀態(tài)和a點的狀態(tài)完全相同，也就是由布里淵區(qū)一邊運動出去的電子在另一邊同時補充進來，因此電子的運動并不改變布里淵區(qū)內(nèi)電子分布情況和能量狀態(tài)，所以滿帶電子即使存在電場也不導電。但對于圖(b)的半滿帶，在外電場的作用下電子的運動改變了布里淵區(qū)內(nèi)電子的分布情況和能量狀態(tài)，電子吸收能量以后躍遷到未被電子占據(jù)的能級上去了，因此半滿帶中的電子在外電場的作用下可以參與導電。滿帶與半滿帶滿帶=價帶半滿帶=導帶3.2固體中電的傳導3.2.1能帶和鍵模型2023/5/1310第10頁，共69頁。

(a)T=0K(b)T>0K(c)簡化能帶圖T=0K的半導體能帶見圖(a)，這時半導體的價帶是滿帶，而導帶是空帶，故半導體不導電。當溫度升高或在其它外界因素作用下，原先空著的導帶變?yōu)榘霛M帶，而價帶頂附近同時出現(xiàn)了一些空的量子態(tài)也成為半滿帶，這時導帶和價帶中的電子都可以參與導電，見圖(b)。常溫下半導體價帶中已有不少電子被激發(fā)到導帶中，因而具備一定的導電能力。圖(c)是最常用的簡化能帶圖。半導體的能帶3.2固體中電的傳導3.2.1能帶和鍵模型2023/5/1311第11頁，共69頁。2023/5/1312粒子所受作用力粒子所受外力內(nèi)力粒子靜止質(zhì)量加速度粒子有效質(zhì)量，包括了粒子的質(zhì)量以及內(nèi)力作用的效果。加速度3.2固體中電的傳導3.2.3電子的有效質(zhì)量第12頁，共69頁。有效質(zhì)量的意義上述半導體中電子的運動規(guī)律公式都出現(xiàn)了有效質(zhì)量mn*，原因在于F=mn*a中的F并不是電子所受力的總和。即使沒有外力作用，半導體中電子也要受到格點原子和其它電子的作用。當存在外力時，電子所受合力等于外力再加上原子核勢場和其它電子勢場力。由于找出原子勢場和其他電子勢場力的具體形式非常困難，這部分勢場的作用就由有效質(zhì)量mn*加以概括，mn*有正有負正是反映了晶體內(nèi)部勢場的作用。既然mn*概括了半導體內(nèi)部勢場作用，外力F與晶體中電子的加速度就通過mn*聯(lián)系了起來而不必再涉及內(nèi)部勢場。3.2固體中電的傳導3.2.3電子的有效質(zhì)量導帶底部的電子與價帶頂部的空穴有效質(zhì)量都為正值，價帶頂部的電子和導帶底部的空穴有效質(zhì)量都為負值2023/5/1313第13頁，共69頁。一定溫度下，價帶頂附近的電子受激躍遷到導帶底附近，此時導帶底電子和價帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當中，在外電場的作用下，它們都要參與導電。對于價帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導電作用，可以等效為少量空穴的導電作用。空穴具有以下的特點：(1)帶有與電子電荷量相等但符號相反的+q電荷；(2)空穴的濃度就是價帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空穴的共有化運動速度就是價帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運動速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個正常數(shù)mp*。半導體的導帶底部的電子以及價帶頂部的空穴統(tǒng)稱為載流子。3.2固體中電的傳導3.2.4空穴的概念P552023/5/1314第14頁，共69頁。硅和砷化鎵的k空間能帶圖直接帶隙半導體：價帶能量最大值和導帶能量最小值的k坐標一致。間接帶隙半導體：價帶能量最大值和導帶能量最小值的k坐標不一致。Si與Ge是間接帶隙半導體，GaAs是直接帶隙半導體2023/5/1315第15頁，共69頁。粒子在有效能態(tài)中的分布：三種分布法則麥克斯韋-玻爾茲曼分布函數(shù)認為分布中的粒子可以被一一區(qū)分，且對每個能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒有限制。玻色-愛因斯坦分布函數(shù)認為分布中的粒子不可區(qū)分，但每個能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒有限制。費米-狄拉克分布函數(shù)認為分布中的粒子不可區(qū)分，且每個量子態(tài)只允許一個粒子存在。3.5統(tǒng)計力學3.5.1統(tǒng)計規(guī)律載流子是服從費米-狄拉克分布函數(shù)的，但是當E-EF>>kT時，可以簡化為波爾茲曼函數(shù)。簡并半導體的載流子不能簡化為波爾茲曼分布函數(shù)。2023/5/1316第16頁，共69頁。費米能級標志了電子填充能級的水平。半導體中常見的是費米能級EF位于禁帶之中，并且滿足Ec-EF>>kT或EF-Ev>>kT的條件。因此對導帶或價帶中所有量子態(tài)來說，電子或空穴都可以用波爾茲曼統(tǒng)計分布描述。由于分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導帶絕大部分電子分布在導帶底附近，價帶絕大部分空穴分布在價帶頂附近，即起作用的載流子都在能帶極值附近。費米能級簡并半導體：服從費米狄拉克分布函數(shù)的半導體。非簡并半導體：服從波爾茲曼分布函數(shù)的半導體2023/5/1317第17頁，共69頁?；靖拍钇胶鉅顟B(tài)：沒有外界影響(如電壓、電場、磁場或溫度梯度)作用在半導體上的狀態(tài)。本征半導體：

