第二章半導(dǎo)體及其本征特征

1、第二章第二章半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)Recap:主要知識(shí)點(diǎn)和閱讀章節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)和閱讀章節(jié) 1、半導(dǎo)體材料基本特性、半導(dǎo)體材料基本特性 2、pn結(jié)結(jié) 3、雙極晶體管、雙極晶體管 4、場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)效應(yīng)管 閱讀教材第二章閱讀教材第二章 閱讀康華光閱讀康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第模擬部分（第五版）五版）第第1、2、3、4、5章章. 參考教材：參考教材： 1 童詩(shī)白童詩(shī)白,華成英華成英(著著).模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版第四版)M.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2006. 2 康華光康華光(著著).電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分模擬部分

2、(第第五版五版)M.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2010.第一講第一講 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2.1 半導(dǎo)體及其基本性質(zhì)半導(dǎo)體及其基本性質(zhì) 2.2 半導(dǎo)體中的半導(dǎo)體中的載流子載流子 2.3 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)）電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)）和載和載流子輸運(yùn)流子輸運(yùn)固體材料：固體材料： 超導(dǎo)體超導(dǎo)體: 大于大于106 ( cm)-1 導(dǎo)導(dǎo) 體體: 106104 ( cm)-1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 10410-10 ( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10 ( cm)-1？什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：形成的晶

3、體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)構(gòu) 成成 一一 個(gè)正四個(gè)正四面體，面體， 具具 有有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge 化合物半導(dǎo)體，如：化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InSb、GaP、InP2. 半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ影雽?dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：本征半導(dǎo)體：n=p=ni一、一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半

4、導(dǎo)體。1 1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體

5、與絕緣們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。體之間。無(wú)雜質(zhì)無(wú)雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2 2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為而成為自由電子自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱(chēng)為留有一個(gè)空位置，稱(chēng)為空穴空穴 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱(chēng)為自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱(chēng)為復(fù)合復(fù)合。共價(jià)鍵共價(jià)鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空

6、穴對(duì)熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡兩種載流子兩種載流子 外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故目很少，故導(dǎo)電性很差導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3 3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。 溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。流子

7、濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。時(shí)不導(dǎo)電。電子：電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛是價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子子空穴：空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的電后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位KTEiiGOeTKpn22314 4、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度 在一定溫度下在一定溫度下本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是

8、一定載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中載流子的濃度公式：載流子的濃度公式：T=300 K室溫下室溫下, ,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: : n = p =1.431010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度本征鍺的電子和空穴濃度: : n = p =2.381013/cm3本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡1. 半導(dǎo)體中兩種載流子半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴帶正電的空穴 2. 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱(chēng)為稱(chēng)為

9、 電子電子 - 空穴對(duì)?？昭▽?duì)。3. 本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用 ni 和和 pi 表示，顯然表示，顯然 ni = pi 。4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。會(huì)達(dá)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(guān)，它隨著溫度的升載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)：小結(jié)：3. 半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 (價(jià)帶、導(dǎo)

10、帶和帶隙價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu) 原子能級(jí)原子能級(jí) 能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原原 子子 能能 級(jí)級(jí) 反反 成成 鍵鍵 態(tài)態(tài) 成成 鍵鍵 態(tài)態(tài)價(jià)帶：價(jià)帶：0K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： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶

11、結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與半導(dǎo)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真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量電子和空穴的有效質(zhì)量m m* *4.半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜BAs 受受 主主 摻摻 雜雜 施施 主主 摻摻 雜雜二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N N型半導(dǎo)體5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，濃度越高，導(dǎo)

12、電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？了？少了少了？為什么？為什么？2. 2. P型半導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變?cè)陔s質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目少子與多子變化的數(shù)目相同相同嗎？少子與多子嗎？少子與多子濃度濃度的變化的變化相同嗎？相同嗎？說(shuō)明：說(shuō)明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度

13、決摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。( (a) )N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (b) ) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體圖圖 雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA施主：施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子

14、向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的中摻的P 和和As 受主：受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，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。如提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如 Si中摻的中摻的B施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周?chē)\(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周?chē)\(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)施主能級(jí)施主能級(jí)導(dǎo)導(dǎo)帶帶電離能電離能受主能級(jí)受主能級(jí)價(jià)價(jià)帶帶本征載流子濃度：本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)與禁帶寬度和溫度有關(guān)5

15、. 本征載流子本征載流子本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度載流子濃度 電電 子子 濃濃 度度 n, 空空 穴穴 濃濃 度度 p6. 6. 非本征半導(dǎo)體的載流子非本征半導(dǎo)體的載流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：n大于大于pP型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：p大于大于n多子：多數(shù)載流子多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子7. 電中

16、性條件電中性條件: 正負(fù)電荷之和為正負(fù)電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補(bǔ)償施主和受主可以相互補(bǔ)償p = n + Na Ndn = p + Nd Nan型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴 p Na 電子電子 n ni2/Na8. 過(guò)剩載流子過(guò)剩載流子 由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱(chēng)這體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱(chēng)這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子2innp 公式公式不成立不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)

17、合：電子和空穴增加和消載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程失的過(guò)程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合9. 9. 載流子的輸運(yùn)載流子的輸運(yùn)漂移電流漂移電流EqnqnvJdDeift遷移率遷移率 電阻率電阻率pnqpqn1mq單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力輸運(yùn)能力 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng) 引引 入入 遷遷 移移 率率 的的 概概 念念 影影 響響 遷遷 移移 率率 的的 因因 素素影響遷移率的因素：影

18、響遷移率的因素：有效質(zhì)量有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射平均弛豫時(shí)間（散射體現(xiàn)在：溫度和體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制： 晶格散射（晶格散射（ 熱熱 運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng) 引引 起）起） 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：電子擴(kuò)散電流：dxdnqDJndiffn,空穴擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：dxdpqDJpdiffp,愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系:qkTD 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)過(guò)剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)剩載流子的復(fù)合機(jī)制：過(guò)剩載流子的復(fù)合機(jī)制： 直接復(fù)合、間接復(fù)

19、合、直接復(fù)合、間接復(fù)合、 表面復(fù)合、俄歇復(fù)合表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過(guò)剩載流子的擴(kuò)散過(guò)程過(guò)剩載流子的擴(kuò)散過(guò)程描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)能級(jí)Ei的變化決定的變化決定qEi能帶向下彎，能帶向下彎，靜電勢(shì)增加靜電勢(shì)增加方程的形式方程的形式102x,st方程的形式方程的形式2 ssdxxE01電荷電荷密度密度 (x)可動(dòng)的可動(dòng)的 載流子（載流子（n,p)固定的固定的 電離的施主、受主電離的施主、受主npNNqAD特例：特例：均勻均勻Si中，中，無(wú)外加偏無(wú)外加偏壓時(shí)，壓時(shí)，方程方程RHS0，靜電勢(shì)為