半導(dǎo)體器件原理 緒論

1、 1.1.尼曼（美）著，趙毅強，姚素英，解曉東等譯，尼曼（美）著，趙毅強，姚素英，解曉東等譯，半導(dǎo)體物理與半導(dǎo)體物理與 器件器件第四版（第四版（20132013）. . 2.2.黃均鼐等著，黃均鼐等著，半導(dǎo)體器件原理半導(dǎo)體器件原理，復(fù)旦大學(xué)出版社（，復(fù)旦大學(xué)出版社（20112011） 3.3.安德森（美）等著，安德森（美）等著，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社 （20102010） 4.4.曾樹榮，曾樹榮，半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)，北京大學(xué)出版社（，北京大學(xué)出版社（20022002）. . 5.5.濱川圭弘（日）編著，濱川圭弘（日）編著，半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體

2、器件，科學(xué)出版社（，科學(xué)出版社（20022002）. . 6.6.施敏（美）著，武國鈺，施敏（美）著，武國鈺， 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理，西安交通大學(xué)出，西安交通大學(xué)出 版社，第三版（版社，第三版（20082008）. . 【S. M. S. M. SzeSze, , Physics of Physics of Semiconductor Devices, 2nd, John Semiconductor Devices, 2nd, John Wiley and Sons Inc. Wiley and Sons Inc. (1981).(1981).】 7.7.R. M. Warner, B

3、. L. R. M. Warner, B. L. GrungGrung，半導(dǎo)體器件電子學(xué)半導(dǎo)體器件電子學(xué)（英文原（英文原 版），電子工業(yè)出版社（版），電子工業(yè)出版社（20022002）. . 課程簡介課程簡介 本課程是本課程是電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)( (微電子、光電子微電子、光電子) )等專業(yè)的專業(yè)等專業(yè)的專業(yè) 基礎(chǔ)課，也是其他相關(guān)專業(yè)的重要選修課之一?；A(chǔ)課，也是其他相關(guān)專業(yè)的重要選修課之一。 本課程結(jié)合一些主要的、常見的半導(dǎo)體器件，介紹半導(dǎo)體本課程結(jié)合一些主要的、常見的半導(dǎo)體器件，介紹半導(dǎo)體 器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基本制造工器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基

4、本制造工 藝。主要討論藝。主要討論同質(zhì)同質(zhì)pnpn結(jié)結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸、異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)以及以及 BJTBJT、MOSFETMOSFET、MESFETMESFET等幾種核心半導(dǎo)體器件。等幾種核心半導(dǎo)體器件。 學(xué)習(xí)和掌握這些半導(dǎo)體器件的基本理論和分析方法，為學(xué)學(xué)習(xí)和掌握這些半導(dǎo)體器件的基本理論和分析方法，為學(xué) 習(xí)諸如習(xí)諸如集成電路工藝集成電路工藝、集成電路設(shè)計集成電路設(shè)計等后續(xù)課程等后續(xù)課程 打下基礎(chǔ)，也為將來從事微電子學(xué)的研究以及現(xiàn)代打下基礎(chǔ)，也為將來從事微電子學(xué)的研究以及現(xiàn)代VLSIVLSI與與 系統(tǒng)設(shè)計和制造工作打下堅實的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計和制造工作打下堅實的基礎(chǔ)。 教學(xué)目的和要求教

5、學(xué)目的和要求 掌握掌握半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理原理和特性半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理原理和特性； 熟悉熟悉半導(dǎo)體器件的主要工藝技術(shù)及其對器件性能的半導(dǎo)體器件的主要工藝技術(shù)及其對器件性能的 影響影響； 了解了解現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展過程和發(fā)展趨勢，對典現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展過程和發(fā)展趨勢，對典 型的新器件和新的工藝技術(shù)有所了解，為進一步學(xué)型的新器件和新的工藝技術(shù)有所了解，為進一步學(xué) 習(xí)相關(guān)的專業(yè)課打下堅實的理論基礎(chǔ)。習(xí)相關(guān)的專業(yè)課打下堅實的理論基礎(chǔ)。 一、半導(dǎo)體器件的分類一、半導(dǎo)體器件的分類 二二. . 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 1. 1. 半導(dǎo)體器件的工作原理半導(dǎo)體器件的工作原理 2. 2. 器件

6、特性與器件特性與 （電學(xué)） IV IV 3. 3. 半導(dǎo)體器件模型化（半導(dǎo)體器件模型化（modelingmodeling） 等效電路等效電路 4. 4. 半導(dǎo)體器件小型化趨勢半導(dǎo)體器件小型化趨勢 材料參數(shù)（材料參數(shù)（ND, NA, n, p, n, p, ） 幾何尺寸（幾何尺寸（Wb, Lg, ） 偏置電壓偏置電壓V 頻率頻率 t 的關(guān)系的關(guān)系 三三. . 本課程與其它課程的關(guān)系本課程與其它課程的關(guān)系 四四. . 本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容 第一章：緒論第一章：緒論 半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ) 0晶體結(jié)構(gòu)、能帶、半導(dǎo)體統(tǒng)計，非平衡載流子輸運，器晶體結(jié)構(gòu)、能帶、半導(dǎo)體統(tǒng)計，非平衡載流子輸