沒有雜質(zhì)原子和缺陷的純凈晶體。載流子：

能夠參與導電，荷載電流的粒子:電子、空穴。平衡半導體的標志是具有統(tǒng)一的費米能級EF2023/5/1318第18頁，共69頁。本征半導體中究竟有多少電子和空穴？n0表示導帶中平衡電子濃度p0表示價帶中平衡空穴濃度本征半導體中有：n0=p0=nini為本征載流子濃度影響本征載流子濃度的有溫度T與禁帶寬度Eg，即隨溫度的升高，濃度越大；隨進帶寬度越窄，濃度越大平衡半導體的判據(jù)是n0p0=ni22023/5/1319第19頁，共69頁。本征半導體：本征激發(fā)：不含有任何雜質(zhì)和缺陷的半導體。導帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子-空穴對因此導帶電子濃度就等于價帶空穴濃度。本征半導體的電中性條件是qp0-qn0=0即n0=p0=ni本征載流子濃度本征半導體的費米能級稱為本征費米能級，EF=EFi。4.1半導體中載流子4.1.3本征載流子濃度任何平衡態(tài)半導體載流子濃度積n0p0

等于本征載流子濃度ni2。對確定的半導體材料，受式中Nc和Nv、尤其是指數(shù)項exp(-Eg/kT)的影響，本征載流子濃度ni隨溫度的升高顯著上升。平衡態(tài)半導體n0p0積與EF無關；對確定半導體，mn*、mp*和Eg確定，n0p0積只與溫度有關，與是否摻雜及雜質(zhì)多少無關；一定溫度下，材料不同則mn*、mp*和Eg各不相同，其n0p0積也不相同。2023/5/1320第20頁，共69頁。本征費米能級：禁帶中央本征費米能級精確位于禁帶中央；本征費米能級會稍高于禁帶中央；本征費米能級會稍低于禁帶中央；4.1半導體中載流子4.1.4本征費米能級位置2023/5/1321第21頁，共69頁。2023/5/1322能夠在Si或Ge中能夠施放導電電子的元素，稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)，用Nd表示。電子脫離施主雜質(zhì)的束縛成為導電電子的過程稱為施主電離，區(qū)別：施主雜質(zhì)未電離時是中性的，施主雜質(zhì)電離后，它是顯電正性。Si中摻入施主雜質(zhì)后，通過雜質(zhì)電離增加了導電電子數(shù)量從而增強了半導體的導電能力。把主要依靠電子導電的半導體稱為n型半導體。n型半導體中電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；而空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。施主雜質(zhì)，施主電離，施主電離前后的區(qū)別？請舉例說明第22頁，共69頁。以Si中摻入V族元素磷(P)為例：當有五個價電子的磷原子取代Si原子而位于格點上時，磷原子五個價電子中的四個與周圍的四個Si原子組成四個共價鍵，還多出一個價電子，磷原子所在處也多余一個稱為正電中心磷離子的正電荷。多余的這個電子被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運動，不過這種吸引要遠弱于共價鍵的束縛，只需很小的能量就可以使其掙脫束縛，形成能在整個晶體中“自由”運動的導電電子。而正電中心磷離子被晶格所束縛，不能運動。2023/5/1323第23頁，共69頁。2023/5/1324能夠在Si或Ge中能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴的元素，稱為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)，用Na表示。空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離，區(qū)別：受主雜質(zhì)未電離時是中性的；電離后成為負電中心，它顯電負性。Si中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離增加了導電空穴，增強了半導體導電能力，把主要依靠空穴導電的半導體稱作p型半導體。p型半導體中空穴是多子，電子是少子。施主雜質(zhì)，施主電離，施主電離前后的區(qū)別？請舉例說明第24頁，共69頁。以Si中摻入Ⅲ族元素硼(B)為例：硼只有三個價電子，為與周圍四個Si原子形成四個共價鍵，必須從附近的Si原子共價鍵中奪取一個電子，這樣硼原子就多出一個電子，形成負電中心硼離子，同時在Si的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴。這個被負電中心硼離子依靠靜電引力束縛的空穴還不是自由的，不能參加導電，但這種束縛作用同樣很弱，很小的能量ΔEA就使其成為可以“自由”運動的導電空穴。而負電中心硼離子被晶格所束縛，不能運動。2023/5/1325第25頁，共69頁。簡并半導體及其載流子濃度半導體中玻耳茲曼分布函數(shù)并不總是適用，n型半導體中如果施主濃度Nd很高，雜質(zhì)能級會分裂為能帶，隨著濃度的增加，能帶逐漸展寬，當Nd增大到可以與有效狀態(tài)密度相比擬時，有可能與導帶底相交疊。EF就會與導帶底Ec重合甚至進入導帶，此時E-EF>>kT不再成立，必須用費米分布函數(shù)計算導帶電子濃度，這種情況稱為載流子的簡并化。提問：n型半導體中如果施主濃度Nd很高，玻耳茲曼分布函數(shù)是否仍然適用？2023/5/1326第26頁，共69頁。2023/5/1327

雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于Nd?費米能級的位置會怎樣改變？雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當ni可以與Nd比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)。就可求出過渡區(qū)以本征費米能級EFi為參考的費米能級EF處在過渡區(qū)的半導體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會遠大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，n0>>Nd，p0>>Nd，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導體進入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為n0=p0，此時的EF接近EFi。第27頁，共69頁。熱平衡條件下，半導體處于電中性狀態(tài)—凈電荷為零。補償半導體：同一區(qū)域同時含有施主和受主雜質(zhì)原子的半導體。對于補償半導體而言，總的雜質(zhì)濃度是Nd+Na，載流子濃度是大的濃度減去小的濃度一般n型半導體的EF位于EFi之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關，也與雜質(zhì)濃度Nd有關；一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費米能級EF距導帶底Ec越近；載流子的分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導帶大部分電子分布在導帶底附近，價帶絕大部分空穴在價帶頂附近，即其作用的是在能帶極值附近的載流子。2023/5/1328第28頁，共69頁。

雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于Nd?費米能級的位置會怎樣改變？雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當ni可以與Nd比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)。此刻處在過渡區(qū)的半導體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會遠大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，n0>>Nd，p0>>Nd，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導體進入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為n0=p0，此時的EF接近EFi。當E-EF≤0時，是處于簡并狀態(tài)下；當0≤E-EF≤2kT時,是處于弱簡并狀態(tài)下；當2kT≤E-EF時，是處于非簡并狀態(tài)下2023/5/1329第29頁，共69頁。下圖是施主濃度為5×1014cm-3

的n型Si中隨溫度的關系曲線。圖4.16n型Si中導帶電子濃度和溫度的關系曲線對p型半導體的討論與上述類似。低溫段(100K以下)由于雜質(zhì)不完全電離，n0隨著溫度的上升而增加；然后就達到了強電離區(qū)間，該區(qū)間n0=Nd基本維持不變；溫度再升高，進入過渡區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過高，本征載流子濃度開始占據(jù)主導地位，雜質(zhì)半導體呈現(xiàn)出本征半導體的特性。2023/5/1330第30頁，共69頁。可見n型半導體的n0和EF是由溫度和摻雜情況決定的。雜質(zhì)濃度一定時，如果雜質(zhì)強電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對載流子的貢獻就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)生的ni隨溫度的升高逐漸變得不可忽視，甚至起主導作用，而EF則隨溫度升高逐漸趨近EFi。半導體器件和集成電路能正常工作在雜質(zhì)全部離化而本征激發(fā)產(chǎn)生的ni遠小于離化雜質(zhì)濃度的強電離溫度區(qū)間。在一定溫度條件下，EF位置由雜質(zhì)濃度Nd決定，隨著Nd的增加，EF由本征時的EFi逐漸向?qū)У譋c移動。n型半導體的EF位于EFi之上，EF位置不僅反映了半導體的導電類型，也反映了半導體的摻雜水平。2023/5/1331第31頁，共69頁。n型和p型4.6費米能級的位置2023/5/1332第32頁，共69頁。與摻雜濃度的關系隨著摻雜濃度的增加，n型半導體費米能級靠近于導帶；p型半導體靠近于價帶。2023/5/1333第33頁，共69頁。與溫度的關系

