半導體物理知識復習

1、物質(zhì)的分類物質(zhì)的分類導體導體( (電阻率小于電阻率小于 ) )410cm絕緣體絕緣體( (電阻率大于電阻率大于 ) )910cm半導體（電阻率介于兩者之半導體（電阻率介于兩者之間）間）典型的半導體：典型的半導體：硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化砷化鎵鎵GaAsGaAs等。等。按照導電按照導電能力的差能力的差別，可以別，可以將物質(zhì)分將物質(zhì)分為：為：固體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 硅、鍺等半導體都屬于金剛石型結(jié)構(gòu)。 III-V族化合物（如砷化鎵等）大多是屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)類似。 晶格常數(shù)是晶體的重要參數(shù)。 aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm半導體的原子結(jié)構(gòu)半導體的原子結(jié)構(gòu)價電

2、子價電子SiSi硅原子硅原子GeGe鍺原子鍺原子+4價電子價電子正離子正離子本征半導體中的共價鍵本征半導體中的共價鍵完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體，完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體，被稱為被稱為本征半導體本征半導體。例如理想的硅或。例如理想的硅或鍺單晶。鍺單晶。在硅和鍺晶體在硅和鍺晶體中，每個原子中，每個原子與其相臨的原與其相臨的原子之間形成子之間形成共共價鍵價鍵，共用一，共用一對價電子。對價電子。+4+4+4+4+4+4+4+4晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子價電子共價鍵共價鍵正離子正離子本征激發(fā)本征激發(fā)+4+4+4+4+4+4+4+4當溫度很低，沒有激發(fā)時，當溫度很低，沒有激發(fā)時，

3、半導體不能導電。半導體不能導電。當溫度逐漸升高或有足夠當溫度逐漸升高或有足夠光照時，將有少數(shù)價電子光照時，將有少數(shù)價電子獲得足夠能量，可以克服獲得足夠能量，可以克服共價鍵的束縛而成為共價鍵的束縛而成為自由自由電子電子，使得本征半導體具，使得本征半導體具有了微弱的導電能力。有了微弱的導電能力。產(chǎn)生自由電子后，在原有產(chǎn)生自由電子后，在原有的共價鍵中形成的共價鍵中形成空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴可以依靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充可以依靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)空穴的移動?？昭▉韺崿F(xiàn)空穴的移動。載流子的概念載流子的概念自由電子與空穴均可視為自由電子

4、與空穴均可視為載流子載流子，但所攜帶，但所攜帶電荷的電荷的極性不同極性不同。在在本征半導體本征半導體中，自由電中，自由電子與空穴總是子與空穴總是成對出現(xiàn)成對出現(xiàn)，成為電子成為電子- -空穴對空穴對, ,從而從而兩兩種載流子的濃度相等種載流子的濃度相等。帶正電帶正電帶負電帶負電+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴載流子：載運電流的粒子載流子：載運電流的粒子電子濃度：電子濃度：in空穴濃度：空穴濃度：ipiipn 本征半導體的載流子濃度本征半導體的載流子濃度(1)熱平衡狀態(tài)下，本征半導體中：熱平衡狀態(tài)下，本征半導體中：本征激發(fā)本征激發(fā)不斷產(chǎn)生自由電子不斷產(chǎn)生自由電子-空穴對空穴

5、對自由電子與空穴相遇時，自由電子可自由電子與空穴相遇時，自由電子可填入共價鍵的空穴，兩者成對消失并填入共價鍵的空穴，兩者成對消失并釋放出一定能量，即為釋放出一定能量，即為“復合復合”電子濃度：電子濃度：0n空穴濃度：空穴濃度：0p本征濃度：本征濃度：00inpn200in pnkTEigeTAn22300本征半導體的載流子濃度(2)可見，本征半導體中載流子的濃度可見，本征半導體中載流子的濃度與以下因素相關(guān)：與以下因素相關(guān)：半導體材料半導體材料本身的性質(zhì)本身的性質(zhì)隨著隨著溫度溫度的升高基本上按照指數(shù)規(guī)的升高基本上按照指數(shù)規(guī)律增加律增加kTEigeTAn223000A：與半導體材料有關(guān)：與半導體材