7、運，器 件工作基本方程件工作基本方程 第二章：第二章：pnpn結(jié)二極管結(jié)二極管 第三章：金半接觸和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)第三章：金半接觸和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 第四章：雙極型晶體管第四章：雙極型晶體管 第五章：第五章：MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 0基本原理，輸出特性基本原理，輸出特性 第六章第六章 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管 半導(dǎo)體接觸的物理機半導(dǎo)體接觸的物理機 制（基本器件構(gòu)件）制（基本器件構(gòu)件） 典型典型 的半的半 導(dǎo)體導(dǎo)體 器件器件 第七章第七章 光器件光器件 太陽能電池、光電二極管太陽能電池、光電二極管LEDLED等等 專用專用 半導(dǎo)半導(dǎo) 體器體器 件件 課程性質(zhì)課程性質(zhì)：專業(yè)必修：專業(yè)

8、必修 學(xué)分學(xué)分：3 課程特點課程特點：微觀物理過程多：微觀物理過程多 成績評定方法：成績評定方法： 期末考試期末考試70 平時成績平時成績30 緒論：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)緒論：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1.1 1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 1.2 1.2 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 1.3 1.3 能帶能帶 1.4 1.4 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 1.5 1.5 半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜 1.6 1.6 半導(dǎo)體中的載流子及其輸運半導(dǎo)體中的載流子及其輸運 1.7 1.7 半導(dǎo)體中的光電特性半導(dǎo)體中的光電特性 1.1 1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 1 1、什么是半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？ 固體材料從導(dǎo)電特性上分成：固體

9、材料從導(dǎo)電特性上分成： 超導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體半導(dǎo)體、絕緣體、絕緣體 從導(dǎo)電特性和機制來分：從導(dǎo)電特性和機制來分： 不同的禁帶寬度及其溫度特性，不同的禁帶寬度及其溫度特性， 不同的輸運機制不同的輸運機制 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) Semiconductor 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，叫做半導(dǎo)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，叫做半導(dǎo) 體。電阻率在體。電阻率在1010-3 -3-10 -1010 10 cm. . 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體電導(dǎo)率的典型范圍絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體電導(dǎo)率的典型范圍 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8

10、10 6 10 4 10 2 101 2 10 4 10 6 10 8 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 101 2 10 4 10 6 10 8 10 電阻率 /(cm) S -1 電導(dǎo)率 /(cm ) Ge鍺() 硅(Si) GaAs砷化鎵() GaP磷化鎵() CdS硫化鎘() 銅 銀 鋁 鉑 硫化鉍 玻璃 金剛石(純) 硫 熔融石英 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 101 2 10 4 10 6 10 8 10 18 10 16 10 14 10 12 10

11、10 10 8 10 6 10 4 10 2 101 2 10 4 10 6 10 8 10 電阻率 /(cm) S -1 電導(dǎo)率 /(cm ) Ge鍺() 硅(Si) GaAs砷化鎵() GaP磷化鎵() CdS硫化鎘() 銅 銀 鋁 鉑 硫化鉍 玻璃 金剛石(純) 硫 熔融石英 半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體的基本特性 p元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體 p晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶及多晶半導(dǎo)體晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶及多晶半導(dǎo)體 p無機半導(dǎo)體和有機半導(dǎo)體無機半導(dǎo)體和有機半導(dǎo)體 p本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的種類半導(dǎo)體的種類 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)-負溫度系數(shù)負溫度系數(shù) 摻雜效應(yīng)

12、摻雜效應(yīng)-雜質(zhì)敏感性雜質(zhì)敏感性 光電效應(yīng)光電效應(yīng)-光電導(dǎo)光電導(dǎo) 電場、磁場效應(yīng)電場、磁場效應(yīng) 周期表中與半導(dǎo)體有關(guān)的部分周期表中與半導(dǎo)體有關(guān)的部分 硅、鍺硅、鍺都是由單一原子所都是由單一原子所 組成的元素半導(dǎo)體，均為組成的元素半導(dǎo)體，均為 周期表第周期表第IVIV族元素。族元素。 2020世紀世紀5050年代初年代初 期期，鍺曾是最主要的，鍺曾是最主要的 半導(dǎo)體材料；半導(dǎo)體材料； 6060年代初期以后年代初期以后， 硅已取代硅已取代鍺鍺成為半導(dǎo)成為半導(dǎo) 體制造的主要材料。體制造的主要材料。 周期IIIIIIVVVI 2 BC N 硼炭氮 3Mg AlSiPS 鎂鋁硅磷硫 4ZnGaGeAsSe

13、 鋅鎵鍺砷硒 5CdInSnSbTe 鉻銦錫銻碲 6HgPb 汞鉛 周期IIIIIIVVVI 2 BC N 硼炭氮 3Mg AlSiPS 鎂鋁硅磷硫 4ZnGaGeAsSe 鋅鎵鍺砷硒 5CdInSnSbTe 鉻銦錫銻碲 6HgPb 汞鉛 硅的優(yōu)勢：硅的優(yōu)勢：硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化 層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%25%，僅，僅 次于氧，儲量豐富。次于氧，儲量豐富。 元素元素(elements)(elements)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 元素與化合物半導(dǎo)體元素與化合物半導(dǎo)體 用