溫度越高，n型半導體的費米能級逐漸靠近于本征費米能級。p型也是如此。在高溫情況下，半導體材料的非本征特性消失，逐漸表現(xiàn)得像本征半導體。4.6費米能級的位置2023/5/1334第34頁，共69頁。半導體的兩種輸運機制：漂移與擴散由電場引起的載流子運動稱為漂移運動。μ稱為遷移率，單位cm2/Vs。它是溫度和摻雜濃度的函數(shù)。遷移率是半導體的一個重要參數(shù)，它描述了粒子在電場作用下的運動情況。在半導體上加較小的電場就能獲得很大的漂移電流密度。從此例可知，在非本征半導體中，漂移電流密度基本上取決于多數(shù)載流子。2023/5/1335第35頁，共69頁。載流子的散射：所謂自由載流子，實際上只有在兩次散射之間才真正是自由運動的，其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程，而平均時間稱為平均自由時間。在半導體中主要有兩種散射機制影響載流子的遷移率：晶格散射（聲子散射）和電離雜質(zhì)散射。5.1載流子的漂移運動

5.1.2遷移率擴散是因為無規(guī)則熱運動而引起的粒子從濃度高處向濃度低處的有規(guī)則的輸運，擴散運動起源于粒子濃度分布的不均勻。存在條件：有粒子濃度梯度2023/5/1336第36頁，共69頁。5.1載流子的漂移運動

5.1.2遷移率聲子散射當溫度高于絕對零度時，半導體中的原子由于具有一定的熱能，在其晶格位置上做無規(guī)則熱振動。晶格熱振動破壞了勢函數(shù)（固體的周期性勢場允許電子在整個晶體中自由運動，而不會受到散射），導致載流子電子、空穴、與振動的晶格原子發(fā)生相互作用。這種晶格散射稱為聲子散射。在輕摻雜半導體中，晶格散射是主要散射機構，載流子遷移率隨溫度升高而減小，遷移率與T-n成正比。參數(shù)n并不等于一階散射理論預期的3/2，但確是隨溫度升高而下降。2023/5/1337第37頁，共69頁。電離雜質(zhì)散射半導體中摻入雜質(zhì)原子可以控制或改變半導體的性質(zhì)，室溫下雜質(zhì)已經(jīng)電離，在電子或空穴與電離雜質(zhì)之間存在的庫侖作用會引起他們之間的碰撞或散射，這種散射機制稱為電離雜質(zhì)散射。5.1載流子的漂移運動

5.1.2遷移率遷移率是溫度和電離雜質(zhì)中心數(shù)量的函數(shù)。遷移率隨溫度增加而增加，隨雜質(zhì)濃度增加減小τ表示晶格散射造成的碰撞之間的平均時間間隔2023/5/1338第38頁，共69頁。5.1載流子的漂移運動

5.1.3電導率σ表示半導體材料的電導率，單位為(Ωcm)-1。電導率是載流子濃度和遷移率的函數(shù)。電導率:電阻率的倒數(shù)因此，非本征半導體的電導率或電阻率是多數(shù)載流子的函數(shù)。2023/5/1339第39頁，共69頁。Nd=1015cm-35.1載流子的漂移運動

5.1.3電導率在中溫區(qū)，即非本征區(qū)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，電子濃度保持恒定。但遷移率是溫度的函數(shù)，所以在此溫度范圍內(nèi)，電導率隨溫度發(fā)生變化。在較低溫度范圍內(nèi)，束縛態(tài)開始出現(xiàn)，電子濃度和電導率隨溫度降低而下降。在更高的溫度范圍內(nèi)，本征載流子濃度增加并開始主導電子濃度和電導率。2023/5/1340第40頁，共69頁。（紅線區(qū)-電阻：阻礙運輸）對于本征半導體，本征激發(fā)起決定性因素，所以T升高，電阻下降；對于雜質(zhì)半導體，在溫度很低時，本征電離可忽略，T升高，雜質(zhì)電離的載流子越來越多，電阻下降；進入室溫區(qū)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，而本征激發(fā)還不重要，T升高，晶格震動散射加劇，電阻升高；高溫區(qū)，本征激發(fā)起主要作用，T升高，本征激發(fā)明顯，電阻下降。半導體的電阻特性電子濃度電阻2023/5/1341第41頁，共69頁。對于本征半導體，電導率為：5.1載流子的漂移運動

