關(guān)關(guān)雎鳩 南郵 微電子導(dǎo)論課件 ch2

第二講

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)目錄半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)能帶理論半導(dǎo)體的摻雜載流子的輸運(yùn)什么是半導(dǎo)體？超導(dǎo)體:大于106(cm)-1導(dǎo)體:106～104(cm)-1半導(dǎo)體:104～10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1電導(dǎo)率2.1半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體材料的分類單晶半導(dǎo)體：單晶硅（Ge）、單晶鍺（Ge）多晶半導(dǎo)體：多晶硅化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、碳化硅（SiC）非晶半導(dǎo)體：非晶硅有機(jī)半導(dǎo)體：OLED2.1半導(dǎo)體的概念目錄半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)能帶理論半導(dǎo)體的摻雜載流子的輸運(yùn)最常見的半導(dǎo)體材料——硅硅：Silicon符號(hào)：Si元素周期表位置：第IV主族，第2周期（14號(hào)元素）電子數(shù)：14價(jià)電子數(shù)：41s2s2p3s3p3d原子核2.2半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)Si原子的結(jié)合形式共價(jià)鍵結(jié)合正四面體結(jié)構(gòu)Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.2半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)Si的晶體結(jié)構(gòu)——金剛石結(jié)構(gòu)八個(gè)頂點(diǎn)各一個(gè)原子，共8個(gè)原子六個(gè)面心各一個(gè)原子，共6個(gè)原子兩條體對角線的1/4和3/4處各一個(gè)原子，共4個(gè)原子每個(gè)體對角線上的原子和相鄰的三個(gè)面心原子和一個(gè)頂角原子構(gòu)成一個(gè)正四面體。2.2半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)Si的晶體結(jié)構(gòu)xyz2.2半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)目錄半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)能帶理論半導(dǎo)體的摻雜載流子的輸運(yùn)自由電子的運(yùn)動(dòng)能量連續(xù)2.3能帶理論單原子中電子的運(yùn)動(dòng)電子的運(yùn)動(dòng)量子化。電子的能量不再連續(xù)，每個(gè)電子只能處于確定的能量狀態(tài)，稱為能級(jí)。1s2s2p3s3p3d原子核2.3能帶理論晶體中電子的運(yùn)動(dòng)晶體由大量的原子組成（1023個(gè)/cm3）。每個(gè)原子由原子核和電子組成，在一定溫度下電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，而原子核在平衡位置附近做無規(guī)則振動(dòng)。因此晶體中電子的運(yùn)動(dòng)是個(gè)典型的多體問題。Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.3能帶理論多體問題的單體化假設(shè)一：絕熱近似

原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度比較慢，因此將電子的運(yùn)動(dòng)和原子核的運(yùn)動(dòng)（晶格震動(dòng)）分開處理，即在研究電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)假設(shè)原子核是固定不動(dòng)的。從而將多體問題轉(zhuǎn)化為多電子問題Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.3.1能帶論Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+多體問題的單體化假設(shè)二：單電子近似

電子間的相互作用可以用某種平均作用來替代，從而每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)都看做是在固定的離子勢場和其它電子的平均勢場下的運(yùn)動(dòng)。從而多電子問題轉(zhuǎn)化為單電子問題。2.3.1能帶論Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+多體問題的單體化假設(shè)三：周期性勢場近似。

根據(jù)晶體中原子的周期性排列，可以認(rèn)為晶體中單電子運(yùn)動(dòng)所處的勢場（離子勢場和電子平均勢場）是一個(gè)周期性勢場。2.3.1能帶論能帶論基于以上三個(gè)假設(shè)，可以得到在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子能量由一系列允許能量和禁止能量隔開，即電子處于能帶狀態(tài)。其中由允許能量構(gòu)成的能量區(qū)域稱為能帶，而禁止能量構(gòu)成的能量區(qū)域稱為禁帶。原子能級(jí)晶體能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶2.3.1能帶論幾個(gè)概念滿帶：所有狀態(tài)數(shù)都被電子填滿的能帶?？諑В簺]有任何電子的能帶。價(jià)帶：0K時(shí)被電子填充的能量最高的能帶（為價(jià)電子填充）。導(dǎo)帶：0K時(shí)未被電子填充的能量最低的能帶。價(jià)帶導(dǎo)帶空帶禁帶ECEVEG禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶間隙。帶隙（禁帶寬度）：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差。滿帶滿帶2.3.1能帶論電子的躍遷當(dāng)溫度從0K升高時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶頂?shù)碾娮訒?huì)取得熱能而躍遷到導(dǎo)帶（通常位于導(dǎo)帶底），如果對導(dǎo)帶上的電子施加電壓，電子將自由地在晶體中運(yùn)動(dòng)，從而形成電流，稱為電子電流。價(jià)帶中因電子躍遷出現(xiàn)的空位在外加電壓的作用下，可以像帶正電的粒子一樣在晶體中運(yùn)動(dòng)，也將形成電流。這個(gè)虛擬的粒子稱為空穴，所形成的電流稱為空穴電流。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶ECEVEGSi:EG=1.1eV2.3.1能帶論電子的躍遷2.3.1能帶論滿帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體中的電流2.3.1能帶論固體的導(dǎo)電模型絕緣體：晶體只有滿帶和空帶，且滿帶與空帶之間的禁帶較寬。滿帶滿帶空帶滿帶滿帶空帶滿帶部分填充能帶滿帶絕緣體半導(dǎo)體金屬2.3.2固體的導(dǎo)電模型固體的導(dǎo)電模型半導(dǎo)體：晶體只有滿帶和空帶，但滿帶與空帶之間的禁帶較窄（<2eV）。2.3.2固體的導(dǎo)電模型滿帶滿帶空帶滿帶滿帶空帶滿帶部分填充能帶滿帶絕緣體半導(dǎo)體金屬固體的導(dǎo)電模型金屬：價(jià)電子部分填充能帶，從而成為導(dǎo)帶。2.3.2固體的導(dǎo)電模型滿帶滿帶空帶滿帶滿帶空帶滿帶部分填充能帶滿帶絕緣體半導(dǎo)體金屬目錄半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)能帶理論半導(dǎo)體的摻雜載流子的輸運(yùn)本征半導(dǎo)體無任何摻雜的純凈半導(dǎo)體。ECEVECEVT=0KT>0K2.4.1本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的V族元素磷（P）和砷（As）。進(jìn)行施主摻雜的半導(dǎo)體叫N－型半導(dǎo)體。