14、于高速器用于高速器 件、高速集件、高速集 成電路。成電路。 主要用于主要用于 異質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、 超晶格和超晶格和 遠紅外探遠紅外探 測器。測器。 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的制備制備 從熔體中制備從熔體中制備 Growth from melt： 晶體晶體 外延生長外延生長 Epitaxial growth: 晶體晶體 區(qū)域熔煉法）：區(qū)域熔煉法）： 利用籽晶生長利用籽晶生長提拉法）提拉法） refining( Zone :( iCzochralsh Epitaxy phase-Liqui MBE Epitaxy phaseVapor CVD、PVD方法：方法： (非晶薄膜非晶薄膜） 提拉法：提拉法：

15、構(gòu)成晶體的原料放在坩堝構(gòu)成晶體的原料放在坩堝 中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提 拉熔體，在受控條件下，使拉熔體，在受控條件下，使籽晶籽晶和和 熔體的交界面上不斷進行原子或分熔體的交界面上不斷進行原子或分 子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而 生長出單晶體。生長出單晶體。 半導(dǎo)體材料的形態(tài)：按照構(gòu)成固體的半導(dǎo)體材料的形態(tài)：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列粒子在空間的排列情況情況 晶體晶體：原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。：原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。 非晶非晶：原子排列長程無序，有一些非晶材料常態(tài)下是絕緣體或：原子

16、排列長程無序，有一些非晶材料常態(tài)下是絕緣體或 高阻體，但在達到一定值的外界條件高阻體，但在達到一定值的外界條件(如電場、光、溫度等如電場、光、溫度等)時，時， 呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。開關(guān)元件、呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。開關(guān)元件、 記憶元件、固體顯示、熱敏電阻、太陽能電池等。記憶元件、固體顯示、熱敏電阻、太陽能電池等。 多晶多晶：由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶：由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶,保留了單保留了單 晶的基本性質(zhì)（遷移率比較大），總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。晶的基本性質(zhì)（遷移率比較大），總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。 價格比較便宜，

17、應(yīng)用較多。價格比較便宜，應(yīng)用較多。 1.2 1.2 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 單晶 有周期性 非晶 無周期性 多晶 每個小區(qū)域 有周期性 晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個晶格可以用晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個晶格可以用 單胞單胞來描述，重復(fù)單胞能夠形成整個晶格。來描述，重復(fù)單胞能夠形成整個晶格。 三種三種立方晶體單胞立方晶體單胞 金屬原子分布在立方體金屬原子分布在立方體 的八個角和六個面的中的八個角和六個面的中 心。心。每個原子有12個最 鄰近原子。 八個原子處于立方體的八個原子處于立方體的 角上，一個原子處于立角上，一個原子處于立 方體的中心。方體的中心。每一個原 子有八個最鄰近原子

18、。 金屬原子分布在立方體金屬原子分布在立方體 的八個角上，的八個角上，且每個原且每個原 子都有六個等距的鄰近子都有六個等距的鄰近 原子。原子。 晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān) l晶體結(jié)合的基本形式：共價結(jié)合、離子結(jié)合、金屬晶體結(jié)合的基本形式：共價結(jié)合、離子結(jié)合、金屬 結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合 l半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有 l金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)（ GeGe、SiSi） l閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAsGaAs等等III-VIII-V族和族和CdTeCdTe等等II-VIII-VI族化族化 合物）合物） l纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)（部分

19、（部分III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物族化合物) ) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，屬立方晶系， 由由兩個面心立方子晶格兩個面心立方子晶格相互相互 嵌套而成。嵌套而成。 硅，鍺硅，鍺，每個原子有四個最，每個原子有四個最 近鄰。近鄰。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)，大部分的大部分的III-V 族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體( (如如GaAs) )具具 有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 中中, 頂點的原子用其他的原頂點的原子用其他的原 子替代。子替代。 兩種元素，兩種元素，GaAs, GaP等等 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅

20、礦結(jié)構(gòu)（六方硫化鋅型結(jié)構(gòu)）（六方硫化鋅型結(jié)構(gòu)）， 六角密堆積，屬六方晶系，六角密堆積，屬六方晶系，ABAB型共型共 價鍵晶體，其中價鍵晶體，其中A A原子作六方密堆原子作六方密堆 積，積，B B原子填充在原子填充在A A原子構(gòu)成的四面原子構(gòu)成的四面 體空隙中。體空隙中。 CdS, ZnSCdS, ZnS 巖鹽結(jié)構(gòu)（巖鹽結(jié)構(gòu)（NaCl結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)），屬屬 等軸晶系。等軸晶系。AB型化合物結(jié)構(gòu)型化合物結(jié)構(gòu) 類型之一，其中陰離子類型之一，其中陰離子B排排 列成立方密堆積，陽離子列成立方密堆積，陽離子A 填充在陰離子構(gòu)成的八面體填充在陰離子構(gòu)成的八面體 空隙中?？障吨?。 選擇單胞的規(guī)則：選擇單胞的規(guī)則