5.1.3電導率一般來說，電子遷移率和空穴遷移率并不相等，所以本征電導率并不是某給定溫度下可能的最小值。2023/5/1342第42頁，共69頁。5.1載流子的漂移運動

5.1.4飽和速度在弱電場下，平均漂移速度是電場強度的線性函數(shù)，斜率即為遷移率；在強電場區(qū)，載流子的速度漂移特性嚴重偏離了弱電場區(qū)的線性關系。例如，硅中的電子漂移速度在外加電場強度約為30kV/cm時達到飽和，飽和速度約為107cm/s。如果載流子的漂移速度達到飽和，那么漂移電流密度也達到飽和，不再隨外加電場變化。載流子的運動速度不再隨電場增加而增加P1242023/5/1343第43頁，共69頁。低能谷中的電子有效質(zhì)量mn*=0.067m0。有效質(zhì)量越小，遷移率就越大。隨著電場強度的增加，低能谷電子能量也相應增加，并可能被散射到高能谷中，有效質(zhì)量變?yōu)?.55m0。高能谷中，有效質(zhì)量變大，遷移率變小。這種多能谷間的散射機構導致電子的平均漂移速度隨電場增加而減小，從而出現(xiàn)負微分遷移率特性。5.1載流子的漂移運動

5.1.4飽和速度負微分遷移率的含義2023/5/1344第44頁，共69頁。總電流密度半導體中所產(chǎn)生的電流種類：電子漂移電流、空穴漂移電流電子擴散電流、空穴擴散電流總電流密度是漂移電流與擴散電流的和遷移率描述了半導體中載流子在電場力作用下的運動情況；擴散系數(shù)描述了半導體中載流子在濃度梯度作用下的運動情況。5.2載流子擴散

5.2.2總電流密度愛因斯坦關系由于晶格散射作用的影響，遷移率是溫度的強函數(shù)，因此擴散系數(shù)也是溫度的強函數(shù)。(kT)/e也被看作為Vt2023/5/1345第45頁，共69頁。5.4霍爾效應VH為正，為p型半導體；VH為負，為n型半導體；y方向上的感生電場稱為霍爾電場EH?；魻栯妶鲈诎雽w內(nèi)產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓VH。電場和磁場對運動電荷施加力的作用產(chǎn)生的效應為霍爾效應。它是針對于多數(shù)載流子而言的用途：判斷半導體的導電類型、計算多數(shù)載流子的濃度和遷移率。2023/5/1346第46頁，共69頁。一般來說：n型半導體中：δn<<n0，δp<<n0。

p型半導體中：δn<<p0，δp<<p0。小注入：過剩載流子濃度遠小于平衡態(tài)時的多子濃度要說明的是即使?jié)M足小注入條件，非平衡少子濃度仍然可以比平衡少子濃度大得多!!!因此相對來說非平衡多子的影響輕微，而非平衡少子的影響起重要作用。通常說的非平衡載流子都是指非平衡少子。大注入：過剩載流子濃度接近或大于平衡時多子的濃度6.1載流子的產(chǎn)生與復合

6.1.2過剩載流子2023/5/1347第47頁，共69頁。2.非平衡載流子的產(chǎn)生：光照前半導體中電子和空穴濃度分別是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡態(tài)半導體中電子濃度n=n0+δn，空穴濃度p=p0+δp，并且δn=δp。比平衡態(tài)多出來的這部分載流子δn和δp就稱為過剩載流子。δn和δp分別為過剩電子和空穴濃度。過剩載流子的擴散、漂移和復合都具有相同的有效擴散系數(shù)、漂移遷移率和壽命。這種現(xiàn)象稱為雙極輸運。針對于少數(shù)載流子而言2023/5/1348第48頁，共69頁。4.過剩少子的壽命光照停止后非平衡載流子生存一定時間然后消失，所以過剩少子濃度是一個與時間有關的量。把撤除光照后非平衡載流子的平均生存時間τ稱為非平衡載流子的壽命。由于非平衡少子的影響占主導作用，故非平衡載流子壽命稱為少子壽命。為描述非平衡載流子的復合消失速度，定義單位時間單位體積內(nèi)凈復合消失的電子-空穴對數(shù)為非平衡載流子的復合率。6.1載流子的產(chǎn)生與復合