6、料有關(guān)的常數(shù)的常數(shù)0gE：禁帶寬度，代表一：禁帶寬度，代表一個價電子克服共價鍵個價電子克服共價鍵而成為自由電子所需而成為自由電子所需的最小能量的最小能量Tk雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某種特定的雜質(zhì)在本征半導體中摻入某種特定的雜質(zhì)（摻雜摻雜），成為雜質(zhì)半導體后，可以），成為雜質(zhì)半導體后，可以使其導電性能發(fā)生使其導電性能發(fā)生質(zhì)的變化質(zhì)的變化。根據(jù)所摻元素的不同，又可將摻雜后根據(jù)所摻元素的不同，又可將摻雜后的半導體分為的半導體分為N N型型半導體（摻入半導體（摻入5 5價元價元素）和素）和P P型型半導體（摻入半導體（摻入3 3價元素）。價元素）。增加載流子的數(shù)量增加載流子的數(shù)量提高導電

7、率提高導電率N型半導體及其性質(zhì)型半導體及其性質(zhì)+4+4+5+5+4+4+4+4自由電子自由電子施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)對于對于N N型半導體型半導體來說，其中的電來說，其中的電子濃度大大高于子濃度大大高于空穴的濃度，又空穴的濃度，又被稱為被稱為電子型半電子型半導體導體。其中的。其中的5 5價雜質(zhì)被稱為價雜質(zhì)被稱為施施主雜質(zhì)主雜質(zhì)。N N型半導體中型半導體中: :電子為多數(shù)載流子（電子為多數(shù)載流子（多子多子），主要由），主要由雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供空穴為少數(shù)載流子（空穴為少數(shù)載流子（少子少子），主要由），主要由熱激發(fā)產(chǎn)生熱激發(fā)產(chǎn)生+N型硅表示型硅表示不能導電不能導電P型半導體及其性質(zhì)型半導體及其性質(zhì)+

8、4+4+3+3+4+4+4+4空位空位受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)對于對于P P型半導體型半導體來說，其中的空來說，其中的空穴濃度大大高于穴濃度大大高于電子的濃度，又電子的濃度，又被稱為被稱為空穴型半空穴型半導體導體。其中的。其中的3 3價雜質(zhì)被稱為價雜質(zhì)被稱為受受主雜質(zhì)主雜質(zhì)。P P型半導體中型半導體中: :空穴為多數(shù)載流子空穴為多數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子 多子少子N型半導體電子空穴P型半導體空穴電子P型硅表示型硅表示不能導電不能導電雜質(zhì)半導體的性質(zhì)雜質(zhì)半導體的性質(zhì)在雜質(zhì)半導體中：在雜質(zhì)半導體中：+-N N型半導體的型半導體的簡化表示法簡化表示法P P型半導體的型半導體的簡化表示法簡化表

9、示法多子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度多子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度少子的濃度主要取決于溫度少子的濃度主要取決于溫度半導體雜質(zhì)的補償原理半導體雜質(zhì)的補償原理: :雜質(zhì)的補償作用：如果在半導體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，兩者具有相互抵消的作用，這種作用稱為雜質(zhì)的補償作用。載流子在半導體中的運動載流子在半導體中的運動當無外加電場作用時，半導體中的載當無外加電場作用時，半導體中的載流子做不規(guī)則熱運動，對外不呈現(xiàn)電流子做不規(guī)則熱運動，對外不呈現(xiàn)電特性特性在外加或內(nèi)建電場作用下，載流子將在外加或內(nèi)建電場作用下，載流子將有定向的有定向的“漂移運動漂移運動”并產(chǎn)生并產(chǎn)生漂移電漂移電流流當載流子濃度