21、：1 1）對稱性與整個晶體的對稱性一致；）對稱性與整個晶體的對稱性一致；2 2） 直角最多；直角最多；3 3）滿足前兩點的基礎(chǔ)上體積最小）滿足前兩點的基礎(chǔ)上體積最小晶體學(xué)單胞或晶體學(xué)單胞或 慣用單胞慣用單胞 一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù) 閃鋅閃鋅 礦結(jié)礦結(jié) 構(gòu)構(gòu) 纖鋅礦纖鋅礦 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù) 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù) 晶列：在一個晶格結(jié)構(gòu)中通過任意兩個結(jié)點的連線。晶列：在一個晶格結(jié)構(gòu)中通過任意兩個結(jié)點的連線。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的組合。晶列族：平行于某一晶列的所有晶

22、列的組合。 晶面晶面：在一個晶：在一個晶 格結(jié)構(gòu)中通過任格結(jié)構(gòu)中通過任 意不在同一晶軸意不在同一晶軸 上的三個結(jié)點構(gòu)上的三個結(jié)點構(gòu) 成的平面成的平面 晶面族晶面族：平行于：平行于 某一晶面的所有某一晶面的所有 晶面的組合晶面的組合 晶體的晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示：該晶面與坐晶體的晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示：該晶面與坐 標軸截距的倒數(shù)可以化為互質(zhì)整數(shù)。標軸截距的倒數(shù)可以化為互質(zhì)整數(shù)。 u110晶面就是指平行于晶軸晶面就是指平行于晶軸c，在，在a，b軸截長相等的晶面軸截長相等的晶面 u100晶面就是平行于晶面就是平行于b，c兩個晶軸，在兩個晶軸，在a軸截長為軸截長為C的晶面。的晶面。 u

23、111晶面就是在晶面就是在a,b,c三個晶軸上的截長都相等的晶面。三個晶軸上的截長都相等的晶面。 u值得注意的是值得注意的是110晶面不單是指一個平面，在晶面不單是指一個平面，在晶體晶體中所有和它中所有和它 平行的平面都是。平行的平面都是。 1.3 1.3 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的能帶能帶 電子的微觀運動服從量子力學(xué)規(guī)律。電子的微觀運動服從量子力學(xué)規(guī)律。 其基本特點包含以下兩種運動形式：其基本特點包含以下兩種運動形式： 電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量。 這種這種 穩(wěn)恒的運動狀態(tài)稱為穩(wěn)恒的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)量子態(tài)。相應(yīng)的能量稱為能。相應(yīng)的能量稱為能 級。在半導(dǎo)體

24、中，由于價電子的共有化，由單個級。在半導(dǎo)體中，由于價電子的共有化，由單個 原子的能級變成平直的能帶。原子的能級變成平直的能帶。 在一定條件下，電子可以發(fā)生在一定條件下，電子可以發(fā)生從一個量子態(tài)轉(zhuǎn)移從一個量子態(tài)轉(zhuǎn)移 到另一個量子態(tài)的突變，這種突變稱為到另一個量子態(tài)的突變，這種突變稱為量子躍遷量子躍遷。 晶體中電子的共有化運動晶體中電子的共有化運動 孤立原子孤立原子電子能級分立電子能級分立 晶體晶體由大量的原子結(jié)合而成由大量的原子結(jié)合而成 各原子的電子軌道有不同程度的交疊各原子的電子軌道有不同程度的交疊 電子的運動出現(xiàn)共有化電子的運動出現(xiàn)共有化 單一的能級分裂成單一的能級分裂成N N個新的能級個新

25、的能級 N N個新能級之間的差別較小，個新能級之間的差別較小，N N很大，因此成為具有很大，因此成為具有 一定寬度的能帶。一定寬度的能帶。 原子原子 晶體晶體 半導(dǎo)體晶體中的電子的能量既不像自由電子半導(dǎo)體晶體中的電子的能量既不像自由電子 那樣連續(xù)，也不象孤立原子那樣是一個個分立那樣連續(xù)，也不象孤立原子那樣是一個個分立 的能級，而是形成能帶，每一帶內(nèi)包含了大量的能級，而是形成能帶，每一帶內(nèi)包含了大量 的，能量很近的能級。的，能量很近的能級。 能帶的產(chǎn)生能帶的產(chǎn)生 價帶：價帶：0 K 條件下被電子填充的能量最高的能帶條件下被電子填充的能量最高的能帶 導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：0 K 條件下未被電子填充的能量最低

26、的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶 禁帶：禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶 帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差 導(dǎo)帶、價帶、禁帶導(dǎo)帶、價帶、禁帶 本征半導(dǎo)體的能帶本征半導(dǎo)體的能帶 E Ec c為導(dǎo)帶底為導(dǎo)帶底 E EV V為價帶頂為價帶頂 能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電特性能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電特性 導(dǎo)帶全空，沒有能導(dǎo)帶全空，沒有能 夠參與導(dǎo)電的電子夠參與導(dǎo)電的電子 價帶全滿，電子無價帶全滿，電子無 法在外場下運動，法在外場下運動， 產(chǎn)生凈電流產(chǎn)生凈電流 半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體和絕緣體 沒有什么差別沒有什么差別 導(dǎo)帶有少量電子，導(dǎo)帶有少量電子， 能夠參與導(dǎo)電能夠參與