6.1.2過剩載流子2023/5/1349第49頁，共69頁。按復合過程中載流子躍遷方式不同分為：直接復合：是電子在導帶和價帶之間的直接躍遷而引起電子-空穴的消失；間接復合：指電子和空穴通過禁帶中的能級(稱為復合中心)進行的復合。按復合發(fā)生的部位分為體內(nèi)復合和表面復合。伴隨復合載流子的多余能量要予以釋放，其方式包括發(fā)射光子(有發(fā)光現(xiàn)象)、把多余能量傳遞給晶格或者把多余能量交給其它載流子(俄歇復合)。5.非平衡載流子幾種不同的復合形式：6.1載流子的產(chǎn)生與復合

6.1.2過剩載流子2023/5/1350第50頁，共69頁。表面效應我們前面所討論的半導體是無限長的理想的半導體，但是實際中的半導體的長度是有限制的，因此造成表面處的缺陷的密度大于內(nèi)部缺陷的密度，進而造成表面處的過剩少子壽命要比相應材料內(nèi)部的壽命短。無限的表面復合速度，會導致表面的過剩載流子濃度和壽命為零。半導體的表面載流子濃度小于內(nèi)部的載流子濃度。海恩斯-肖克萊實驗是用于測少子的遷移率，擴散系數(shù)和壽命2023/5/1351第51頁，共69頁。冶金結(jié)——p區(qū)和n區(qū)的交界面突變結(jié)線性緩變結(jié)超突變結(jié)突變結(jié)——均勻分布，交界處突變7.1pn結(jié)的基本結(jié)構2023/5/1352第52頁，共69頁?？臻g電荷區(qū)，也被稱為耗盡區(qū)（SCR）即沒有可自由移動的凈電荷，高阻區(qū)。它的寬度主要在摻雜濃度少的一側(cè)的半導體pn結(jié)的形成7.1pn結(jié)的基本結(jié)構2023/5/1353第53頁，共69頁。內(nèi)建電勢差本章開始Nd,Na分別指n區(qū)和p區(qū)內(nèi)的凈施主和受主雜質(zhì)?。?！7.2零偏

7.2.1內(nèi)建電勢差熱電壓由此圖可知：內(nèi)建電勢差主要是在重摻雜的一側(cè)的半導體2023/5/1354第54頁，共69頁。反偏與內(nèi)建電場方向相同EF不再統(tǒng)一7.3反偏

7.3.1空間電荷區(qū)寬度與電場2023/5/1355第55頁，共69頁。7.3反偏

7.3.3單邊突變結(jié)由圖可知：空間電荷區(qū)主要由輕摻雜的半導體決定2023/5/1356第56頁，共69頁。加反偏電壓使空間電荷區(qū)增大，反偏電壓越大，空間電荷區(qū)寬度越寬；加正偏電壓使空間電荷區(qū)寬度變窄，電壓越大，空間電荷區(qū)寬度越窄。反偏能帶圖零偏能帶圖正偏能帶圖2023/5/1357第57頁，共69頁。齊納(隧穿)擊穿(重摻雜)和雪崩擊穿(輕摻雜)結(jié)擊穿兩種機制隧道二極管：p區(qū)與n區(qū)都為簡并摻雜的pn結(jié)成為隧道二極管2023/5/1358第58頁，共69頁。10.1雙極晶體管的工作原理結(jié)構和符號一個加號代表重摻雜，兩個加號代表比重摻雜還重的摻雜2023/5/1359第59頁，共69頁。10.1雙極晶體管的工作原理IEICIBVECVCBVBEIE=IC+IBVEC=VEB+VBC=-VBE-VCB四種工作模式VBE、VCB正反、反反、反正、正正正向有源截止反向有源飽和發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏零偏能帶圖發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏2023/5/1360第60頁，共69頁。三極管的三種連接方式三極管在電路中的連接方式有三種：①共基極接法；②共發(fā)射極接法，③共集電極接法。共什么極是指電路的輸入端及輸出端以這個極作為公共端。必須注意，無論那種接法，為了使三極管具有正常的電流放大作用，都必須外加大小和極性適當?shù)碾妷骸＜幢仨毥o發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，發(fā)射區(qū)才能起到向基