10、分布不均勻時，將從高當載流子濃度分布不均勻時，將從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域做定向運動，濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域做定向運動，即即“擴散運動擴散運動”，同時產(chǎn)生，同時產(chǎn)生擴散電流擴散電流半導體中的電流為漂移電流與擴散電半導體中的電流為漂移電流與擴散電流之和流之和半導體中的能帶 電子的共有化運動 軌道交迭：電子可從一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去 原子組合成晶體：電子的量子態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化，電子穿行于整個晶體的運動 電子只能在能量相同的量子態(tài)之間轉(zhuǎn)移 共有化的量子態(tài)與原子能級之間存在對應關(guān)系 在同一個原子能在同一個原子能級上產(chǎn)生的共有化級上產(chǎn)生的共有化運動多樣運動多樣可以有各種速度可以有各種速度 從一個原子能級

11、從一個原子能級可以演變出許多共可以演變出許多共有化量子態(tài)有化量子態(tài) 原子能級原子能級 能帶能帶一組密集的能級：能帶一組密集的能級：能帶 禁帶禁帶，帶隙，帶隙半導體中的能帶價帶：價帶：被電子填充的能量最高的能帶，被電子填充的能量最高的能帶，價電子填充價電子填充 能量最高能量最高 價帶以上能帶基本為空價帶以上能帶基本為空導帶：導帶： 未被電子填充的能量最低的能帶未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導帶底與價帶頂之間能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帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體中的能帶半導體中的能帶(價帶、導帶和帶隙價帶、導帶和帶隙)Si，Ge等晶體中，內(nèi)層到最

12、等晶體中，內(nèi)層到最外層價電子填滿相應的能帶外層價電子填滿相應的能帶 電子擺脫共價鍵束縛形成一對電子和空穴 電子從價帶到導帶的躍遷過程 導帶增加一個電子、價帶增加一個空穴 禁帶寬度：擺脫共價鍵所需的能量 導電的電子：導帶中的電子 導電的空穴：填滿的價帶中出現(xiàn)的空能級，實質(zhì)是價帶中電子的導電 從低向高能級躍遷：吸收能量；反之放出能量 雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)雜質(zhì)能級一般處于禁帶中雜質(zhì)能級一般處于禁帶中施主能級施主能級V族施主電離能很小族施主電離能很小施主的電離：施主能級施主的電離：施主能級上的電子躍遷到導帶上的電子躍遷到導帶 受主

13、能級受主能級負電中心束縛空穴負電中心束縛空穴III族受主電離能很小族受主電離能很小受主的電離：價帶電子躍遷受主的電離：價帶電子躍遷到受主能級，失去空穴的負到受主能級，失去空穴的負電中心電中心n型半導體：主要電子導電，有少量空穴型半導體：主要電子導電，有少量空穴P型半導體：主要空穴導電，有少量電子型半導體：主要空穴導電，有少量電子多子：多數(shù)載流子多子：多數(shù)載流子 n型半導體：電子型半導體：電子p型半導體：空穴型半導體：空穴少子：少數(shù)載流子少子：少數(shù)載流子n型半導體：空穴型半導體：空穴p型半導體：電子型半導體：電子晶格熱振動晶格熱振動 產(chǎn)生產(chǎn)生電子躍遷：產(chǎn)生電電子躍遷：產(chǎn)生電子空穴對子空穴對復合：

14、導帶電子落復合：導帶電子落入價帶空能級入價帶空能級熱平衡時，電子、熱平衡時，電子、空穴濃度維持不變空穴濃度維持不變熱平衡：無光照、熱平衡：無光照、PN結(jié)注入等結(jié)注入等半導體中少子和多子的平衡半導體中少子和多子的平衡2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 熱平衡時熱平衡時:N型半導體：型半導體：n大于大于pP型半導體：型半導體：p大于大于n非本征半導體的載流子非本征半導體的載流子p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補償施主和受主可以相互補償p = n + Na Ndn = p + Nd Na電中性條件電中性條件: 正負電荷之和為正負電荷之和為0n型半導體：電子型半導體：電子 n