27、導(dǎo)電 價帶有部分空位，價帶有部分空位， 也能夠在外場下運也能夠在外場下運 動，產(chǎn)生凈電流動，產(chǎn)生凈電流。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性由半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性由 材料的禁帶寬度決定材料的禁帶寬度決定 滿帶不導(dǎo)電！滿帶不導(dǎo)電！ 由于熱振由于熱振 動可能會動可能會 使電子獲使電子獲 得足夠的得足夠的 能量，脫能量，脫 離價鍵的離價鍵的 束縛，由束縛，由 價帶激發(fā)價帶激發(fā) 到導(dǎo)電到導(dǎo)電 0K0K時：時：一定溫度下時：一定溫度下時： 不滿帶導(dǎo)電機理不滿帶導(dǎo)電機理 金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種 差異可用它們的能帶來作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最差異可用它們的

28、能帶來作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最 高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶 能帶結(jié)構(gòu)的不同造成導(dǎo)電性能的不同。能帶結(jié)構(gòu)的不同造成導(dǎo)電性能的不同。 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶 價電子與近鄰原子形價電子與近鄰原子形 成強鍵，很難打破，成強鍵，很難打破， 沒有電子參與導(dǎo)電。沒有電子參與導(dǎo)電。 能帶圖上表現(xiàn)為大的能帶圖上表現(xiàn)為大的 禁帶寬度，價帶內(nèi)能禁帶寬度，價帶內(nèi)能 級被填滿，導(dǎo)帶空著，級被填滿，導(dǎo)帶空著， 熱能或外場不能把價熱能或外場不能把價 帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。

29、帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。 導(dǎo)帶或者被部分導(dǎo)帶或者被部分 填充，或者與價填充，或者與價 帶重疊。很容易帶重疊。很容易 產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。 近鄰原子形成的鍵結(jié)合強近鄰原子形成的鍵結(jié)合強 度適中，熱振動使一些鍵度適中，熱振動使一些鍵 破裂，產(chǎn)生電子和空穴。破裂，產(chǎn)生電子和空穴。 能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度 較小，價帶內(nèi)的能級被填較小，價帶內(nèi)的能級被填 滿，一部分電子能夠從價滿，一部分電子能夠從價 帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶留帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶留 下空穴。外加電場，導(dǎo)帶下空穴。外加電場，導(dǎo)帶 電子和價帶空穴都將獲得電子和價帶空穴都將獲得 動能，參與導(dǎo)電動能，參與導(dǎo)電。 金屬：不含禁帶，半導(dǎo)

30、體：含禁帶，絕緣體：禁帶較寬金屬：不含禁帶，半導(dǎo)體：含禁帶，絕緣體：禁帶較寬 1.4 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 載流子：能夠自由移動的電子和空穴；載流子：能夠自由移動的電子和空穴； 電子電子：帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束：帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束 縛后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子?？`后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子。 空穴空穴：帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束：帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束 縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位?？`后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位。 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價

31、元素，在原子最外層軌道上的四個電硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電 子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成 共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們 所束縛，在空間形成排列有序的晶體。所束縛，在空間形成排列有序的晶體。 這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖。 硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (c) 電子空穴對電子空

32、穴對 當導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由時，導(dǎo)體中沒有自由 電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增 高，有的價電子可以高，有的價電子可以掙脫掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)原子核的束縛，而參與導(dǎo) 電，成為電，成為自由電子自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中 就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn) 出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們 常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為常稱呈現(xiàn)正電性的

33、這個空位為空穴空穴。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的兩種載流子中的兩種載流子 可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成 對出現(xiàn)的，稱為對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對電子空穴對。游離的部分自由電子也游離的部分自由電子也 可能回到空穴中去，稱為可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，復(fù)合，如圖所示。如圖所示。 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。 本征激發(fā)和復(fù)合的過程本征激發(fā)和復(fù)合的過程 半導(dǎo)體中的兩種載流子半導(dǎo)體中的兩種載流子 空穴的移動空穴的移動 自由電子的定向運動形自由

34、電子的定向運動形 成了電子電流，空穴的定向成了電子電流，空穴的定向 運動也可形成空穴電流，它運動也可形成空穴電流，它 們的方向相反。只不過空穴們的方向相反。只不過空穴 的運動是靠相鄰共價鍵中的的運動是靠相鄰共價鍵中的 價電子依次充填空穴來實現(xiàn)價電子依次充填空穴來實現(xiàn) 的，因此，空穴的導(dǎo)電能力的，因此，空穴的導(dǎo)電能力 不如自由電子。不如自由電子。 空穴在晶格中的移動空穴在晶格中的移動 半導(dǎo)體中的兩種載流子半導(dǎo)體中的兩種載流子 1 1、半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷、半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷 雜質(zhì)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子雜質(zhì)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子 缺陷：晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞缺陷：

