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:主要知識點和閱讀章節(jié)主要知識點和閱讀章節(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、場效應(yīng)管、場效應(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 童詩白童詩白,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)）和載和載流子輸運流子輸運固體材料：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：共價鍵原子結(jié)合形式：共價鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：形成的晶

3、體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)構(gòu) 成成 一一 個正四個正四面體，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元素，其最外導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，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，只有在外電場強到一定程度時受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體

5、與絕緣們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。體之間。無雜質(zhì)無雜質(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)由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價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)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為留有一個空位置，稱為空穴空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合復(fù)合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空

6、穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平衡兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負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，且運動方向相反。由于載流子數(shù)且運動方向相反。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載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。流子

7、濃度增大，導(dǎo)電性增強。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。時不導(dǎo)電。電子：電子：Electron，帶負電的導(dǎo)電載流子，帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛是價電子脫離原子束縛 后形成的后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電自由電子，對應(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，是價電子脫離原子束縛價電子脫離原子束縛 后形成的電后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位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)合動態(tài)平衡動態(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電的自由電子帶負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出現(xiàn)，本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為稱為

9、 電子電子 - 空穴對?？昭▽Α?. 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)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又由于物質(zhì)的運動，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)合運動不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。會達到平衡，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 (價帶、導(dǎo)

10、帶和帶隙價帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級量子態(tài)和能級固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu) 原子能級原子能級 能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原原 子子 能能 級級 反反 成成 鍵鍵 態(tài)態(tài) 成成 鍵鍵 態(tài)態(tài)價帶：價帶：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)帶底與價帶頂之間能帶禁帶：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，取決于與晶格的作用有效質(zhì)量可正、可負，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，濃度越高，導(dǎo)

12、電性越強，實現(xiàn)實現(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)時的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時的數(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。穴濃度越高，導(dǎo)電性越強。 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？化時，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？說明：說明：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)目要遠遠高于本征半導(dǎo)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導(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)體的的簡化表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡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，并成為帶負電的離子。如提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負電的離子。如 Si中摻的中摻的B施主能級施主能級受主能級受主能級雜質(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)施主能級施主能級導(dǎo)導(dǎo)帶帶電離能電離能受主能級受主能級價價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：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(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: 熱平衡時熱平衡時: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: 正負電荷之和為正負電荷之和為0p + 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 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. 過剩載流子過剩載流子 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，稱這體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過剩載流子些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子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程失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復(fù)合電子空穴對：電子和空穴成對產(chǎn)生或復(fù)合9. 9. 載流子的輸運載流子的輸運漂移電流漂移電流EqnqnvJdDeift遷移率遷移率 電阻率電阻率pnqpqn1mq單位電場作用下載流子獲得平均速度單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下反映了載流子在電場作用下輸運能力輸運能力 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 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)量平均弛豫時間（散射平均弛豫時間（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制：半導(dǎo)體中載流子的散射機制： 晶格散射（晶格散射（ 熱熱 運運 動動 引引 起）起） 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射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,愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系:qkTD 載流子的擴散運動：載流子在化學(xué)勢作用下運動載流子的擴散運動：載流子在化學(xué)勢作用下運動過剩載流子的擴散和復(fù)合過剩載流子的擴散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機制：過剩載流子的復(fù)合機制： 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)合過剩載流子的擴散過程過剩載流子的擴散過程描述半導(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)體中靜電勢的變化規(guī)律描述半導(dǎo)體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米靜電勢由本征費米能級能級Ei的變化決定的變化決定qEi能帶向下彎，能帶向下彎，靜電勢增加靜電勢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)可動的可動的 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，無外加偏無外加偏壓時，壓時，方程方程RHS0，靜電勢為