15、 Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半導體：空穴型半導體：空穴 p Na 電子電子 n ni2/Na 由于受外界因素如光、電的作用，半導體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非平衡離平衡分布的載流子為非平衡(過剩過剩)載流子載流子2innp 公式公式不成立不成立外界因素撤除后，過剩載流子復合外界因素撤除后，過剩載流子復合非平衡載流子非平衡載流子費米能級 費米能級：反映電子填充能帶到什么水平：電子統(tǒng)計規(guī)律的一個基本概念 從重摻雜P型到重摻雜N型半導體，填進能帶的電子逐漸增多，費米能級逐漸增高 費

16、米能級畫到能帶圖中，反映電子填充能帶情況，不代表電子的量子態(tài) 費米能級以下基本 填滿電子 費米能級在禁帶中央：本征 費米能級在禁帶上半部：N型 費米能級在禁帶下半部：P型Ef反映了電子的占據(jù)情況，是系統(tǒng)的化學勢反映了電子的占據(jù)情況，是系統(tǒng)的化學勢載流子的統(tǒng)計分布函數(shù) 費米狄拉克分布費米狄拉克分布 量量 子子 的的 統(tǒng)統(tǒng) 計計 分分 布布kTEEfeEf11kTEEfeEf玻爾茲曼分布玻爾茲曼分布 經(jīng)經(jīng) 典典 粒粒 子子 的的 統(tǒng)統(tǒng) 計計 分分 布布E-Ef大于幾個大于幾個kT時時簡化形式簡化形式熱平衡時電子占據(jù)能級熱平衡時電子占據(jù)能級E的幾率的幾率nneiEEkTFnipneiEEkTiFp漂

17、移電流漂移電流EqnqnvJdDeift遷移率遷移率 電阻率電阻率單位電場作用下載流單位電場作用下載流子獲得平均速度子獲得平均速度反映了載流子在電場反映了載流子在電場作用下輸運能力作用下輸運能力 載流子的漂移運動：載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動載流子在電場作用下的運動 引引 入入 遷遷 移移 率率 的的 概概 念念遷移率：遷移率：電子和空穴不同電子和空穴不同摻雜濃度影響摻雜濃度影響溫度影響溫度影響.載流子的輸運載流子的輸運 載流子在運動過程中，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，無規(guī)則地改變運動方向，發(fā)生散射；經(jīng)歷一次散射載流子喪失了原有定向運動速度 載流子的平均漂移速度等于載流子在兩次散

18、射之間電場力加速獲得的平均速度mq影響遷移率的因素：影響遷移率的因素：有效質(zhì)量有效質(zhì)量平均弛豫時間平均弛豫時間遷移率遷移率 漂移速度與遷移率的關(guān)系：Vd=E其中，遷移率即表示單位場強下電子的平均漂移速度（cm2/Vs)I=-nqVd1 sJ=- nqVd =-nq ESi: n=1350 cm2/Vs, p=500cm2/Vs重要半導體材料的屬性重要半導體材料的屬性Si中遷移率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系中遷移率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系電阻率 J=E=nqnE+pqpE)(11pnqpn擴散電流擴散電流電子擴散電流：電子擴散電流：dxdnqDJndiffn,空穴擴散電流：空穴擴散電流：dxdpqDJpdiffp,

19、愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系:qkTD 載流子的擴散運動：載流子的擴散運動：載流子在化學勢作用下運動載流子在化學勢作用下運動由載流子非均勻分布引起由載流子非均勻分布引起擴散系數(shù)，描述載擴散系數(shù)，描述載流子的擴散能力流子的擴散能力 電流密度方程電流密度方程 載流子的輸運方程載流子的輸運方程在漂移擴散模型中在漂移擴散模型中擴散項漂移項nqDnqnnnEjpqDpqpppEj方程形式方程形式1nBnqTkDpBpqTkD愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系波耳茲曼關(guān)系kTqifenn/ )(kTqifenp/ )(innnqkTlnqEFf方程形式方程形式2ipnpqkTlnnnnqnJpppqnJ電子和空穴的準費米勢：電子和空穴的準費米勢：費米勢2200200022idaddiadanNaNNNnNnnNnNpNn電荷守恒定律電荷守恒定律連續(xù)性方程和泊松方程連續(xù)性方程和泊松方程連續(xù)性方程：在半導體材料中同時存在載流子的