35、晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞 雜質(zhì)和缺陷的存在會使嚴格按周期性排列的晶體原子雜質(zhì)和缺陷的存在會使嚴格按周期性排列的晶體原子 所產(chǎn)生的周期勢場受到破壞，其結(jié)果是在半導(dǎo)體中引所產(chǎn)生的周期勢場受到破壞，其結(jié)果是在半導(dǎo)體中引 入新的電子能級態(tài)，這將對半導(dǎo)體的特性產(chǎn)生決定性入新的電子能級態(tài)，這將對半導(dǎo)體的特性產(chǎn)生決定性 的影響。的影響。 SiSi能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因是：可對其雜質(zhì)實現(xiàn)可能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因是：可對其雜質(zhì)實現(xiàn)可 控操作，從而實現(xiàn)對半導(dǎo)體性能的精確控制?？夭僮?，從而實現(xiàn)對半導(dǎo)體性能的精確控制。 1.5 1.5 半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜 完整半導(dǎo)體電阻率很高，不具有實際應(yīng)用價值，

36、完整半導(dǎo)體電阻率很高，不具有實際應(yīng)用價值， 通常用摻雜降低其電阻率。通常用摻雜降低其電阻率。 室溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由室溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由摻入半導(dǎo)體中的微量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中的微量的雜質(zhì) （簡稱摻雜）來決定，（簡稱摻雜）來決定，這是半導(dǎo)體能夠制造各種器件的重這是半導(dǎo)體能夠制造各種器件的重 要原因。要原因。 2 2、半導(dǎo)體的摻雜、半導(dǎo)體的摻雜 摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo) 電的電子而本身成為帶正電的離子。這種雜質(zhì)稱為電的電子而本身成為帶正電的離子。這種雜質(zhì)稱為施主雜施主雜 質(zhì)質(zhì)。如。如 在在Si中中摻入摻入V族族的的P 和和

37、As。 施主施主( (DonorDonor) )摻雜摻雜 受主受主(Acceptor)摻雜摻雜 摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電 的空穴而本身成為帶負電的離子。這種雜質(zhì)稱為的空穴而本身成為帶負電的離子。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 如在如在 Si中中摻入摻入III族族的的硼硼(B)元素。元素。 摻雜：摻雜： q為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻入雜質(zhì)的工藝過程為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻入雜質(zhì)的工藝過程 q摻雜雜質(zhì)一般為替位式雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)一般為替位式雜質(zhì) q擴散和注入是典型的摻雜工藝擴散和注入是典型的摻雜工藝 q雜質(zhì)濃度是摻雜的重要因子：

38、單位體積中雜質(zhì)原子數(shù)雜質(zhì)濃度是摻雜的重要因子：單位體積中雜質(zhì)原子數(shù) 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類雜：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類雜 質(zhì)原子價電子殼層結(jié)構(gòu)接近本體原子，如質(zhì)原子價電子殼層結(jié)構(gòu)接近本體原子，如、族在族在SiSi、 Ge(Ge(族族) )中的情況；中的情況；、族在族在化合物中。化合物中。 A：間隙雜質(zhì)間隙雜質(zhì) 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體 p 當半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠小于由熱產(chǎn)生的電子當半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠小于由熱產(chǎn)生的電子 空穴時，此種半導(dǎo)體稱為空穴時，此種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 p 制造半導(dǎo)體器件的

39、半導(dǎo)體材料的純度要達制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達 到到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”。它在。它在 物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。 3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：沒有摻入雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒有摻入雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：禁帶中無載流子可占據(jù)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：禁帶中無載流子可占據(jù) 的能級狀態(tài)的能級狀態(tài) 本征載流子濃度：電子和空穴濃度相同本征載流子濃度：電子和空穴濃度相同n=pn=p 3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 (1) (1) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (

40、2) (2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜 質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入 的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的 本征半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 3 3、本征半導(dǎo)體與、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 (1）N型半導(dǎo)體 在在N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原它主要由雜質(zhì)原 子提供子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)原

41、子因提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子自由電子脫離而帶正電脫離而帶正電 荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜 質(zhì)元素，例如磷，可形成質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半型半 導(dǎo)體導(dǎo)體, ,也稱也稱電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個因五價雜質(zhì)原子中只有四個 價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子 中的價電子形成共價鍵，而多余中的價電子形成共價鍵，而多余 的一個價電子因無共價鍵束縛而的一個價電子因無共價鍵束縛而 很容易形成自由電子。很容易形成自由電子。 N

42、型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 (2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，也稱為也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子。因三價雜質(zhì)原子與硅原子 形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空 穴。穴。 P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多空穴是多 數(shù)載流子數(shù)載流子，主要由摻雜形，主要由摻雜形 成；成；電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子，由，由 熱激發(fā)形成。熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)空穴

43、很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 施主施主：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo) 體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 SiSi中摻入五價的中摻入五價的P P 和和As.As. As As：V V族，其中的四個價電子與族，其中的四個價電子與SiSi形成共價鍵，但多出一個形成共價鍵，但多出一個 電子只需要很低的能量便能該電子電離進入導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電子只需要很低的能量便能該電子電離進入導(dǎo)帶，形成導(dǎo) 電電子和帶正電的電離