施主摻雜Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+As5+施主濃度：ND2.4.2雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體的摻雜

受主摻雜Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+B3+受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的III族元素硼（B）進(jìn)行受主摻雜的半導(dǎo)體叫P－型半導(dǎo)體。受主濃度：NA2.4.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)，從而在能帶中引入附加的能級(jí)。ECEV施主能級(jí)（T＝0K）ECEV受主能級(jí)（T＝0K）2.4.3雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)ECEV施主能級(jí)（T>0K）ECEV受主能級(jí)（T>0K）2.4.3雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)的補(bǔ)償ECEVN型補(bǔ)償（ND>NA）ECEVP型補(bǔ)償（NA>ND）2.4.3雜質(zhì)能級(jí)目錄半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)能帶理論半導(dǎo)體的摻雜載流子的輸運(yùn)電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子。空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位。半導(dǎo)體中的載流子PBSi4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+

電子濃度n（negative）

空穴濃度p（positive）2.5.1半導(dǎo)體中的載流子本征載流子濃度n=p=ni本征濃度ni的影響因素：（1）禁帶寬度EGEG↑，ni↓；EG↓，ni↑。（2）溫度T。T↑，ni↑；T↓，ni↓。ECEV室溫時(shí)硅的本征載流子濃度為：ni=1.5×1010cm-3

2.5.1半導(dǎo)體中的載流子在非本征情形:熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n非本征載流子濃度2.5.1半導(dǎo)體中的載流子多子：多數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：電子

p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：空穴

p型半導(dǎo)體：電子多子和少子2.5.1半導(dǎo)體中的載流子n型半導(dǎo)體：電子n

Nd

空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa

電子nni2/Na2.5.1半導(dǎo)體中的載流子載流子的輸運(yùn)機(jī)制一擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流叫擴(kuò)散電流。－＋＋－－＋－－＋－＋－＋－＋－－－＋－－＋－－－－－＋－＋－＋＋－－－－－－＋＋－＋＋－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋影響擴(kuò)散電流的因素：擴(kuò)散系數(shù)：D↑，J↑濃度差：△n↑，J↑2.5.2載流子的輸運(yùn)機(jī)制載流子的輸運(yùn)機(jī)制二漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場作用下的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流叫漂移電流。＋－＋－＋－＋＋＋－－－－－－＋＋＋影響漂移電流的因素：載流子濃度：n↑，J↑電場強(qiáng)度：E↑，J↑遷移率：μ↑，J↑2.5.2載流子的輸運(yùn)機(jī)制遷移率遷移率μ：單位電場作用下單位時(shí)間內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)的距離，反映了載流子在電場作用下輸運(yùn)能力。影響遷移率的主要因素：原子的熱震動(dòng)電離雜質(zhì)在硅中，常溫下電子遷移率大約是空穴遷移率的2.5倍。2.5.2載流子的輸運(yùn)機(jī)制正負(fù)電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補(bǔ)償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na電中性條件2.5.1半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的總電流總電流＝擴(kuò)散電流＋漂移電流（內(nèi)因驅(qū)動(dòng)）（外因驅(qū)動(dòng)）2.5.2載流子的輸運(yùn)機(jī)制載流子的復(fù)合載流子在移動(dòng)過程中，遇到符號(hào)相反的載流子雙方會(huì)一起消失，稱之為復(fù)合。2.5.2載流子的輸運(yùn)機(jī)制ECEVECEVSi4+Si