44、施主。電電子和帶正電的電離施主。 受主受主：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo) 體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負電的離子。如體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負電的離子。如 SiSi中摻入三價的中摻入三價的B.B. B B：IIIIII族，只有三個價電子，與族，只有三個價電子，與SiSi形成共價鍵，并出現(xiàn)一形成共價鍵，并出現(xiàn)一 個空位，只需要很低的能量便能使價帶中的電子填補空位，個空位，只需要很低的能量便能使價帶中的電子填補空位， 并形成價帶空穴和帶負電的電離受主。并形成價帶空穴和帶負電的電離受主。 施主和施主能級施主和施主能級 由于施主雜質(zhì)的摻入而在半導(dǎo)體帶隙

45、中新引入由于施主雜質(zhì)的摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入 的電子能級的電子能級 AsAs多余的電子由多余的電子由 于受正離子的吸于受正離子的吸 引，能量較導(dǎo)帶引，能量較導(dǎo)帶 電子能量要低，電子能量要低， 同時，吸引作用同時，吸引作用 比共價鍵結(jié)合要比共價鍵結(jié)合要 弱，因此能量較弱，因此能量較 價帶電子要高，價帶電子要高， 施主能級位于帶施主能級位于帶 隙中，離導(dǎo)帶很隙中，離導(dǎo)帶很 近：近：0.03eV0.03eV。 電離：施主向?qū)п尫烹娮拥倪^程。未電離前，施主電離：施主向?qū)п尫烹娮拥倪^程。未電離前，施主 能級是被電子占據(jù)的能級是被電子占據(jù)的, ,電離后導(dǎo)帶有電子，施主本身帶電離后導(dǎo)帶有電子，施主本

46、身帶 正電。正電。 施主的電離和電離能施主的電離和電離能 電離所需要的最小能量稱為電離所需要的最小能量稱為 電離能，通常為導(dǎo)帶底與施電離能，通常為導(dǎo)帶底與施 主能級之差。主能級之差。 受主和受主能級受主和受主能級 由于受主雜質(zhì)摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入由于受主雜質(zhì)摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入 的電子能級，該能級未占據(jù)電子，是空的，容易的電子能級，該能級未占據(jù)電子，是空的，容易 從價帶獲得電子。從價帶獲得電子。 B B原子多出的原子多出的 電子空位很容電子空位很容 易接受價帶電易接受價帶電 子，形成共價子，形成共價 鍵，因此較導(dǎo)鍵，因此較導(dǎo) 帶更接近價帶：帶更接近價帶： 0.05eV0.05eV。

47、 受主電離和電離能受主電離和電離能 受主能級從價帶接受電子的過程稱為受主的電離，受主能級從價帶接受電子的過程稱為受主的電離， 未電離前，未被電子占據(jù)。未電離前，未被電子占據(jù)。 電離所需要的最小能量即為受主電電離所需要的最小能量即為受主電 離能，為價帶頂與受主能級之差。離能，為價帶頂與受主能級之差。 施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)比較施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)比較 1 1）雜質(zhì)的帶電性）雜質(zhì)的帶電性 未電離：均為電中性未電離：均為電中性 電離后：施主失去電子帶正電，受主得到電子電離后：施主失去電子帶正電，受主得到電子 帶負電帶負電 2 2）對載流子數(shù)的影響）對載流子數(shù)的影響 摻入施主后：電子數(shù)大于空穴數(shù)摻入施主后：

48、電子數(shù)大于空穴數(shù) 摻入受主后：電子數(shù)小于空穴數(shù)摻入受主后：電子數(shù)小于空穴數(shù) 雜質(zhì)的補償原理雜質(zhì)的補償原理-pn-pn結(jié)實現(xiàn)原理結(jié)實現(xiàn)原理 （a）NDNA 當同一塊半導(dǎo)體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，這當同一塊半導(dǎo)體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，這 種兩種不同類型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱為種兩種不同類型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔茫Q為雜質(zhì)補雜質(zhì)補 償作用償作用。補償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度，。補償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度， 只有有效的雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。只有有效的雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。 （b）ND 0kT0k， 若若E= EE= EF F ，

49、則則f(E) =1/2 f(E) =1/2 ；若；若 E EE1/2 f(E) 1/2 ；若；若E E E EF F ， 則則f(E) 1/2f(E) 空空 穴遷移率穴遷移率 GaAs Ge Si -平均自由時間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時間。平均自由時間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時間。 其影響因素與散射模式相關(guān)其影響因素與散射模式相關(guān) 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射 晶格散射晶格散射 當半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時，將發(fā)生載流子的當半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時，將發(fā)生載流子的 擴散運動，滿足擴散方程，并形成擴散電流。擴散運動，滿足擴散方程，并形成擴散電流。 在一維分布情形下，載流子的擴散密度為：在

50、一維分布情形下，載流子的擴散密度為： 擴散流密度擴散流密度 負號反映擴散流總是從高濃度向低濃度流動。負號反映擴散流總是從高濃度向低濃度流動。 電子擴散電流：電子擴散電流： 空穴擴散電流：空穴擴散電流： 載流子的擴散運動載流子的擴散運動 dx dN D dx dn qDj ndiffn , dx dp qDj pdiffp , 愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系 在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出 愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系 這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系式之一，反映了漂這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系式之一，反映了漂 移和擴散運動的內(nèi)在聯(lián)系移和擴散運動的內(nèi)在聯(lián)系 q kT D 當同

51、時存在電場和載流子濃度梯度時，載流子邊當同時存在電場和載流子濃度梯度時，載流子邊 漂移邊擴散。漂移邊擴散。 如果在半導(dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它如果在半導(dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它 們將一邊擴散一邊復(fù)合，形成一個有高濃度到低們將一邊擴散一邊復(fù)合，形成一個有高濃度到低 濃度的分布濃度的分布N N（x x）：）： 非平衡載流子的擴散長度非平衡載流子的擴散長度L L：非平衡載流子在被復(fù)：非平衡載流子在被復(fù) 合前擴散的平均距離。合前擴散的平均距離。 Lx eNxN / 0 )( 復(fù)雜體系復(fù)雜體系半導(dǎo)體中載流子遵守的半導(dǎo)體中載流子遵守的連續(xù)性方程連續(xù)性方程 連續(xù)性方程：連續(xù)性方程： ( (非

52、平衡載流子在未達到穩(wěn)定狀態(tài)前，載流子非平衡載流子在未達到穩(wěn)定狀態(tài)前，載流子 隨時間的變化率必須等于其產(chǎn)生率加上積累率再減去復(fù)合率隨時間的變化率必須等于其產(chǎn)生率加上積累率再減去復(fù)合率) ) （產(chǎn)生、復(fù)合、漂移、擴散）共同存在（產(chǎn)生、復(fù)合、漂移、擴散）共同存在 J q 1n g t n n J q 1p g t p p 對空穴對空穴 對電子對電子 輻射躍遷和光吸收輻射躍遷和光吸收 在固體中，光子和電子之間在固體中，光子和電子之間 的相互作用有三種基本過程：的相互作用有三種基本過程： 吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。 兩個能級之間的三種基本躍遷過程兩個能級之間的三種基本躍遷過程

53、(a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射 1.7 1.7 半導(dǎo)體中的光電特性半導(dǎo)體中的光電特性 電光效應(yīng)和電光效應(yīng)和 光電效應(yīng)光電效應(yīng) pnpn結(jié)注入式場致發(fā)光原理結(jié)注入式場致發(fā)光原理 半導(dǎo)體發(fā)光包括半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)激發(fā)過程和過程和復(fù)合復(fù)合過程。這兩個過過程。這兩個過 程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個環(huán)節(jié)。程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個環(huán)節(jié)。 在在pnpn結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)及結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)及 其左右兩邊各一個少子擴散長度范圍內(nèi)的少子濃其左右兩邊各一個少子擴散長度范圍內(nèi)的少子濃 度超過其熱平衡少子濃度。超過部分就是由電能度超過其熱平

54、衡少子濃度。超過部分就是由電能 激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子，激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子， 它們必須通過第二過程：它們必須通過第二過程：復(fù)合復(fù)合，達到恒定正向注，達到恒定正向注 入下新穩(wěn)態(tài)。入下新穩(wěn)態(tài)。 電光效應(yīng)電光效應(yīng) 復(fù)合分為復(fù)合分為輻射復(fù)合輻射復(fù)合和和非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合過程。輻射復(fù)合過程 中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然 放出。非輻射復(fù)合過程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)榉懦觥７禽椛鋸?fù)合過程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)?其它形式的能，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率其它形式的能，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率 應(yīng)盡量避

55、免非輻射復(fù)合。應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。 輻射復(fù)合的幾條輻射復(fù)合的幾條途徑途徑是：是：帶帶- -帶復(fù)合帶復(fù)合、淺施主淺施主- -價價 帶或?qū)Щ驅(qū)? -淺受主間復(fù)合淺受主間復(fù)合、施施- -受主之間復(fù)合受主之間復(fù)合、通通 過深能級復(fù)合過深能級復(fù)合等。等。 發(fā)光器件發(fā)光器件 q發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而 引起的自發(fā)輻射；引起的自發(fā)輻射；非相干光。非相干光。 q半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下 促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射； 相干光，具有單色性好、方向性強、亮相干光，具有單色性好、方

56、向性強、亮 度高等特點。度高等特點。 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 當光照射到半導(dǎo)體上時，光能量作用于物體而釋放當光照射到半導(dǎo)體上時，光能量作用于物體而釋放 出電子的現(xiàn)象稱為出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為。光電效應(yīng)分為內(nèi)、外內(nèi)、外 光電效應(yīng)光電效應(yīng)兩大類。兩大類。 1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外 發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谶@類效應(yīng)的器件有發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于這類效應(yīng)的器件有 光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)由愛因斯坦。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)由愛因斯坦 光電效應(yīng)方程判別：光電效應(yīng)方程判別： 從上式可知：當光子能量大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應(yīng)；從上式可知：當光子能量大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應(yīng)； 當光子能量恰好等于逸出功時的當光子能量恰好等于逸出功時的 0 0稱為稱為紅限頻率紅限頻率( (對應(yīng)于長對應(yīng)于長 波限波限) )。小于紅限頻率的入射光，光強再